潘世強(qiáng)，巢萬(wàn)里，胡富貴

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015；2.湖南建工交通建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410005)

0 引言

斜交地道橋因左、右側(cè)土壓力力矩不平衡及左、右側(cè)邊墻支點(diǎn)位置不一致，導(dǎo)致頂板鈍角區(qū)形成較大彎扭應(yīng)力，一般情況下控制銳角≥45°。因下穿鐵路項(xiàng)目頂程短，且大多采用鋼軌便梁架空、明挖頂進(jìn)施工技術(shù)，因此也存在不少<45°斜交角度的項(xiàng)目[1-4]。下穿高速公路頂推項(xiàng)目存在頂推長(zhǎng)度大、暗挖頂進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)，不僅結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期受力復(fù)雜，而且施工期因平面不平衡力矩存在，導(dǎo)致平面姿態(tài)難以控制，鋼盾構(gòu)頂推過(guò)程中受扭較嚴(yán)重問(wèn)題，因此實(shí)際項(xiàng)目中很少見到交叉角度<45°的下穿公路頂推項(xiàng)目。

下穿公路頂推項(xiàng)目的合理覆土深度為1.2～2.0m。一般認(rèn)為，下穿公路頂推地道橋的覆土厚度<1.2m 即可視為超淺埋項(xiàng)目。覆土淺，路基土體在盾構(gòu)及地道橋摩擦力作用下形成較大塑性區(qū)和剪切變形區(qū)，導(dǎo)致路面沉降較大，甚至出現(xiàn)路面開裂、跳車等病害。覆土深，頂板承受的土壓力過(guò)大，導(dǎo)致整體頂力增大，也會(huì)造成較大路面沉降。2006年，河南省道常付線漯河境內(nèi)改建工程地道橋下穿京珠高速公路，斜交角度70°，最小覆土厚度90cm，路面沉降達(dá)120mm[5]。2015年，湖南省長(zhǎng)沙市花卉路下穿京港澳高速公路主線及李家塘互通H匝道，斜交角度62°，最小覆土厚度1.2m，路面最大沉降量25mm，頂推效果良好，是湖南省目前最大斜交角度的成功案例。2019年，G30連霍高速公路新疆境內(nèi)小草湖—烏魯木齊段改擴(kuò)建工程4改8項(xiàng)目中，新建互通匝道及G312國(guó)道下穿南疆鐵路45°斜交地道橋頂推施工便出現(xiàn)過(guò)盾構(gòu)墩柱變形較大且首節(jié)端部與盾構(gòu)固結(jié)點(diǎn)處混凝土撕裂的工程問(wèn)題[6]。

1 工程概況

平伍高速公路平江南互通E匝道與平汝高速公路NK1+100.2處相交，相交角度45°。采用斜交斜做正頂設(shè)計(jì)施工方案，如圖1所示。E匝道地道橋?yàn)閱慰捉Y(jié)構(gòu)，斷面尺寸16.9m×9.5m，分3節(jié)預(yù)制，每節(jié)長(zhǎng)16m，合計(jì)48m。本項(xiàng)目頂推地道橋具有如下特點(diǎn)：①地道橋預(yù)制銳角60°，頂進(jìn)方向45°；②覆土厚度97～124cm；③頂進(jìn)方向左側(cè)需破除一個(gè)老蓋板通道，給工程帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)。大角度斜交且最小覆土厚度僅97cm，是目前湖南省內(nèi)最復(fù)雜的下穿高速公路頂推項(xiàng)目，在全國(guó)頂推項(xiàng)目中也極罕見。

圖1 地道橋布置(單位：cm)

本項(xiàng)目下穿高速公路路基，地層自上而下依次為路面結(jié)構(gòu)層、路基填土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，地道橋主要位于填土層和全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。

2 監(jiān)測(cè)方案及成果分析

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)及該項(xiàng)目的工程特點(diǎn)，在頂進(jìn)施工過(guò)程中，進(jìn)行以下幾方面實(shí)時(shí)監(jiān)控[7]：①上部高速公路路面沉降監(jiān)測(cè)；②地道橋頂進(jìn)姿態(tài)監(jiān)測(cè)；③盾構(gòu)支架應(yīng)力監(jiān)測(cè)；④老涵洞側(cè)墻的位移收斂監(jiān)測(cè)。從監(jiān)測(cè)成果分析，該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)體現(xiàn)出的工程問(wèn)題主要集中在路面沉降和橋位平面偏轉(zhuǎn)上。

