箱涵顶进施工过程中路面沉降的数值模拟分析

2020-07-14周广友林宇亮

公路工程 2020年3期

周广友，李聪,，胡勇，龚虎，林宇亮

(1.中国建筑第五工程局有限公司，湖南长沙 410075； 2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

近年来我国各项公路、铁路建设强势推进，新建道路跨越原有道路的交叉式立体交通工程越来越多，箱涵顶进施工法就是既有便线条件下修建平改立交或新增立交通道的常用方案。其主要的特点是在保证运输安全、行车不中断或限速通过施工地段、基本不修筑便线进行过渡施工、临时占地比较少，将提前整体预制好的结构物一次或分段顶进，施工工艺成熟、安全性较高。因此，顶进施工法在国内外得到了普遍的运用。箱涵顶进施工法是一种较新的方法，其在我国广泛应用于实际工程也不过20多a的历史，所以相关研究还比较少。李家稳[1]、欧阳鸿志[2]、刘翰林[3]、孙田柱[4]等对不同工程条件下的箱涵顶进施工工艺进行了总结说明。周明生[5]、杨秀玲[6]等着重分析了箱涵顶进过程中扎头的原因，并提出了相应的预防措施和处理方法。覃卫民[7]等基于现场监测数据，对大断面箱涵下穿高速公路过程中路面沉降和平移的变化规律进行了分析。刁心宏[8]等进行了桥式盾构法下穿既有铁路对路基沉降影响的研究，采用数值模拟结合现场监测的方法分析了铁路路基的沉降规律。孙钧[9]等运用FLAC3D软件对超大型“管幕—箱涵”顶进施工过程中的土体变形进行了分析，并提出了土体变形的预测计算方法。洪刚[10]等开展了特长箱涵顶进摩阻系数室内模型试验，对采取不同减阻措施的箱涵侧壁与周围土体介质间的摩阻系数进行了分析，总结了箱涵顶进时摩阻力的主要影响因素。王飞球[11]基于现场监测数据并结合三维数值模拟，对下穿式箱涵顶进施工过程土体受力规律进行了研究和总结。

箱涵顶进施工法虽然有过多次成功应用的经验，但该施工方法比较新颖，关于这方面的理论研究远远滞后于工程应用，以往的研究成果大多拘泥于对该方法的介绍或施工措施改进，而对其工作机理的研究却很少。本文基于某箱涵顶进工程实例，采用FLAC3D数值软件对某箱涵顶进全过程进行数值模拟，并结合现场实测数据，着重分析了箱涵顶进过程中路面沉降的分布规律，以及箱涵顶进对原有道路安全性的影响，对类似工程具有很好的指导意义。

1 工程概况

湖北省439省道项目右幅车道拟下穿处位于襄荆高速公路K1680+980 m处(中心桩号)，采用钢筋混凝土箱涵顶进施工法施工，与二广高速公路襄荆段斜交，右偏角80°。预制钢筋混凝土箱涵采用1孔整体闭合式框架结构，箱涵全长39 m，分为3个节段，节段间设接缝，开挖断面为18 m，设计净宽15.8 m，设计净空5.2 m，框架顶板厚1.1 m，底板厚1.2 m，两侧板厚1.1 m，上部填土厚1.55 m。预制混凝土箱涵的立面图、横断面图和平面图如图1所示。

根据《该项目工程地质详细勘察报告》，场地地层的分布自上而下依次为：①填土，路面以下为填土；②淤泥质土：褐灰色，湿，含大量腐蚀物，土质带泥腥味；③粉质黏土：褐黄色，微湿，土质粘性较好；④泥质砂岩：褐色，砂质结构，层状构状，节理裂隙发育，RQD=70%。

(a)箱涵立面图

本次箱涵顶进施工的施工过程可简单概括如下：①现场勘测，对顶进施工各控制点进行定位，确定箱涵底部高程，确定箱涵顶进方向和路线。②在高速公路西侧开挖箱涵预制场，进行预制钢筋混凝土箱涵的制作施工。③为防止顶进施工过程中，由于土体开挖造成高速公路两旁的路基边坡产生流土现象，在开挖区两侧的边坡上设置抗滑桩和门框梁。④在箱涵头部(先入土的一头)安装钢盾构，刚盾构具有很好的承压能力，在刚盾构下方进行土体开挖时，公路路面能受到刚盾构的支撑而维持稳定。⑤在箱涵尾部附近的地基上设置反力墙，作为向前顶进箱涵的反力作用装置。⑥采用液压千斤顶对箱涵进行顶进，每次顶进前先在头部进行挖土作业，单次顶进距离0.5～1 m，直至箱涵贯穿高速公路，并达到指定位置。现场施工图如图2所示，其中图2(c)为箱涵刚刚贯穿高速公路，钢盾构率先出露的情景。

