土模法在海外箱梁施工中的应用

孙宏博

中交一航局第二工程有限公司

1 背景及方案比选

本项目跨线桥全长约50m，设计跨径为25+25m，横截面顶部宽15.3m，扩大基础加桩基础，重力式桥台，上部结构为单箱三室预应力混凝土箱梁结构，箱梁上翼缘宽2m，箱梁高1.5 m。

本桥位于一荒原洼地内，原地面起伏较大，土质复杂，多为石灰岩，施工时不需考虑通车，附近有正在开采的取土场。

基于项目监理对脚手架工艺及安全方面的要求严格，且地面起伏不利于支设脚手架，而项目附近有大量免费土石方可以利用，综合考虑并做成本对比后，决定采用土模法施工（综合直接费较满堂支架小），即利用土石方填筑代替满堂脚手架方案。

2 土模设计

2.1 设计说明及依据

2.1.1 计算说明

本计算包括土模承载力计算、土的抗剪计算和土的沉降计算。

2.1.2 计算依据

《地基处理手册》。

《土力学地基基础》。

JTGD 63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》。

JGJ 7—2012《建筑地基处理技术规范》。

《north-south highway施工图设计-第四合同段》。

2.1.3 取值参数

混凝土重度：26kN/m³。

根据JGJ 7—2012《建筑地基处理技术规范》，条文说明4.2.5表6 中对垫层承载力的取值范围，土加石承载力特征值fak为150kPa～200kPa。根据现场情况，取土加石承载力特征值下限，即：

土模回填材料为碎石土（碎石含量超过45%），分层压实，总体压实度不小于93%，回填总高度约6m。

根据JGJ 7—2012《建筑地基处理技术规范》条文说明4.2.5表7中对垫层模量的取值范围，根据现场情况，取碎石土，即：

2.2 力学验算

应至少考虑地基承载力、地基沉降以及土的剪切破坏三个方面。

2.2.1 承载力验算

（1）预应力梁自重。自重：

（2）预应力梁产生的压力：

满足要求。

2.2.2 沉降计算

（1）沉降计算公式：

取单一压缩模型，根据土力学公式，压缩导致的土层沉降：由公式：

可以推导出：

P——作用力，kPa；

E——孔隙比；

A——压缩系数。

②沉降计算：

因箱梁直接作用在地面，故：

沉降计算深度：根据《地勘报告》，原地面以下为中风化岩石（石灰岩为主），故沉降计算深度不考虑原地面以下沉降，取回填总高度H=6m。

因原土体自然密实，且fa=28.6kPa 相对较小，基本不会对此部分的土体产生沉降影响，仅需对后填筑土体进行沉降分析。

带入公式可得：

最终土模（新填筑路基）沉降量为5.72mm，根据经验，土的沉降量较小，具体沉降参数根据现场实际预压试验得出，此处仅从理论上分析，结论为沉降量在可控范围内，可以通过预先调节土模标高消除其影响。

2.2.3 土的剪切破坏

由计算得知：

通过现场取样，项目部试验室试验得出抗剪强度指标c=15kPa，内摩擦角Φ=20°。

根据摩尔-库伦破坏准则，有以下计算公式：

代入数据后得出：

结论为土体处于弹性平衡状态，即不会发生剪切破坏。（经验参数的选取均取较不利值，保证了理论验算的安全系数）

3 土模施工

3.1 土方填筑

与普通路基填筑方法一致，分层填筑松铺厚度控制需在40 cm 以内，并采用18t 以上振动压路机碾压4 遍以上，保证压实度控制在93%以上，墩柱、桥台等结构物附近的压实采用振动平板夯或中小型振动压路机，以保证压实度。土模的总体断面布置如图1所示。

图1 土模总体断面图

3.2 排水系统

根据施工总计划，此桥梁上部结构施工时正值当地雨季，土模施工遇雨季则排水系统尤为需要尤其关注。土模顶面积水设计为由中间向两侧流动，通过挡水坎汇聚至急流槽口，由急流槽引流至坡脚外的自然沟渠中，以防止雨水浸泡土模坡脚，造成安全隐患。急流槽根据汇水面积和降雨强度计算，布置间距不大于15m。