頂推地道橋路面沉降測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，其中路面沉降監(jiān)測(cè)F型測(cè)點(diǎn)采用水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置于硬路肩及行車道上；J型測(cè)點(diǎn)采用具有無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能的電感式靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)位于中央分隔帶的綠化帶上。為方便展現(xiàn)路面沉降與掌子面間的相對(duì)關(guān)系，在圖3中繪制左、中、右3個(gè)頂程標(biāo)尺，零點(diǎn)為盾構(gòu)安裝就位后子盾構(gòu)的前端，因此頂程與子盾構(gòu)的開挖面等效。平汝高速公路的路線方位角180°，地道橋頂進(jìn)方位角45°，地道橋及盾構(gòu)預(yù)制銳角60°，因此頂進(jìn)施工時(shí)，頂進(jìn)方向右側(cè)較左側(cè)提前入土9.76m。

圖2 平江南互通E匝道高速公路路面沉降觀測(cè)平面布點(diǎn)(單位：m)

圖3 路面隆起與掌子面相對(duì)關(guān)系(單位：cm)

2.1 路面沉降

由圖3，4可看出，暗挖頂推施工對(duì)路基會(huì)造成一定的損傷和擾動(dòng)。掌子面開挖處，路面會(huì)出現(xiàn)明顯位移。整體上說(shuō)，路面表現(xiàn)出先輕微隆起后急劇下降的整體規(guī)律，在文獻(xiàn)[8-9]中也有類似的位移變形規(guī)律。具體規(guī)律如下。

圖4 F1，F(xiàn)4，J，F(xiàn)7測(cè)點(diǎn)豎向位移隨頂程變化曲線

1)子盾構(gòu)前方1m的路面會(huì)產(chǎn)生明顯的路面隆起，當(dāng)子盾構(gòu)推進(jìn)至測(cè)點(diǎn)正下方時(shí)路面產(chǎn)生最大隆起位移，之后路面開始急劇下沉。受斜交影響，右側(cè)路面較左側(cè)路面隆起時(shí)間早10m的頂程距離。路面隆起主要有2個(gè)方面原因：首要原因是該頂推項(xiàng)目上部覆土薄，次要原因是子盾構(gòu)位于路面下的碎石結(jié)構(gòu)層較松散，不能超挖，只能帶土頂進(jìn)。當(dāng)子盾構(gòu)向前的水平推力超過(guò)上部路面(路基)巖土體的被動(dòng)土壓力時(shí)，路基、路面巖土體發(fā)生剪切變形，從而導(dǎo)致路面隆起變形。

2)路面沉降表現(xiàn)出3個(gè)明顯的變形階段，分別為急劇變形階段、緩慢變形階段及固結(jié)沉降階段。受高速公路交通組織的影響，本次僅能監(jiān)測(cè)到前2個(gè)階段。急劇變形階段主要發(fā)生于開挖后的7～12m，急劇變形階段與鋼盾構(gòu)的長(zhǎng)度、剛度、頂進(jìn)方式有直接關(guān)系，總體而言，急劇變形階段為鋼盾構(gòu)長(zhǎng)度的1.0～1.5倍。緩慢變形階段開始于混凝土地道橋前段至測(cè)點(diǎn)之下，到頂推結(jié)束為止，其變形速率已呈明顯減緩趨勢(shì)，其變形主要受超挖量及地道橋頂進(jìn)過(guò)程中的摩擦力控制。固結(jié)沉降階段從頂推結(jié)束至路基固結(jié)沉降結(jié)束，周期較長(zhǎng)，本文在此不贅述。

3)總體而言，中間測(cè)點(diǎn)的沉降量大于兩側(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降量，右側(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降量大于左側(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降量。中間大、兩側(cè)小的沉降變形較符合力學(xué)常規(guī)，而右側(cè)沉降較左側(cè)沉降大主要是右側(cè)子盾構(gòu)掌子面開挖比左側(cè)子盾構(gòu)掌子面超前所致。

2.2 地道橋姿態(tài)

地道橋姿態(tài)分為平面姿態(tài)和豎向姿態(tài)，本項(xiàng)目因地基承載力良好，豎向姿態(tài)控制良好，在此不做論述。但本項(xiàng)目受大角度斜交影響，左、右側(cè)土壓力不在一條作用線上，會(huì)形成不平衡力矩，因此需重點(diǎn)觀測(cè)。地道橋姿態(tài)監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)在地道橋軸線的前端和后端粘貼反射片，并通過(guò)全站儀進(jìn)行平面姿態(tài)監(jiān)測(cè)。如圖5所示，其中L2為前端測(cè)點(diǎn)，L1為后端測(cè)點(diǎn)。

圖5 地道橋平面姿態(tài)監(jiān)測(cè)布置

由圖6可看出，地道橋從空頂?shù)筋^部出土，根據(jù)左、右側(cè)土壓力分布的不同，共表現(xiàn)為7個(gè)狀態(tài)。地道橋受力簡(jiǎn)圖如圖7所示，從圖中可看出，因左、右側(cè)土壓力不在一條作用線上，因此會(huì)產(chǎn)生不平衡力矩，不平衡力矩的大小與地道橋?qū)嶋H位置有較大關(guān)系。不平衡力矩的存在會(huì)導(dǎo)致地道橋的平面偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致不同位置的土壓力調(diào)整并最終達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