(a)施工图景1

2 FLAC3D数值模型

2.1 模型概况

数值模型中土体取实体单元，采用库伦摩尔本构关系，箱涵、挡土桩、门框梁分别采用FLAC3D软件内置的liner单元、pile单元、beam单元进行模拟。为简化建模，不考虑箱涵顶进方向与高速公路的斜交，而是按正交进行模拟。

顶进施工开挖高度为7.5 m，根据数值模型建模准则，开挖面以下影响深度为2～3倍开挖深度，本数值模拟取开外面以下土层厚度为16 m，箱涵顶板上部预留土层厚度取1.5 m，模型总高度为25 m。顶进施工区开挖宽度为18 m，模型沿开挖宽度方向的两侧各延伸20 m，总宽为58 m。箱涵顶进纵深为高速公路路面宽及两侧边坡宽之和，根据箱涵顶进施工图纸，顶进纵深为43 m，两端的影响范围取约1倍开挖纵深，模型总长取119 m。在模型的三视图(见图3)中对模型的尺寸进行了说明，还标明了路面、边坡以及开挖区域的位置。如图3所示，以高速公路西侧边坡的坡脚线为Y轴，以开挖区域的中分线为X轴，以Y轴和X轴的交点为原点，并以通过原点竖直向上的轴为Z轴建立了本模型的坐标系,单位为mm。

(a)俯视图

本文采用Flac3D模型模拟箱涵顶进施工的方法如下：①箱涵顶进过程分步进行，高速公路路面以下区域每向前顶进2 m作为一个计算步。②对每步顶进施工需要开挖掉的那部分土体实行“model null”命令，即将该部分土体的本构模型更改为“空模型”，以此模拟挖除该部分土体。③每步顶进施工需开挖的土体被挖出后，在该挖出空间的上下左右4个方向设置liner单元，liner单元模拟箱涵时其厚度均按照箱涵的真实厚度模拟，四个方向的liner单元将形成一个整体并作为箱涵的一个截断，以此来模拟土体开挖后箱涵顶进到该位置。④箱涵顶进时箱体外壁会对土体产生向前的摩擦力，根据以往经验箱涵外壁与土体的摩擦系数取值范围通常为0.3～0.8，箱涵顶板外壁由于安装了减阻钢板和润滑剂摩擦系数会比较低。参照文献[12]关于箱涵顶进时箱体外壁摩擦系数的取值，数值模拟中的摩擦系数顶板取0.3、底板取0.7、侧板取0.5。根据力的相互作用原理，箱涵顶板对土体的法向力为上覆土体自重和交通荷载，底板对土体的法向力为上覆土体自重、交通荷载和箱涵自重，两侧板对土体的法向力按侧板所受的主动土压力考虑。为简化建模，对箱涵外壁土体施加摩擦力时都按均布荷载进行施加，根据摩擦力公式，最终求得施加于箱涵外壁土体的摩擦力为顶板11.25 kPa、底板82.35 kPa、两侧板2.72 kPa，其方向与箱涵顶进方向一致。⑤数值模拟中考虑施工荷载和高速公路路面行车荷载的影响，参照相关规范，对高速公路路面和箱涵底板分别施加10.5 kPa的均布荷载。⑥根据工程实际，在箱涵顶进的进口和出口处的边坡上设置了挡土桩和门框梁，以防止发生流土的现象。模型的整体效果图如图4和图5所示，箱涵如图6所示，挡土桩和门框梁如图7所示。

图4 顶进前模型

图5 顶进后模型

图6 预制混凝土箱涵

图7 挡土桩和门框梁

2.2 材料参数的选取

根据本工程的现场勘察报告和施工设计方案的相关内容，数值模型所取土层参数如表1所示，箱涵、挡土桩和门框梁的参数取值如表2所示。

表1 土体的特征参数Table1 Characteristicparameterofsoil土层名称土层厚度/m体积模量K/MPa剪切模量G/MPa凝聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)抗拉强度τ/MPa重度γ/(kN·m-3)①2.01.054.77256.2018.0②1.51.054.77406.8019.9③412.56.775510.5020.7④17.552.738.680320.0324注:表中①为填土;②为淤泥质土;③为粉质黏土;④为泥质砂岩

