软弱地基顶进框架桥“扎头”控制技术.pdf

软弱地基顶进框架桥“扎头＂焦建立（中铁十六局集团第二工程有限公司天津３００１６２）・桥涵工程・控制技术“”“”摘要分析顶进框架桥产生扎头的原理，并结合工程实例对软弱地基控制扎头的底板钢刃脚切压、预注浆加固、基底加固导向等多种技术进行了综合研究，重点分析根椐地基承载力大小采取不同控制技术的适用情况，同时对顶进框架桥管幕法、盾构法新技术的应用做了展望，以期为项进框架桥的设计与施工提供参考。关键词软弱地基框架桥顶进扎头控制技术中图分类号ｕ４４９．５文献标识码Ｂ——文章编号１００９４５３９（２叭４）增ｌ一００８９０３１引言目前，穿越铁路、公路修建框架桥多采用顶进法施工，其技术日益成熟，但针对地基承载力较小的软弱地基，由于设计及施工等多方面因素的影“”响，不少框架桥顶进时前端产生扎头经常发生，有的还非常严重，纠正时很困难，造成了不小的经“”济损失，因此控制前端扎头就成为设计和施工中的一个重要课题。本次结合多座顶进框架桥的实践，尤其对软土软弱地基有针对性地采用了底板钢刃脚切压、预注浆加固、基底加固导向等提高地基承载力的措施，“”对控制顶进框架桥中的扎头做了有效的探索。减少了损失，取得了满意的效果。“”２扎头产生的原理框架桥在顶进过程中处在三种不同的受力阶“”段，这三个阶段均可能产生扎头现象。（１）在滑板上空顶。该阶段只要顶力克服结构自重的静止摩阻力即可启动。要求滑板基底承载力足以承担其框架桥的重量即可。否则如地基承“”载力达不到，顶进时地基沉陷导致框架桥扎头。（２）框架桥前端人土，结构重心离开滑后。其受力状态见图１。顶进时框架桥结构由刚性滑板进入弹性地基，“”就会使结构产生扎头。当结构重心离开滑板后，——收稿日期：２０１４０２２５铁道建筑技术只Ａ『ＬＷＡｙＣ０～Ｓ丁尺ＵＣ丁『Ｏ～丁ＥＣＪＨ～０ＬＯＧｙ按照弹性地基反力的分布规律，结构前缘地基反力的集度值最大，因而引起地基的压缩沉陷，导致结构前倾，此时滑板前缘变成了力矩中心，构成了相反的两种力矩。即：扎头力矩：Ｍ：＝尸ｐ＋Ｑｑ＋府抬头力每邑：Ｍ。＝Ｆｒｆ＋Ｅｅ＋Ｇｇ＋Ｎｎ＋ｓｓ＋Ｉｔ＋Ｈｈ“”若Ｍ：＞Ｍ．，则会引起扎头，若Ｍ：＞Ｍ。会引“”起抬头。随着框架桥的不断顶进，力偶臂９，在逐渐增大，则ｐ、Ｒ构成的力矩对结构的影响也在逐步增大。当抬头力矩不足以抵消这些影响时，就会引起“”扎头。Ｐ一顶力Ｑ一结构自重Ｒ一项部荷载Ｅ一边墙摩阻力Ｆ。一底板摩阻力Ｆ。一底板摩阻力Ｇ一刃角正面阻力Ｎ一刃角正面阻力Ｓ一船头坡水平分力Ｔ一船头坡竖直分力Ｈ一地基反力图１框架桥受力分析图（３）结构尾端离开滑板后。结构物离开滑板后其受力状态见图２，虽然构成Ｍ：、Ｍ。的基本要素没有变化，但由于力矩中心移到框架桥结构尾端，从而会引起外力矩的对结构作用的结果也发生变化。只有“”正确分析这些变化才能为控制扎头提供依据。２０１４（增１ｌ万方数据・桥涵工程・图２结构受力状态“３影响扎头＂的主要因素Ｇ３．１框架桥顶部有、无覆土顶部有无覆土和覆土的厚薄直接决定顶部摩阻力大小，在有覆土的情况下，不仅顶部摩阻力增大，同时由于结构埋深较大，侧面土压力增加，边墙“”摩阻力相应增大，顶进中易出现抬头现象。３．２框架桥基底的土质不同的土质由于内摩擦角不同，其土压力对框架桥周边产生的摩阻力也不同，由侧面摩阻力形成的对框架桥的夹持力也直接影响顶进中的高程变化。更为重要的是基底土质、地下水位的高低，含水量的大小直接影响到地基承载力的大小，如果基底土质较为干硬密实，承载力高，则当框架桥脱离“”滑板后，出现的扎头现象较之基底土质松软，含水量大，要少得多。