自锚式滑板体系的设计及框构桥顶进施工控制

董 成

(沈阳市市政工程设计研究院有限公司 沈阳市 110015)

城市框构桥为城市道路穿越既有道路的立体交叉工程，施工工法主要有明挖法、盖挖法、顶推法、暗挖法等。工程方案设计时，需综合考虑场地、交通导改条件、地下管线、构筑物、覆土厚度、地质条件、工期、造价等因素，确定合理的施工方法。结合实际工程，对采用自锚式滑板体系的顶推法施工框构桥进行研究及分析。

1 工程概况

本工程为沈阳市五爱街/南二环互通立交中匝道S线下穿南北向城市主干道青年大街，为控制性节点工程，S线为双向六车道，现状青年大街为双向十车道，交叉角度为86.27°，工程效果图如图1。

图1 工程效果图

框构桥所在位置地层自上而下依次为：表层为市政路面结构，厚度为0.8m；第二层为杂填土，以松散状态为主，稍湿，主要由碎石、碎砖、粘性土等组成，厚度范围1.5～7.4m；第三层为粉质粘土，黄褐色，可塑，摇振反应无，刀切面稍有光泽，土质均匀，干强度中等，韧性中等；第四层为中砂，黄褐色，稍密，稍湿-很湿，石英-长石质，棱角形，混粒结构，级配良好，含少量黏性土。地下水位位于框构桥底板标高以下3.5m。

本工程特点主要有：

(1)框构桥顶覆土厚度为1.0～1.3m，覆土厚度小。

(2)顶进长度长、箱体体积大。

(3)上部主干道青年大街交通流量大，需严格控制路面沉降量，施工过程中不允许中断交通。

(4)为节省工期，S线其他位置的道路路槽施工与框构桥顶推施工需同步进行，即常规重力式后背梁无实施条件。

2 工程方案设计

框构桥箱宽25.6m，横向分两箱，箱长51.61m；顶、底板厚0.8m，侧墙厚0.8m，中墙0.6m，箱高7.0m，平面布置详见图2。框构桥主体采用钢筋混凝土框架结构。根据工程场地情况，青年大街东侧地下有地铁结构，不适宜做顶推工作坑，故将工作坑选在青年大街西侧，自西向东一次顶推就位，框构桥顶进位置路线两侧采用桩式挡土墙支护，在场地四角各做一个集水井，收集场地积水。

图2 滑板上顶推框构桥平面布置图

滑板体系及后背梁等结构设计主要取决于顶推框构桥的顶力大小，准确计算顶力是自锚式滑板体系设计的关键。

2.1 顶力计算

顶推框构桥的顶力，根据顶进长度、土的性质、地下水情况、框构桥外形及施工方法等因素[1]，按下式计算：

Pmax=Kn[μ1Qk1+μ2(Qk1+Qk2)+2μ3Fk+R2AR]

式中：Pmax—最大顶力设计值(kN)；

Kn—增大系数，取1.2；

μ1—框构桥顶面与其上覆土间的摩擦系数，涂石蜡为0.17～0.34，本工程采用0.17；

μ2—框构桥底板与基底土的摩擦系数，取0.7；

μ3—框构桥侧面与土体的摩擦系数；

Qk1—框构桥顶上荷载标准值(kN)，按平均覆土厚度1.1m计算，取2947t；

Qk2—框构桥自重标准值(kN)，取7545t；

Fk—框构桥单侧土压力合力标准值(kN)，根据实际勘测情况土体为黄粘土及部分杂土，属于稳定土层，取0；

R2—刃角单位面积正面阻力；

AR—刃角正面积，取1.28m2。

根据上述公式，计算Pmax为9490.8t。框构桥顶推力P随框构桥顶推行进长度L动态变化，根据润滑隔离层情况，起动顶推力取1283t；保持此顶力至底板前端脱离滑板，从底板接触土体始，顶推力P逐步增加，至顶板刃角接触青年大街路堤顶力P达到5281.5t，此后随框构桥入土深度逐渐增加至Pmax。

2.2 自锚式滑板体系设计

为保证S线路槽开挖正常进行，顶推后背梁后无土体支撑，顶推支撑力主要由滑板与土体间摩擦力、滑板与后背梁的重力来提供，形成自锚式滑板体系。为增大滑板与土体间摩擦力，滑板下换填2.0m块石，滑板采用格构式混凝土结构，格构间填充块石，在滑板与后背梁间采用规格为15-7预应力钢绞线连接[2]。