表2 箱涵、挡土桩和门框梁特征参数Table2 Characteristicparameterofboxculvert,retainingpilesandbeam项目弹性模量E/GPa泊松比ν体积模量K/MPa剪切模量G/GPa重度γ/(kN·m-3)框架桥400.2526.671626.0挡土桩300.216.6712.525.0门框梁300.216.6712.525.0

2.3 计算工况

根据现场实际情况，两侧边坡宽度为6 m，路面宽度为31 m，开挖与顶进过程总共需要掘进43 m。以图3坐标系为基准，开挖土层高度为7.5 m，箱涵顶部覆土1.5 m，Y轴方向上土层开挖范围Y为9 m区间。顶进方向为X轴正方向，即从高速公路西侧边坡向东侧边坡顶进，顶进起点为X=0处。数值模拟过程中箱涵每顶进2 m进行一次计算，考虑到本工程顶进距离较长，计算工况较多，分析起来比较繁杂，故以箱涵每顶进4 m作为一个工况进行分析。计算工况具体描述如表3所示。

表3 模拟工况Table3 Simulationevents施工步骤累计顶进距离/m每一工况施工描述工况一6西侧连接段路基开挖,顶进施工贯穿西侧边坡,顶进6m工况二10路面以下区域顶进4m工况三14路面以下区域顶进4m工况四18路面以下区域顶进4m工况五22路面以下区域顶进4m工况六26路面以下区域顶进4m工况七30路面以下区域顶进4m工况八34路面以下区域顶进4m工况九37路面以下区域顶进3m工况十43顶进施工贯穿东侧边坡,顶进6m,东侧连接段路基开挖,顶进施工结束

3 值模拟结果分析

高速公路路面沉降控制是本次箱涵顶进施工穿越既有高速公路最关键控制因素，由于施工过程中公路上仍有车辆通行，所以路面沉降不能过大，否则会影响车辆正常通行，甚至沉降严重会造成交通事故。为便于对顶进过程中路面沉降进行跟踪监测，对路面进行监测点位的布置。本次监测点的布置方式为：分别对公路表面上的直线X=6、12、18、24、30、37，在顶进开挖的影响范围内每隔一段距离取一点进行监测，在直线X=6上的点从左至右依次为A1～A9，在直线X=12上的点从左至右依次为B1～B9，以此类推，数值模拟路面沉降监测点位布置如图8所示。根据数值模拟的结果，本次布点沿路面走向取Y为-15～15的区间。最后根据监测结果整理出沿直线X=6、12、18、24、30、37的路面沉降曲线，并对其分别定名为A、B、C、D、E、F曲线。下面对每一工况下的路面沉降情况进行分析。

图8 模型路面沉降监测点(单位：mm)

a.工况一。

工况一的顶进进深度为6 m，即西侧边坡的宽度。本次顶推的竖向位移云图和路面监测点位的沉降曲线分别如图9和图10所示。由这2个图可知掌子面附近的路面出现了显著下沉，根据位移云图最大沉降量超过10 mm，根据沉降曲线可知A、B曲线代表区域路面沉降较大，距离掌子面较远的路面所受影响很小。此外，还可知在顶推过程中边挖土边顶进箱涵，由于有箱涵的支撑作用，开挖宽度两侧的路面所受的影响很小，路面沉降主要发生在开挖宽度范围以内。

图9 工况一沉降云图

b.工况二。

如图11所示，相对于工况一路面沉降变化明显的是曲线A和B，其中曲线A最大沉降量达13.6 mm，曲线B最大沉降量达23 mm，增量都超过15 mm，可见距离掌子面越近，路面沉降所受影响越大。其他曲线的沉降值暂无明显变化。

c.工况三。

如图12所示，随着开挖的进一步推进曲线C的沉降增加最明显，最大沉降为16.7 mm，并超过曲线A的沉降量。曲线A由于距离掌子面越来越远沉降开始趋于稳定，而曲线B最大沉降值依然有7.4mm的增加量。

图10 工况一沉降曲线图

图11 工况二沉降曲线图

图12 工况三沉降曲线

d.工况四。

如图13所示，曲线A和B的沉降值在此时已基本稳定，曲线C的最大沉降达到24.3 mm，接近曲线B的最大值。曲线D第一次有了比较明显的沉降，其相应的最大值也达到了7.13 mm。

图13 工况四沉降曲线

e.工况五。

如图14和图15所示，曲线C有进一步的微小增量，其沉降曲线与曲线B基本重合，而曲线D由于最靠近此时的开挖面，沉降最为明显，沉降量已超过曲线A，其最大值较工况四时增加20 mm，达到27.1 mm。

