多孔连续斜交框架桥顶进施工过程受力分析

董丽娟

(北京宝嘉恒基础设施投资有限公司， 北京 100020)

下穿铁路框架桥是城市道路与铁路交叉、铁路平交道口改造的理想形式[1]。该类桥梁常用的施工方法是顶进法，其优点是造价低、工期短、不需要中断交通[2-3]。但是，框架桥顶进施工过程中容易出现桥体变形、裂缝与偏位等问题[4]。因此，框架桥结构的受力和变形控制是下穿铁路框架桥施工的关键。

1957年初，德国首先在奥芬堡市的铁路线下，顶进了宽2.5 m、高2.4 m的盒式钢筋混凝土框架桥，我国最早采用顶进法施工的桥梁是1965年修建的北京永定门地道桥，由于顶进法具有造价低、不影响交通等优点，受到了市政、公路和铁路等部门的大力支持。顶进法施工工艺也在不断的改进，并逐步向大跨度、多孔连续、斜交的方向发展，顶进法也由顶入法发展到对顶法、中继间法、顶拉法和半顶拉法等[5-6]。近几年顶进施工技术有了很快的发展，国内外在提高顶进精度，改善顶进条件、顶进方法创新等方面都有不少成果和经验[7-8]。但对复杂条件下框架桥顶进施工，尤其是多孔连续斜交框架桥的研究不多[9-10]，没有形成系统的支撑技术，影响了框架桥顶进施工的安全和质量控制，有时甚至发生工程事故[11-12]。因此，对大型下穿铁路多孔连续斜交框架桥顶进施工过程进行受力分析显得格外重要[13-14]。

本文以中关村科技园区电子城北扩规划一路(电子城东路)下穿东北环线立交桥工程为背景，分析了框架桥顶进施工方法及关键工序，在框架桥施工过程受力状态分析的基础上，采用Midas有限元软件模拟了框架桥的施工过程；梳理了顶进施工关键工序的控制方法，指出了该工程项目的施工注意事项。本研究方法对指导框架桥施工、保证框架桥施工安全就位具有很好的参考价值。

1 框架桥顶进施工方法及关键工序

顶进法的基本工序是：在铁路路线一侧设置工作坑(基坑)，坑底预设滑板，在滑板上浇筑框架桥主体结构，顶进前端通常做成突出的刃角，在主体结构后侧设置反力设施，并对铁路线路进行加固[15]，通过千斤顶等顶进设备对框架桥主体结构施加顶进力，将框架桥主体结构顶进路基[16]。在顶进过程中，通常需要持续挖除前端刃角处的路基土，最终将框架桥主体结构全部顶进路基[17-18]。具体流程如图1所示。

图1 顶进施工流程图

为保证框架桥顶进施工过程的安全与可靠，给施工过程控制提供有力的支撑数据，需要对框架桥主体结构进行受力分析，通过控制框架桥主体结构的应力状态来保证施工过程中框架桥结构的安全性。

2 框架桥顶进施工过程受力行为分析

2.1 结构尺寸及单元类型

北京市中关村科技园区电子城北扩规划一路(电子城东路)下穿东北环线立交桥工程框架桥结构采用四孔连体式框架结构，净跨为7.5 m+15 m+15 m+7.5 m，框架桥中心线与东北环铁路中心线的夹角为80.2°，框架桥顶板顶面距最低钢轨底面(东北环铁路)的距离为0.8 m。框架桥全长23.8 m，全宽50 m(框架桥正向投影尺寸)。框架桥结构总高度8.7 m，结构净高6.6 m，顶板厚1.0 m，底板厚1.1 m，边中(墙)厚1.0 m，边孔、中孔顶板加腋尺寸均为0.5 m×1.5 m，底板加腋尺寸为0.2 m×0.2 m，框架桥主体长为15 m(不计底板补齐段)，其断面布置及细部尺寸如图2所示。

图2 框架桥断面布置图

采用Midas Civil软件进行有限元分析，在建模时，首先以顶板、底板、边(中)墙中心线建立框架桥的关键节点，然后采用空间厚板单元建立顶板、底板、边(中)墙单元，在有限元模型中不考虑边(中)孔顶板加腋和底板加腋。采用自动网格方法来细化有限元模型的单元尺寸，选定的板单元尺寸为0.5 m×0.5 m，为划分精细化的刃角网格，网格划分类型为“四边形+三角形”，细化后的模型节点数量为1 342个，单元数量为12 391个，精细化的网格划分模型如图3所示。