滑板厚度为0.5m，格构纵、横梁采用宽0.5m，高1.5m钢筋混凝土结构，后背梁采用5.9m×4.0m断面，每道纵梁内采用4束15-7钢绞线与后背梁连接，张拉力控制值采用1323kN，润滑隔离层采用3mm石蜡+1mm滑石粉+塑料薄膜。滑板体系构造详见图3。

图3 滑板上框构桥立面布置图

3 工程施工流程

框构桥主体采用顶推法施工，施工流程如下：

(1)S线路基两侧及青年大街北侧采用桩基支护。

(2)开挖框构桥主体工作坑。

(3)做滑板、导向墩、隔离层、后背梁、纵横梁等，形成自锚式滑板体系。

(4)框构桥主体钢筋绑扎及混凝土的浇注。混凝土的浇注需特别注意混凝土水化热影响，待框构桥混凝土强度达到设计强度后，进行顶推作业。

(5)框构桥从“起动”后沿滑板空顶使刃角入土直至就位，总行程约为框构桥的长度加路基的高度。

框构桥顶推施工过程包括挖土、运土、开镐、顶进、回镐、换顶铁、接长车道、测量、校正等工作。

4 工程施工监测要点

框构桥顶推启动时，需逐渐加压，并对设备及滑板、后背梁等进行检查，顶程≤0.5m，随挖随顶，遵循“小步快跑”原则。

施工过程中，需主要监测以下内容：

(1)桥体轴线方向、桥体高程的监测。

(2)桥体结构变形、应力监测。

(3)顶推系统的监测：滑板变形、后背梁变形监测，顶力系统监测。

(4)现状青年大街道路变形监测。

在顶进过程中应对所有监测内容进行连续监测、记录和分析，及时进行相应的控制、调整。

5 工程施工控制

框构桥顶进过程中，须坚持“预防为主，校正为辅”的原则，以便稳步前进。

框构桥顶进过程中，左右偏差的校正分以下几种情况：开始时，框构桥在滑板上顶进，此时由于前进摩阻力小，极易发生方向偏差，应该依靠框构桥两侧的导向墩，进行校正；框构桥入土初期，方向校正最为重要，因为大部分框构桥顶入路基后，再进行校正，比较困难，因此框构桥刚入土就把正方向，避免发生误差，为后续顶推顺利实施打下基础，此阶段可采用调整两侧顶推力或增加侧刃角阻力的办法校正方向。框构桥顶进过程中，为防止过大的高程偏差，通常采用以下校正方法：

(1)加大刃角阻力，使框构桥避免“低头”：适当加大刃角阻力增加抬头弯矩，尤其是上部刃角的阻力，是阻止框构桥低头的有效措施。但刃角阻力过大，会造成路基土体变形加大。

(2)顶推施工过程中，框构桥进入青年大街路基后，若路基出现不均匀沉降或者船头下沉时，应及时调整施工措施[3]，采用铺砌块石、浇注混凝土、设置混凝土导梁等措施，提高地基强度，消除不利影响。

(3)发现箱涵有“抬头”现象时，应在刃角处适当超挖，以减少阻力，增加低头弯矩[4]。当框构桥重心行进到开始超挖点附近时，框构桥高程才逐渐发生变化，而校正效果方见效。因此采用超挖调整抬头，过程较长，避免大量超挖，造成事故。

6 结论

本工程通过自锚式滑板体系的设计及精确的施工控制，既保证了现状主干道青年大街的正常通行，又保证了新建线路的安全质量和工程进度。

(1)通过自锚式滑板体系设计减少后背梁后填土，路基开挖与框构桥顶推可同步施工，互不制约，为工程进度节省大量时间。

(2)顶推施工中遵循“小步快跑”原则，随挖随顶，及时监控、调整，避免误差累积，可有效控制顶进误差。

(3)顶进框构桥过程中“抬头”误差调整难度不大，及时发现，通过适当超挖可及时调整，“低头”误差调整难度较大，且调整周期长，应通过及时观测，通过调整地基土强度、增加刃角阻力等措施，避免误差累积，可有效控制此误差。