在软土地基中顶进框构桥扎头的纠偏处理

韩立军 上海铁路局南京桥工段

1 工程概述

1.1 工程概况

盐城市新建城市道路，等级为一级公路，设计行车速度80 km/h，需下穿新长铁路。公路中心与铁路斜交，法线夹角13.25°。桥址处铁路为单线，填土高度为2～2.5 m。路基面宽度7.5 m。立交桥采用2-（13.95＋13.95）m钢筋混凝土箱形框架结构，轴长8.5 m，两侧均设计有5 m的钢筋混凝土翼墙。

1.2 地质情况

该段在地貌上属于海积平原区，地貌类型单一。地面标高在1.5 m左右。地质自上而下为：1层—亚粘土，软塑，1.5～0.75 m，σ=100 kPa；21层—亚粘土及淤泥质亚粘土，流塑，0.75～-12.75 m，σ=65 kPa，（桥基位于该层）；22层—亚砂土，软塑，-15.75～-12.75 m，σ=90 kPa；3 层—亚砂土，软塑，-24.05～-15.75，σ=120 kPa。地基采用高压旋喷桩加固。

1.3 框架的施工情况

框架采用架设D24型便梁顶进法施工，便梁支墩采用在铁路两侧设置φ1.2 m长30 m的钻孔桩，用钢筋混凝土盖梁连接。

第一孔框架在完成地基加固并养护到期后顶进，顶进质量满足规范要求，前后左右最大误差仅30 mm。为了保证第二孔框架在顶进后能和前一孔标高处于同一水平，决定顶进时先将钢筋混凝土滑床板向前延伸至线路中心线外2 m，再进行顶进施工。由于临近春节，根据路局要求，春运前要施工完毕。在高压旋喷桩龄期不足的情况下开挖顶进基坑，由于地基太软顶进基坑开挖3次才勉强成功，随即浇筑接长的钢筋混凝土滑板，并养护7天，混凝土强度达到C25。第二孔在顶进过程中接长滑板出现裂缝，扎头趋势明显，在还有5 m左右顶程时滑床板断裂，不能继续顶进，扎头32 cm。扎头后立即进行了纠偏处理，在框构范围内前端浇筑了宽5 m、深1 m的钢筋混凝土带坡导向板，希望后期顶进框架能够顺导向板向上，达到纠偏的目的。砼强度达到标准后开始顶进，顶进过程中发生了靠近翼墙段处5 m长导向板断裂并随顶进向前推动。前口及翼墙侧继续扎头，扎头趋势加快。为了保证线路安全，决定继续顶进，直至把便梁支墩的钻孔桩全部保护上为止，并回填三角区，经测量最大高差达1 m（带翼墙处）。与前一孔相差太多，不能满足要求。后经实地调查走访，据当地老百姓反映该处原为河塘，地质情况发生了很大的变化。

2 纠偏方案的比选

根据现状，为了确保给业主交付一个满意的工程。经过讨论共有三种方案可供选择：①将第二孔框构凿除，重新在原位现浇。②通过顶抬，使框构达到设计标高。③将框构回顶至滑床板，在进行地基处理后再次顶进。通过对方案的比选，考虑到企业的社会效益及影响。第一种方案不可行，第二、三种方案对企业的社会效益影响较小，但需要通过理论计算方可确定。

2.1 顶抬方案的计算

2.1.1 总体方案

在箱体四个角作深基础支墩，主梁从箱身顶板下横穿，主梁与顶板间加工字钢横向分配梁，主梁采用钢便梁，支点处主梁下安装工字钢分配梁，支点处传立柱采用钢管柱，每个支承点处采用1台500 t千斤顶顶抬。