图3 框架桥结构有限元网格划分

2.2 计算参数的确定

选择合理的计算参数是框架桥有限元分析的关键，结合本工程项目的设计图纸、地勘和土工试验等资料，确定的材料参数、土压力和顶进力如下：

1)框架桥主体结构混凝土材料参数的弹性模量为3.25×104MPa，泊松比为0.2。

2)作用在框架桥边墙外侧的土体侧压力采用库伦主动土压力理论计算，其中，填土容重γ=19 KN/m3，土体内摩擦角φ=10°，计算的边墙土侧压力分布最大值为40.5K N/m2，土压力合力为192.5 KN，合理作用点距边墙下缘3.17 m，土压力分布如图4所示。

图4 边墙土侧压力分布图

3)框架桥顶进过程中需要克服主体结构与土层之间的摩阻力和端部刃角的抗力，根据《城镇地道桥顶进施工及验收规程》中的相关规定，顶进的最大推力可按如下公式计算：

Pmax=K[N1·f1+(N1+N2)·f2+2E·f3+R·A]

(1)

其中：Pmax—最大推力(KN)；N1—桥体顶上荷载(KN)，包括框架桥顶面轨道、线路加固材料的荷载；因框架桥顶板顶面距最低钢轨底面(东北环铁路)的距离为0.8 m，既有铁路路基坡脚宽度为8 m，按1.5倍自重来考虑线路加固材料荷载，计算得到N1=8 163.1 KN；f1—框架桥顶面与其上荷载的摩擦系数，通常根据顶面润滑处理情况确定；因框架桥顶面为覆土，故这里采用0.6～0.8；N2—框架桥自重(KN)，该框架桥自重为59 080.7 KN；f2—底板与地基土间的摩擦系数，通常根据土的性质确定，本项目采用0.6～0.8；E—作用在两侧边墙上的土压力(KN)，由前面计算可知，土压力合力为192.5 KN，故E=4 590.1 KN；f3—侧面摩擦系数，根据土的性质确定，这里选用0.6～0.8；R—钢刃角正面阻力(KPa)，根据地质情况选用500～550 KPa；A—钢刃角正面积(m2)；K—安全系数，一般取1.2。

根据设计文件及施工现场勘察资料，分析框架桥顶进施工过程中的受力状态变化情况，分别计算框架桥在滑板上开始顶进、框架桥重心即将离开滑板、框架桥顶进即将就位三个施工阶段，顶进力计算结果表1所示。在Midas Civil软件中采用面弹性支承施加底板约束，采用线性压力荷载施加千斤顶顶进力。

表1 顶进力计算结果

3 计算假设

为使有限元模拟更接近于实际的施工状况，在有限元模型、材料、边界条件和荷载等方面做出如下假设：

1)不考虑顶板与边(中)板拐角位置的局部加强作用，均按等厚板分析；

2)各构件全部为砼截面，不考虑钢筋的换算截面；

3)底板平面尺寸基本与地道桥轴线对称，可以认为底板摩擦阻力合力与地道桥轴线重合；

4)忽略了混凝土收缩与徐变、温度等的影响；

5)框架桥在顶进过程中遵循“边顶进边开挖”的原则。为此，不考虑底板前端的被动挡土压力。

此外，框架桥在顶进过程中存在很多不确定性因素，最主要的包含两大方面：一是框架桥主体结构与周边土壤或滑板的摩阻力不能精确得到；二是地道桥在顶进过程中，不可避免地发生上下左右偏斜，也就是说“顶进纠偏”始终伴随整个顶进施工过程。

4 顶进施工过程中的有限元分析

4.1 框架桥在滑板上开始顶进施工状态分析

根据框架桥在滑板上开始顶进施工时的实际状况，在底板上施加面弹性支撑，其中竖向基床系数为5.0×105KN/m3，水平双向基床系数为1.0×105KN/m3；在底板上施加线荷载978.1 KN/m，有限元模型的边界条件和加载状况如图5所示。

图5 框架桥在滑板上开始顶进时的边界条件和加载状况

应力状态如图6所示。

图6 框架桥在滑板上开始顶进时的应力图

4.2 框架桥重心即将离开滑板施工状态分析

根据框架桥重心即将离开滑板施工时的实际状况，由于底板宽为18.773 m，计算时，底板前端9.773米采用路基中基床系数，底板后端9 m采用滑板基床系数；在底板上施加线荷载1 993.2 KN/m来模拟顶进力；在顶板前端8 m(铁路路基地面宽度)范围内施加铁路线路加固载荷160.9 KN/m；在边墙前端9 m范围内施加流体压力荷载来模拟土压力；有限元模型的边界条件和加载状况如图7所示。