３．３框架桥刃角的构造形式框架桥刃角的构造形式可以分为两类，一类是自身刃角，另一类是结构附加刃角。自身刃角是在结构前端与框架桥混凝土同时预制做成三角形，这“”种形式使重心前移，易于出现扎头现象，因此往往在后端设置配重。附加刃角是用钢板、角钢制成，安装在框架桥前端预理的螺栓上。附加刃角安装的准确性对顶进中高程变化的影响较大，如在有“”覆土的情况下顶刃角稍带俯角则可能形成扎头的趋势，如在地基土质较干硬的条件下，底刃脚具””有适当的仰角则可能产生抬头的趋势。３．４工作面的开挖方式能够显著影响高程变化的开挖部位，主要为刃角的正面和结构物的底板正面。在基底干燥、土质较硬即在基底承载力较大的条件下，如按结构的外轮廓开挖则可减小正面阻力，若基底面以下略有超“”挖则可使结构逐步扎头，若基底面以上适当欠钐｝道建篱技术“”挖，则可使结构逐步抬头。在含水量较大基底土质呈软塑时，如按外轮廓开挖，由于底部土质受到“”了扰动，顶进时势必引起扎头。采用全断面不“”挖，强制顶进则能起到很好的抬头效果。“４控制扎头＂的技术措施“”通过对扎头产生的原理及影响因素的分析，“下面结合多种工程实例，重点针对软土地基控制扎”头现象现场采取的几种有效技术措施进行介绍。４．１底板钢刃脚切压技术““此技术是一种采取在底板船头坡的基础上，“”前端安设钢刃脚，靠不断切压土体以提高底板前“”端部分地基承载力，以达到拟制扎头的技术。地基土是弹塑性体，变化缓慢，而开镐顶进时间短，不“等地基土体较大变化，钢刃脚在顶进时就将船头”“”“坡及钢刃脚下的三角形土体压人地基中，钢刃”脚这种大面积的封闭压实作用，使地基承载力会“”“提高，在一定程度上增加了作用在船头坡及钢”刃脚上被动土压力的竖直分力。基底承载力的提“”“”高若只取船头坡及钢刃脚部分，对框架桥重心“”取矩，由于其力臂较大，故可大大提高抬头力矩“”以达到抑制扎头的目地。（１）京山线军粮城车站施工的立交桥设计为单孔钢筋混凝土框架结构，其净空尺寸为１２ｍ×４．８ｍ，总长５４ｍ，分三节预制顶进，采用纵挑横抬加固，无覆土顶进。桥址地基为黑色饱和淤泥质黏土，承载力７０ｋＰａ，施工时采用底板钢刃脚及边墙刃角并结“”“合全面吃土顶进，以提高抬头力矩，防止了扎”头。就位后前端精度为一１２ｃｍ，后端为＋７ｃｍ。见．图３。人工仰坡素砼Ｉ§Ｑ＾！螋＾塾＾—ｌｌ断面“”图３底板钢刃脚构造图（２）津浦线上杨柳青进厂公路顶进框架桥为单孔钢筋混凝土框架结构，其净空尺寸为１６ｍ×５．３ｍ，长１７ｍ，地基承载力８０“”ｋＰａ，只设底板船头坡加“”钢刃脚，施工时未吃土顶进。重心脱离滑板后出只Ａ『Ｌ¨饵ｙＣＯ～Ｓ丁开ＵＣ丁ｆＯ～丁ＥｃＨ～ＯＬＯＧｙ２０７４ｆ增７Ｊ万方数据・桥涵工程・现了小于５“”ｃｍ的小扎头之后为平坡顶进，就位时前端精度为一５ｃｍ，后端为＋３ｃｍ。（３）京山线上的黄河道立交桥为跨度８ｍ＋１６ｍ＋８ｍ三孔框架结构，津浦线付庄子立交桥为２×１６ｍ双孔框架结构，地基为砂黏土，地基承载力１００ｋＰａ，“”””施工设计时底板设有船头坡及钢刃脚，在顶进“”初期，钢刃脚由于承受的地基反力大而产生了较“”“”大变形，且顶桥抬头趋势明显，经割除钢刃脚“”处理后继续顶进，就位后扎头只有３ｃｍ。“”“”实践证明，底板钢刃脚加船头坡，对于地基承载力小于１００“ｋＰａ的软性土可以很好地控制扎”头，但对于１００ｋＰａ以上较硬土层，只设ｌ～１．