大跨度多孔箱涵顶进时底板内力研究

付琪生

（中铁二十四局集团有限公司北京分公司，北京102600）

1 引言

随着我国交通流量的日益增长，道路和铁路作为主要的运输线路，道路与铁路的平交道口严重阻碍了城市交通的发展。针对这种情况，采用顶进的方法将预制箱涵推进铁路桥下，可不影响上部铁路线路的正常运行，目前这种施工方法已得到了广泛应用。大跨度多孔箱涵在顶进过程容易发生轴线偏移等情况，严重影响工程质量与施工进度，因此，在施工中应根据箱涵姿态监控数据，采取及时、有效的纠偏措施，将轴线偏差控制在合理范围内[1～3]。

要及时根据实时监测数据调整顶力提高纠偏策略的科学性与有效性，了解箱涵在顶进过程中的受力情况必不可少。由于千斤顶顶力施加于箱涵底板，因此，研究箱涵顶进过程底板内力的变化规律是实现智能纠偏的关键。

2 工程概况

大礼路位于北京新机场北部，西起大广高速，东至京台高速，全长约15.1km，是东西向重要交道干道及管线主廊道。大礼路下穿京九铁路工程，作为大兴新机场外部交通及市政管线（水、电、气、信等）保障的主要通道，为新机场临空经济区打造国际化、高端化、服务化的区域定位提供了基本保证。

该工程包括综合管廊框架桥、雨水方沟框架桥和市政交通框架桥的施工，其中，综合管廊框架桥采用一孔框架结构，全长29.74m，全宽21.70m（框架桥正向尺寸），总高10.00m，净跨19.50m，与京九铁路相交里程K42+313.79；市政交通框架桥采用五孔连体式框架结构，全长30.24m，全宽57.00m，结构总高度为10.00m，净跨为8.50m+12.50m+9.00m+12.50m+8.50m，与京九铁路相交里程K42+273.75；雨水方沟框架桥采用一孔框架结构，全长29.74m，全宽15.60m（框架桥正向尺寸），总高度为10.00m，净跨13.60m，与京九铁路相交里程K42+236.78。单孔综合管廊框架桥、单孔雨水方沟框架桥和五孔市政交通框架桥与京九铁路上行线和下行线的交角均为84.4°，箱涵顶板顶面距最低钢轨地面的距离分别为1.10m、0.80m 和0.94m。

3 箱涵顶进顶力现场情况

大礼路工程箱涵顶进自5 月18 日起至5 月27 日结束，历时9d，施工时，3 座框架桥同时进行顶进作业，总计顶镐57次，累计顶进44m，顶进过程中第9 镐箱涵脱离滑板，第36镐箱涵前端进入线路。箱涵在脱离滑板前，9 个镐次内顶力由3 000t 增加至5 500t，之后箱涵脱离滑板，在进入线路前，顶力逐渐增大，在27 个镐次内顶力由5 500t 增加至7 700t，并趋于稳定，直至行将结束。

4 箱涵顶进底板钢筋内力分析

4.1 箱涵底板钢筋内力时程曲线分析

大礼路测试共安装振弦式钢筋测力计37 组74 个，分别安装于箱涵底板上下两层钢筋内，导线总长1 600m，上层测点编号首位为0，下层为1。

本节选取大礼路工程箱涵底板上部分测点进行受力分析。

先选取145 号测点时程曲线用以反映顶进侧箱涵底板中部钢筋内力分布，经过分析，顶进侧底板中部钢筋在每镐顶推时均受压力作用，顶力记录与钢筋内力记录在时间上有很强的相关性，说明监测设备工作状态良好，数据可靠。

再选取011 号、051 号、061 号测点时程曲线用以反映箱涵底板边缘沿顶进方向的钢筋内力分布，其时程曲线如图1所示。

图1 上述测点钢筋内力变化时程曲线对比（17～23 镐）

从图1 可以看出，箱涵底板侧边钢筋内力与顶力在时间上有很强的相关性，且11 号测点钢筋内力最大，其次是51 号测点钢筋内力，61 号测点钢筋内力最小，即靠近顶进侧的钢筋内力较大，沿顶进方向逐渐减小，符合预计的应力分布规律，数据可靠。