图7 框架桥重心即将离开滑板时的边界条件和加载状况

应力状态如图8所示。

图8 框架桥重心即将离开滑板时的应力图

4.3 框架桥顶进即将就位施工状态分析

根据框架桥顶进即将就位施工时的实际状况，在底板上施加面弹性支撑，其中竖向基床系数为0.9×104KN/m3，水平双向基床系数为4.5×104KN/m3；在底板上施加线荷载1 400.3 KN/m来模拟顶进力；在距顶板前端12.5～20.5 m(铁路路基地面宽度)范围内施加铁路线路加固载荷160.9 KN/m；在边墙外侧施加流体压力荷载来模拟土压力；有限元模型的边界条件和加载状况如图9所示。

图9 框架桥顶进即将就位时的边界条件和加载状况

应力状态如图10所示。

图10 框架桥顶进即将就位时的应力图

综合分析该框架桥顶进的三个施工阶段，得到框架桥顶板、底板、中墙和边墙的最大应力和最大变形值如表2—表4所示，施工过程中的最大应力为13.490 MPa，小于混凝土强度设计值18.4 MPa，表明该施工过程是安全可靠的。

表2 框架桥在滑板上开始顶进阶段分析结果

表3 框架桥重心即将离开滑板阶段分析结果

表4 框架桥顶进即将就位阶段分析结果

4.4 框架桥顶进施工注意事项

根据框架桥顶进施工计算结果，为保证框架桥顶进施工过程中主体结构的安全，除了计算出框架桥顶进施工过程的应力和变形以外，施工过程中还需要采取相应的技术措施，来保证主体结构受力均匀，避免发生质量和安全事故[19]，主要注意事项如下：

1)浇筑底板混凝土时，要注意使其与工作坑滑板有效隔离，底板表面要尽量光滑、平整，并涂润滑剂，防止底板与滑板粘连在一起，顶进启动时困难。

2)下穿铁路立交桥主体混凝土达到设计强度100%，防水层及保护层按设计铺设良好，并经试顶后方可进行顶进施工。

3)为防止混凝土因收缩而开裂，选择集料时要求混凝土有最大密实度，要严格控制用水量，要仔细捣固，除用振捣器外，在角隅及钢筋较密处还须用插钎捣实，要精心养护，及时浇水，要晚拆模。

4)顶进前必须完成各种防护设施的施工，顶进时控制好顶力和顶进方向，在顶进过程中做好监测工作防止下穿铁路立交桥“扎头”、“抬头”和中线偏移。

5)顶进施工时，采取适当措施防止铁路线路横移。

6)当路基表面注浆时，先在路基以外地表进行注浆试验，确定地表注浆压力和注浆率。注浆施工过程中加强监测。

7)应有效控制顶进方向：一是合理的布置顶镐来保证方向控制的精度；二是顶进时利用泵站的分流系统，调整两侧顶力，并按具体情况调整两侧刃角的吃土量；三是做到随时顶进、随时测量、随时调整。

8)应采取有效的测量监控措施：一是顶进过程中，将不间断测量监控桥体轴线位移和高程变化；二是保持观测顶柱轴线方向的变形和横向稳定情况，观测联系横梁着力点附近的变形，确保传力结构体系工作正常；三是观测后背变形和受力影响区内土体的裂缝；四是发现桥体变形和位移时，要立即分析发生的原因，对顶力系统立即作出相应调整，以确保顶进施工安全。

5 结论

本文设计了顶进施工工艺流程，分析了顶进法施工方案，对工作坑、线路加固、顶进设备以及顶进过程等关键工序进行了分析，提出了相应的施工控制措施；采用Midas分析软件建立了中关村科技园区电子城北扩规划一路(电子城东路)下穿东北环线立交桥有限元模型，分析了施工各阶段的顶进力，简化了各施工阶段有限元模型的荷载作用和边界条件，分别计算出框架桥在滑板上开始顶进、框架桥重心即将离开滑板、框架桥顶进即将就位三个施工阶段的最大应力和最大变形，结果表明该框架桥施工过程中是安全可靠的。并在顶进法施工过程受力分析的基础上，总结提出了框架桥顶进施工过程中保证主体结构受力均匀，避免发生质量和安全事故的注意事项。本文对中关村科技园区电子城北扩规划一路(电子城东路)下穿东北环线立交桥的施工起到了很好的指导作用，同时为同类工程项目的施工过程受力行为分析和施工质量控制提供了参考依据，具有很强的实用和推广价值。