圖6 地道橋頂推狀態(tài)(單位：m)

圖7 力學(xué)模型

由圖8可看出，頭部L2測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)先左偏后右偏趨勢(shì)，最大右偏量15.7cm，尾部L1測(cè)點(diǎn)整體呈現(xiàn)左偏趨勢(shì)，最大左偏量9.1cm，地道橋平面整體呈現(xiàn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，最大偏轉(zhuǎn)角18′。地道橋開始表現(xiàn)為左偏趨勢(shì)，與右側(cè)先入土具有直接關(guān)系。當(dāng)?shù)氐罉蜃髠?cè)入土且左側(cè)土壓力力矩大于右側(cè)土壓力力矩后，地道橋頭部呈現(xiàn)右偏趨勢(shì)。頂程在50～60m范圍右偏趨勢(shì)降低，這與地道橋左側(cè)老涵洞無(wú)土壓力有關(guān)。地道橋右側(cè)首先出土，右側(cè)土壓力力矩明顯減小，從而導(dǎo)致最后70～80m頂程呈現(xiàn)急劇右偏趨勢(shì)。

圖8 地道橋平面偏位隨頂程變化曲線

3 設(shè)計(jì)施工注意事項(xiàng)

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，超淺埋大角度斜交頂推地道橋項(xiàng)目在施工過(guò)程中影響最大的2個(gè)控制因素是路面沉降和平面姿態(tài)。設(shè)計(jì)施工過(guò)程中應(yīng)尤為注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

1)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)避免出現(xiàn)超淺埋問(wèn)題，有條件的情況下盡量將頂推項(xiàng)目的覆土高度調(diào)整至1.2～2.0m，極限條件下建議覆土厚度≥1.2m。

2)斜交角度受路線總體控制，但斜交角度>45°情況應(yīng)盡量避免，迫不得已可選用45°的斜交角度，但應(yīng)盡量將地道橋銳角控制在60°以上，這對(duì)糾偏控制相對(duì)有利。

3)斜交地道橋受平面不平衡力矩影響，肯定會(huì)出現(xiàn)平面偏位，目前糾偏最常用的有效方式是通過(guò)增加銳角側(cè)的千斤頂數(shù)量來(lái)減少不平衡力矩影響。

4)對(duì)于目前采用兩側(cè)超欠挖方式來(lái)達(dá)到糾偏目的，筆者認(rèn)為這種操作方式有待商榷。以本項(xiàng)目為例，受不平衡力矩影響，地道橋會(huì)產(chǎn)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，常規(guī)操作方式是通過(guò)左側(cè)超挖、右側(cè)欠挖，以引導(dǎo)地道橋逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。但實(shí)際上，右側(cè)欠挖會(huì)增加右側(cè)路基土體的摩擦力，會(huì)進(jìn)一步增加順時(shí)針方向的不平衡力矩，有可能加劇偏位。

5)施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，特別是重視路面沉降和地道平面姿態(tài)監(jiān)測(cè)。如本項(xiàng)目地道設(shè)計(jì)坡率0.5%，實(shí)際滑板預(yù)制坡率0.2%，地道入土后對(duì)頂推坡率進(jìn)行了急劇抬升，導(dǎo)致門框梁開裂和硬路肩路面開裂，如圖9所示。后來(lái)通過(guò)結(jié)合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)地道進(jìn)行緩慢調(diào)坡，使此病害得以控制。另外，平面姿態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)調(diào)整中繼間千斤頂布置也具有較好的指導(dǎo)意義。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)病害照片

4 結(jié)語(yǔ)

本文以湖南省平伍高速公路平江南互通E匝道下穿平汝高速公路為工程背景，結(jié)合依托項(xiàng)目“超淺埋大角度斜交”的工程特點(diǎn)開展了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和常規(guī)力學(xué)分析，得到如下結(jié)論。

1)下穿高速公路頂推地道橋的路面沉降整體表現(xiàn)為“先隆起后沉降的總體規(guī)律”，且沉降分為明顯的3個(gè)階段，即急劇變形階段、緩慢變形階段及固結(jié)沉降階段。

2)大角度斜交會(huì)增加下穿高速公路地道橋的糾偏難度。本文建議的最大斜交角度≤45°，且建議地道橋的預(yù)制銳角應(yīng)控制在60°以上。

本項(xiàng)目未對(duì)路基的水平運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行深入監(jiān)測(cè)，這在以后類似工程項(xiàng)目需注意。建議下一步對(duì)路面的水平運(yùn)動(dòng)規(guī)律展開監(jiān)測(cè)，如通過(guò)全站儀對(duì)路面、出口制動(dòng)梁進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)，甚至在中央分隔帶及出口側(cè)設(shè)置測(cè)斜管，對(duì)整個(gè)路基的深部水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這對(duì)掌握路基在頂力作用下的位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有重要指導(dǎo)意義。