５ｍ长“”“”的船头坡配合挖土就能使扎头得到控制。４．２地基预注浆加固技术地基预注浆加固是提前对地基承载力较低的饱和软土，在不改变其土体结构的前提下，增加地基“”承载力后再按普通的方法顶进控制扎头的技术。对于大跨度顶进框架桥且地基处在承载力７０ｋＰａ以下较低的饱和软土中时，仅仅从结构上安装大的“”“”“”钢刃脚及船头坡往往不易控制扎头，必须要提高基底承载力达到１００ｋＰａ以上。提高承载力的方法：一是在顶进中采取换填约１ｍ厚的砂砾土或打人长３～５ｍ、直径３０～４０ｃｍ的碎石桩；二是直接灌筑快硬混凝土或钢筋混凝土。此方法从理论上可行，但可操作性不好，因为此加固法需对前端土体开挖后施工，对基底扰动较大，加之顶桥受时间限制严格，需要在一定时间内快速顶进完成，施工时对基底的密实度及顶面标高往往控制不严，“”达不到要求，反而更易引起下沉，增加扎头。地基预注浆加固是采用双液浆（纯水泥浆和水玻璃混合液），注浆方式是在路基的两侧打入注浆孑Ｌ进行注浆，注浆孔Ｖ形布置，加固基底深度达到３～５ｍ以上。京沪线上天津市武清区翠亨路立交工程设计为３孔８．５ｍ＋１７ｍ＋８．５ｍ顶进框构桥，近接京津城际，轴线长度为３８．８８ｍ，全宽３８ｍ，结构总高度７．９ｍ，基底位于淤泥质黏土层上，软塑，瓯＝６５ｋＰａ，采用微带水作业。注浆加固范围为框构桥就位位置及两侧各１５ｍ范围内的既有京沪铁路路基，计６８ｍ长；宽度为３３．３８ｍ；深度为从地下水位面至框构桥底底面下３ｍ处，总计７．５ｍ深。见图４。铁道建笳技术只Ａ『ＬＷＡｙ№Ｃ０～Ｓ丁尺ＵＣ丁『０Ｎ丁￡－ｃＨＬｏＧｙ图４路基及基底预注浆加固（单位：ｃｍ）注浆加固２８ｄ后，在框构桥顶进前及顶进期间对基底取样采用动力触探法进行承载力检测，检测结果显示，基底承载力均大于１００ｋＰａ。顶进期间未采取其“”他特别措施，没有发生因地基承载力不足引起扎头的明显现象，框架桥就位精度前端一３ｃｍ，后端＋２ｃｍ。４．３基底加固导向技术基底加固导向技术是提前在基底建立一导向的滑道，框架桥沿着建立的滑道进行顶进以控制“”扎头的技术。导向滑道要有足够的承载力、刚度及稳定性，这是该技术的关键所在。滑道有导向工字钢滑道及钢管滑道两种。导向工字钢滑道是利用人工挖土的方法，先挖出一个导洞，再在基底灌筑钢筋混凝土基础导梁，工字钢滑道顶面标高按框—架桥底板标高设置，厚度约３０５０ｃｍ，边墙及中墙下间距布置，工字钢预埋在导梁顶面。（１）北京机场穿越西测滑行道顶涵工程，跨度２×６ｍ，全长１４６ｍ，坡度为２．６３％，覆土３～１０ｍ，顶部采用巾３００×８ｍｍ的管棚支护，基底采用工字钢导向滑道，见图５。图５基底导向工字钢滑道（单位：ｃｍ）—钢管导向滑道是在基底下打入６００９００ｍｍ钢管，钢管内再灌筑微澎胀混凝土或水泥砂浆，可以密打也可以间打。采用间打时，管与管之间的缝隙部分在顶进时可以采用化学浆液注浆进行加固，钢管可以采用顶进法、拉管法等方法施工，管的就位精度控制要高。（２）Ｇ３０７国道黄骅绕城公路下穿黄万铁路立交（下转第１２ｌ页）２０１４ｌ增１１９１万方数据・桥涵工程・表９混凝土温度时间／ｈ℃环境温度／混凝土内温度／ｑＣ℃墩内温度／１６１５３０２０２４１８４０２３４８１４４５２３７２１７４６２５９６１６４６２５以上数据均符合试验控制的要求，满足了施工的需要。５结束语（１）混凝土实行流态化，降低了劳动强度，加快了施工进度。但其早期强度低，混凝土不能及时脱膜，施工人员不能及时在液压平台上操作。