图14 工况五沉降云图

图15 工况五沉降曲线

f.工况六。

如图16和图17所示，随着顶进工作量已过半，路面沉降范围较上一工况有明显增大，本次顶进后曲线E的沉降较大，并超过曲线A的沉降，其沉降最大值达到17.9 mm，曲线D也有少量沉降增量，其他曲线变化不明显。

图16 工况六沉降云图

图17 工况六沉降曲线

g.工况七。

如图18所示，本次顶进后曲线E沉降最为明显，其沉降最大值本次增加量12.9 mm，达到30.8 mm。曲线D也进一步有少量沉降，其沉降超过曲线B。

图18 工况七沉降曲线

图19 工况八沉降曲线

h.工况八。

如图19所示，曲线F沉降明显，与曲线A的沉降已相差无几，曲线F作为东侧路面最边缘的曲线，说明随着掌子面一步步推进，已经开始对整个路面有了明显影响。曲线D保持2 mm左右沉降速度，曲线E沉降量进一步增加，基本与曲线B重合。而曲线A、B、C已基本稳定，沉降量极小。

i.工况九。

本次顶进后已经完成路面区域的顶进施工。如图20所示，仅曲线F沉降量有4～5 mm的增量，其最大值达到13.7 mm，其他曲线已基本趋于稳定，变化极小。

图20 工况九沉降云图

j.工况十。

如图21所示，本次开挖部分为东侧边坡和东侧连接段路基，本次开挖后相对于上一工况路面沉降基本不再变化，路面沉降达到稳定。顶进施工完成后最终的路面沉降云图如图22所示。

图21 工况十沉降曲线

图22 最终路面沉降云图

4 监测数据对比分析

考虑到高速公路路面沉降控制的重要性，施工过程中对路面沉降进行了监测，监测点的布置如图23所示。顶进施工过程对高速公路采取临时交通管制，即当顶进施工开挖面处于西侧路面以下时，封闭西侧车道，而当顶进施工开挖面处于东侧路面以下时，开放西侧车道，封闭东侧车道。路面监测的时间为道路封闭阶段，西侧路面为9月9号至9月14号，东侧路面为9月15号至9月27号，西侧道路的封闭时间较东侧路面短是由于西侧道路封闭时间滞后，而非施工速度有差异。图24～图27为高速公路行车道的四组监测数据，其中图24和图25所示为西侧路面沉降情况，图26和图27所示为东侧路面沉降情况。

图23 高速公路路面沉降监测点位布置

由图24和图25可知，西侧路面沉降随开挖进行逐渐增加，但增加趋势随时间推移逐渐放慢，部分测点在9月13号沉降基本趋于稳定，部分测点沉降仍有增加的趋势，路面沉降量呈现由箱涵中轴线向两边递减，所测西侧路面最大沉降不超过30 mm。由图26和27可知，LME27和LME37两个测点的沉降较其他测点大得多，这是由于施工过程中箱涵边缘有土体超挖的情况，造成了路面沉降失控。从其他测点的情况来看，东侧路面的沉降规律与西侧路面相似。除测点LME27和LME37之外，LME35和LME36的沉降值最大，达到40 mm左右，测点LEM35位于箱涵中轴线正上方。总的来看，西侧路面所测得最大沉降接近30 mm，并且还有进一步增加的趋势。东侧路面的监测时间内顶进施工也将近完工，所以测得了最后沉降趋于稳定的数据，排除超挖造成的影响，东侧路面最大沉降值为40 mm左右。东侧路面LME2系列测点和LME3系列测点沉降值有较大差异。

与监测结果相比，数值模拟的断面最大沉降为15～40 mm，这与监测结果20～40 mm相差较小，并且两者得出的路面沉降值皆呈现为由箱涵中轴线向两边递减。由此可认为本数值模拟数据结果可靠，具有很好的施工指导意义。但同时必须注意，岩土工程的现场状况十分复杂，而数值模拟过程中却往往使用理想化的处理方法，如假定每一层土的性质完全均匀一致等等。从数值模拟和现场监测的结果也可以看出，数值模拟的出的沉降只有公路边缘与中间路面沉降曲线存在差异，并且中间路面沉降曲线基本一致。而监测结果则表明，任何一监测断面的沉降值都会存在差异，这就是数值模拟将现场情况理想化处理造成的结果。所以数值模拟还必须紧密结合工程实际，才具有更好的指导作用。