2.1.2 支墩基础受力计算

箱身自重按设计1 000 t计算，并同时考虑南侧边墙主动土压力产生的摩擦力，按朗金主动土压力公式计算：

主动土压力系数ka=tg2(45°-φ/2)=tg2(45°-20°/2)=0.49

受力分析如图1如示。

图1 台梁及支墩受力简图

通过计算：4个角最大反力为420.7 t，最小为213.75 t。

2.1.3 支墩桩基承载力检算

钻孔桩长度按26 m计算，桩基直径150 cm，按照单排2根布置。

单桩承载力计算：

各土层的摩擦系数按表1中取值。

表1 各土层摩擦系数表

单桩承载力

桩周长U=πd=4.712 m，桩面积A=1.767 m2，钻孔桩的清底细数m0取0.4，修正系数λ取0.7，桩尖处的极限承载力：

σR=2m0λσ0=2×0.4×0.7×260=145.6 kPa=14.56 t/m2

f=(∑Up·τp+AσR)=[3.142×1.5（9×25+3×45+8.3×45+5.7×70）+1.767×145.6）] /2=2795.8 kN=279.6 t

按支墩最大承载力计算需2根钻孔桩，其允许承载力为2×279.6=559.2 t，安全系数为559.2/420.7=1.33。

2.1.4 主梁受力检算

单侧主梁采用两根D16钢便梁，箱身内用钢管桩支承牢固，探出箱身外部分按悬臂梁计算，按最不利荷载进行检算，如图2所示。D16钢便梁的截面模量Wx=13979.1 cm3，惯性矩Ix=611586.7 cm4。

图2 台梁及支承布置简图

通过对弯矩、弯曲强度、挠度检算，需要3根主梁方可满足需要。

2.2 回顶方案

2.2.1 回顶总体方案

加固便梁支墩，设置回顶后背梁，在回顶及正顶过程中进行纠偏。为此，采用将原整体断裂、变形钢筋混凝土滑板全部凿除，并在框架边墙对应位置各设置2根直径1 m钻孔桩，在桩顶用钢筋混凝土梁连接，来承受回顶框架的压力。对其他部分软弱地基换填50 cm片石并在上面浇筑厚度50 cm整体C30钢筋混凝土滑板，滑板与导梁形成整体，保证箱涵回顶时滑板的绝对稳定。南侧导梁上设置10.3%上坡并与滑板坡度一致，北侧导梁平坡，剩余部分滑板坡度设置平坡。混凝土达到强度后进行回顶。回顶完成后，在桥位处重新制作钢筋混凝土基础，基础采用换填50 cm片石及50 cm钢筋混凝土，钢筋必须与钻孔桩及加强滑板钢筋连接，前端设置向上坡度。钢筋混凝土强度达到要求后正顶到位。

2.2.2 顶力计算

（1）最大顶力计算

N1：顶部荷载取值为0；单侧土压力；RA：钢刃角正面阻力，取 0；

箱身自重N2=400×2.5=1000 t

箱身底板与基底土的摩擦系数f2=0.75 ka=tg2(45°-20°÷2)=0.49

箱身一侧单延米上的主动土压力侧面摩擦系数f3=0.75

最大顶进阻力P=1.3[1000×0.75+363.7×0.75] =1329 t

考虑箱体爬坡影响，K取1.3。

（2）按箱身自重计算顶力

综合以上计算取最大顶力为P=1350 t

2.2.3 后背承载力计算

图3 后背梁检算示意图

后背前荷载有：最大顶力P顶力、滑床板下至后背底的主动土压力Ea前（忽略不计）；后背及其后荷载有：后背自重摩擦力F摩擦(忽略不计)、后背后土体被动土压力Ep后，如图3所示。

（1）后背及其后荷载

后背后土体被动土压力强度

被动土压力合计：

Pp合=16×Pp后=16×115.3=1844.8 t＞P=1350 t

后背土压力未考虑土体粘结力，偏于保守。

（2）后背承载力安全系数

k=Pp后/Pp前=1844.8/1350=1.37

符合要求。

（3）稳定性检算

后背被动土压力的作用点在土压力图的形心处，钢轨桩最低点取矩计算形心位置。

h=(Pp1h1/2×h1/3+Pp2h2×6.25/2)/Pp后=(22.5×6.25÷2×6.25÷3+7.2×6.25×6.25÷2)/115.3=2.49 m