此处的急流槽为临时排水结构，采用M7.5标号砂浆、30MPa以上片块石等简易砌筑，按照当地常规做法，急流槽为矩形，过水平均宽度1m，过水深度0.3m。

3.3 底模施工

土模顶面宽度20m，其中中间10.7m为“底模精平硬化区域A”，为箱梁低模下承层；两侧向外各2.3m 为“侧模投影硬化区域B”，用于承载箱梁侧模支架；最外侧为“施工加宽平台C”，根据以往经验宽度为1m，用于工人施工作业安全空间，以及侧模斜撑的生根加固，且用于纵向排水。其中，A 区域采用C30以上混凝土，B 区域采用C25 以上混凝土，，C 区域不必硬化，顶面采用2-5cm粗砂或碎石，排水区域使用砂浆处理顶面。

图2 底模整体俯视图

A 区域硬化要求误差1mm 以内。具体施工方法：土模填筑至箱梁底标高下0.5m后，改用中细颗粒填料且伴有粘性土（碎石最大粒径不宜超过5cm，强度保证20MPa 以上），填筑最上一层至箱梁设计底标高下11.5cm，整平压实，利用木枋摆放，网格长宽取决于竹胶板尺寸，逐根调整木枋顶标高至设计梁底标高下1.5cm，随调整标高同时将木枋互相固定，标高调整完成一遍后逐根复核。

木枋固定后，浇筑混凝土于方格中，浇筑标高控制在±1mm误差范围内。混凝土强度达到50%后进行低模施工，低模采用竹胶板加防水胶条的形式，拼接成整体。

3.4 预压

常规预压有三个作用：①消除支架系统间隙等的沉降量；②得出支架系统的弹性形变系数；③检验支架系统的安全性。土模施工对于第①项可以忽略，而需要考虑土的弹性形变参数、土的稳定性（此处为土的局部剪切破坏）。因土模施工的填料为同一材质，土具有各向同性，拟选取局部区域预压（10m×20m），得出参数后即可统一使用。

具体预压方法：按箱梁自重的120%进行预压。分四级加载，取箱梁自重的0.3、0.6、0.9、1.2倍数，上部结构根据设计计算得出总重约为1440t，则均布荷载为2.69t/m2，预压面积（10m×20m）对应的自重约为538t，四级加载依次为162t、323t、538t、646t。

观测记录表格式如表1。

表1 预压观测数据表

正式加载预压前对各测点进行测量，记录高程H0；进行第一阶段加载，记录高程H1；依次进行加载，测得H2、H3、H4。第4次加载沉降稳定后，持续24小时后开始卸载。卸载过程与加载过程镜像相反，记录最终高程H0’。

注意事项：（1）每次观测所用的仪器、观测线路、人员相对固定，观测环境、条件要基本相同；（2）观测时间宜在早晨7点～8点之间，尽量避免在高温、强光、大风等情况下观测。

根据记录表中的数据，计算出土模弹性沉降，参与预拱度计算。

预拱度计算公式为：

式中：

f1——地基弹性变形；

f2——设计预拱度。

总结实际预压情况，土的弹性变形量平均约2.10mm，最大点为2.35mm，较理论计算值小；预压区域无肉眼可见的局部剪切破坏现象，与理论计算相印证。

4 问题探讨

4.1 土的沉降量问题

土模作为箱梁的承重结构，沉降值不能过大，但计算中采用的参数多为经验系数，无法准确计算沉降值。且新填土体有工内沉降，须尽量缩短上部结构施工时间，将此因素的影响降到最低。

预压试验能充分展示土的沉降问题，因此在预压试验中要严格控制每一个环节，以确保得到的数据准确可靠，为施工组织提供直接参考。

4.2 雨季对土模施工的影响

土模施工的主要工作为土体填筑，项目当地降雨多，对填筑质量能产生一定影响。雨季填筑注意要尽量使用透水性材料，如开山碎石等，这样既能压缩施工土模的施工工期，保证压实度等施工质量，又能在箱梁施工的过程中将降雨对土模的影响降到最小。

5 结语

对于下方在施工期间不需要通行、下方原地貌起伏较大、净高较小的桥梁上部结构，在附近有大型土石方设备、土石方料源充足的情况下，采用土模法代替满堂脚手架法施工上部结构，对施工成本及施工进度均有较大优势，施工前应充分取得监理和业主对方案的认可，本项目最终顺利完成，此工艺在海外某些国家可以借鉴采用。