4.2 箱涵顶进时各镐钢筋应力分布

将箱涵顶进划分为推出滑板前、脱离滑板以及进入线路3个过程，并分别在3 个阶段内选取典型镐次，根据所采集的数据，可分析得出每镐的钢筋应力分布情况，具体为：相较于箱涵离开滑板以及进入线路的阶段，箱涵在脱离滑板前（9 镐前）钢筋应力更小，最大应力约在15MPa，是后者的70%～80%，这与总顶力大小以及滑板的摩阻力系数更小有关。

进一步截取靠近顶进侧一排测点的相应镐次应力变化曲线，如图2 所示。可以看到，箱涵中部测点112 号、114 号、115号测点应力相较箱涵两侧测点111 号与116 号钢筋应力变化较大，而113 号测点因为前方受三角顶块的影响应力变化相对较小。结合钢筋应力变化分布图还可以看到，顶进端左侧115 号测点钢筋应力变化普遍比112 号大，个别镐次差异明显，箱涵底板钢筋存在一定的受力不均的现象。

图2 大礼路工程部分镐次顶进端钢筋应力比较

5 箱涵顶进时底板内力分析

5.1 箱涵底板沿顶进方向断面平均内力分布规律

假设箱涵底板的混凝土应变沿底板高度呈线性变化，且钢筋附近混凝土等应变。根据上节箱涵底板钢筋内力分布，在假设的前提下，可得到箱涵底板结构应变。

参考GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015 年版）[4]附录C 中钢筋、混凝土本构关系，对箱涵底板结构应力分布进行计算，并沿箱涵顶进方向积分，可以得出各镐沿顶进方向的断面内力分布根据其与顶进侧面距离远近逐渐变小，直至箱涵远端接近至0，前后部变化相对一致。

5.2 箱涵底板沿顶进方向断面内力区域分布规律

依照上节计算方法，将大礼路工程的五孔箱涵的六面立墙面向顶进方向其两侧墙体分别记作左一至右一，如图3 所示。

图3 箱涵立墙编号示意

提取相应镐次的立墙底测点处的底板内力进行分析，可以得到，在六面立墙中，两侧边墙（左一、右一）附近的底板结构内力相较于左二、右二处，在靠近顶进端普遍更小，左三、右三次之，表明对于箱涵底板顶进侧，更靠近左右2 组千斤顶的底板中部区域所受内力最大，2 组千斤顶受力交界区域次之，两侧内力最小，存在一定的受力不均现象。而对于远离顶进侧，大致自箱涵中部开始，各个立墙附近的底板所受内力大小差异并不明显。表明由千斤顶顶力所引起的底板内力不均主要作用范围位于箱涵涵体的前1/3～1/2。

再提取箱涵涵体前1/4 处左二孔洞与右二孔洞附近各镐箱涵底板内力分析后，发现除个别镐次较为接近以外，箱涵左侧底板在顶进时的内力变化始终大于右侧，由顶力产生的混凝土最大压应力变化为3.13MPa，平均为1.84MPa；右侧最大为2.00MPa，平均为1.19MPa。箱涵在顶进中底板存在受力不均的现象，但最大变化幅值仍远小于混凝土的抗压极限，顶进过程不会对涵体结构造成破坏。

6 底板内力对箱涵顶进姿态的影响研究

进一步结合顶力分析，相邻镐次间较大的顶力变化容易导致箱涵姿态控制失稳，继而需要进行箱涵纠偏。部分镐次箱涵底板存在左右应力不均的现象，同样在一定程度上影响了箱涵姿态控制。因此针对类似工程，应结合箱涵姿态、纠偏策略等因素进行顶力合理配置，将左右顶力保持相对均衡，避免发生较大的顶力波动以及顶力浪费。

7 结语

在大跨度箱涵顶进时，可利用振弦式钢筋测力计对箱涵底板钢筋内力进行实时监测，为实现箱涵智能顶进控制提供依据与指导。同时，经过对大礼路工程箱涵顶近时底板的内力分析可以发现，涵体所受应力主要集中在涵体前侧1/3～1/2 区域内，中部应力高于两侧应力，部分镐次存在左右应力分布不均的现象。而在在箱涵顶进过程中，相邻镐次间较大的顶力变化容易导致箱涵姿态控制失稳，继而需要进行箱涵纠偏。同时部分镐次箱涵底板存在左右应力不均的现象，同样在一定程度上影响了箱涵姿态控制。因此针对类似工程，应结合箱涵姿态、纠偏策略等因素进行顶力合理配置，将左右顶力保持相对均衡，避免发生较大的顶力波动以及顶力浪费。