否则液压平台、机具及施工人员产生的力将破坏强度低的混凝土结构，造成混凝土外表出现脱皮现象，严重影响施工进度与外观质量。若有快速施工和规定期限强度的要求，必须建立一套系统的早期强度控制手段，以及时、准确掌握混凝土的早期强度数据，发现问题随时修正施工配合比，杜绝发生混凝土强度质量事故。因此试验控制工作风险较大。（２）墩身混凝土流态化，要根据气候、温度随时调整。尤其是每板的最后二层混凝土要减少拌合用水量，以加速混凝土凝固，提高早期强度与模板使用周转率。（３）由于掌握了混凝土强度增长规律，建立了比较实用的早期强度关系式，不仅达到了好施工目的，而且保证了混凝土早期强度。“—————“・＋Ｐ－－＋．－Ｐ一－Ｐ一－Ｐ－＋一＋＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一十一十一＋一＋一十一＋一＋一＋一十一＋一＋一十一＋一＋一十一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋（上接第９１页）桥为２×１６ｍ双孔框架结，净空高５．２ｍ，基底持力—层为淤泥层及流砂层，承载力仅为５０６０ｋＰａ，箱体“”在脱离滑板后就出现了扎头。分别采用了注浆、换填、打桩等常规做法后，地基加固后承载力提高效果不明显，在刚刚进入路基后就出现近１０ｃｍ的“”“”扎头，且趋势明显。为控制继续扎头在桥的另一侧打入６００×１４ｍｍ的钢管，３根一组，每组间距３ｍ，形成一个支撑导向基础，同时在桥体底板前端３ｍ范围内施工由３０ｃｍ的高压旋喷桩加固桥体前端的路基及基底，以便桥体顺利平稳上钢管及减少“”钢管前端下沉，采用此法控制了扎头增大的趋势。顶进就位后前后高低差仅为１．６ｍｍ，见图６。图６钢管导向滑道（单位：ｃｍ）４．４其他技术“”（１）管幕法防扎头技术。此技术是在框架桥的四周打入钢管做帷幕，框架桥在帷幕内进行顶进施工。帷幕既可防水又可以对土体起到支护作用，还能控制框架的标高及方向，在软基条件下需口字型布置。边墙、中墙下的钢管宜密布且铰合，其他部位可以按一定间距布设。此技术在南水北调中线一期工铁道建篇技术只饵ＪＬＷＡｙＣ０～Ｓ丁尺ＵＣ丁『０～丁ＥＣＨ～ＯＬＯＧｙ程河北省霸州市境内穿越津保高速公路顶进３孔４．４ｍ×４．４ｍ钢筋混凝土方涵中得以应用。“”（２）框架桥盾构法防扎头技术。此技术是在框架的前端安设盾构机，盾构机是一种可以分块组成的机械，可以把大框架断面分成若干个小的断面。盾构机分块切土前进，后面的预制框架再进行“”跟进，前端扎头通过盾构机进行控制。江西南昌绕城公路穿越南昌火车站顶进１８ｍ跨钢筋混凝土框架桥时应用此技术。因加工盾构机一次投入费用高，此技术受到一定限制，仅对有覆土，富水饱和软土、穿越公路、铁路等复杂条件下较适用。另外，此技术应用较少，技术尚未成熟，但也不失为一种框架桥软土地基顶进中值得探讨的技术。５结束语““顶进框架桥中扎头控制由于受多种因素的影响，其受力比较复杂，很难从受力的角度找到一种平衡，所以在顶进施工设计时，除从框架桥结构设计上采用必要的措施，提高地基承载力外，在施工顶进中也要选用适当的顶部加固措施，控制地下水对地基的干扰，并加强施工监测，根据监测结果随时调整挖土方式。只有采取综合施工措施，才能“”控制好扎头，保证顶进效果。参考文献［１］李家稳．地道桥设计与施工［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２０１１．２０１４ｌ增１｛１２１万方数据