抗倾覆稳定性检算：f=Pp合×2.49/(P顶×3)=1.2

稳定性满足要求。

2.2.4 滑床板单桩承载力计算

根据桩基承载力公式，钻孔桩长度按28.6 m计算，桩基直径100 cm，计算单桩承载力为219 t。

单位宽度的被动土压力强度为

Pp1=1.8×6.25×2=22.5 t/m

Pp2=1.8×2.0×2=7.2 t/m

单位宽度的被动土压力为

按此考虑，滑床板上需要5根钻孔桩来保证在回顶时不扎头。考虑滑板本身也分担框架的部分压力，根据现场情况，最后决定采用4根直径100 cm长30 m的钻孔桩。

2.3 方案的比选

通过上述的理论计算，第二、三方案在理论上均可满足涵洞的纠偏需要。但考虑到现场的实际情况，第二方案中的顶梁主梁为D16 m便梁，便梁自重较大，D16型便梁单片主梁自重为7.412 t，在安装时存在较大安全隐患；便梁本身还具有一定的预拱度，安装时与箱身顶板的密贴有一定难度；箱内主梁的刚性支承较难解决，箱体能否满足刚性支撑的受力条件需设计提供支持；第三方案中只需解决后背的基础开挖及后背的回填即可。所以通过对三个方案的综合比选，最终选定第三方案为该涵洞的纠偏处理方案。

3 处理的效果及建议

3.1 处理的效果

按照第三方案实施，箱涵顺利回顶到位，顶力后背无位移、损伤等情况发生，为箱涵的二次顶进创造了条件。在箱身位置处进行地基处理后进行二次顶进，顶进质量良好，各项指标符合规范要求，结构无损伤。取得了一定的社会效益。

3.2 建议预防“扎头”的措施

根据本项工程的顶进纠偏措施和处理的结果，建议在今后的同类工程施工中，应充分考虑预防箱涵顶进过程的“扎头”的措施，要做到主动预防。

3.2.1 详细核对地质情况

在编制施工组织设计时，在设计单位提供详细地质资料的前提下，要进行实地地形地貌的详细调查和走访。滑床板下如遇松软土质要请设计单位变更设计，如采取换填等办法，以免滑板在箱涵顶进重心移出端部时造成滑板断裂、箱体前倾、扎头等。

3.2.2 作好施工降水

如遇地质松软、地下水位高的情况，必须提出详细的降低地下水的方法和措施。无论是采取轻型井点降水还是深井降水或是明沟排水，都要贯穿始终，不可在降水问题上麻痹。根据经验，在软弱地基高水位地区桥涵顶进的成败很大程度上取决于降水效果。如果降水不能降至底板以下0.5～1.0 m，则带水顶进会造成路基塌方和箱涵“扎头”。

3.2.3 合理设计滑板仰坡和箱涵的“船头坡”

预留滑板仰坡的目的是，在出现“扎头”情况下，箱涵也能落到预期位置。如何确定合理的坡度，目前尚无具体计算方法，一般取3‰ 左右，主要视土质情况而定：土质密实且开挖得当，取3‰ 即可；土质松软、含水量大，坡度应略微放大，一般为5‰左右。“船头坡”一般采用1：10左右的坡度，具体情况也要考虑箱涵的长度、顶程的大小等因素。如果在箱涵前部再安装同坡度的钢刃角，效果会更好。

4 结束语

不同的土质由于内摩擦角不同其土压力对箱涵周边产生的摩阻力也不同，由侧面摩阻力形成的对箱涵夹持力也直接影响顶进高程的变化；更重要的是基底土壤由于地下水位的高低，影响基底土壤含水量的大小，进而直接影响到地基承载力的大小。当遇到含水量大的松软地层时，箱涵脱离滑板后就很容易发生“扎头”的现象。上述纠正和预防箱涵“扎头”的方法和措施，是总结了过去一些经验教训以及本次顶进桥涵纠正“扎头”所采取的措施。总的来说要做到主动预防，如采取降水、预留滑板仰坡和作箱涵的“船头坡”等措施。一旦出现扎头时，则应根据实际情况灵活运用“支顶刃角法”、“换填法”、“快凝混凝土渡板法”等措施来解决“扎头”问题。在今后的实践中还需不断摸索，不断总结，创造更有效的技术。