浅析单侧顶进框架桥涵栽头原因及防纠措施

2010-08-15翟长青

山西建筑 2010年17期

翟长青

国民经济的高速发展和铁路跨越式发展重大战略的深入实施，对提高铁路运输能力和技术装备水平提出了更高的要求，常见的公路铁路平面交叉即平交道口已远不能适应铁路以人为本的安全理念和公路车流畅通的需要，近年来铁路部门和地方政府已逐步对平交道口进行了立交改造，其中以限速行车直接顶进桥涵即单侧顶入法施工为主。监理工作实践中发现栽头是桥涵顶进中比较普遍的问题，个别桥涵栽头超过允许偏差，甚至造成永久缺陷。

1 栽头发生过程及受力分析

1.1 桥涵顶进移动过程

桥涵顶进起动后沿滑板空顶，滑板一般设有仰坡，涵身先是沿滑板上升前移，当框架被顶出滑板约1/3后，箱身进入路基，滑板前端由于桥涵自重和铁路活载共同作用使土体压缩而开始断裂，框架开始栽头，框架重心离开滑板后，栽头趋势加快，框架完全离开滑板后，箱尾下沉，随后框架在路基内顶进至就位。桥涵栽头后如不及时分析趋势或纠正，就位后可能造成标高不符合设计要求甚至影响使用。

1.2 受力分析

框架桥涵作为刚架结构体系，属超静定结构，顶进时结构由刚性滑板进入弹性地基就会引起栽头，当结构前端入土，重心离开滑板后，按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，因此引起地基压缩沉降，导致结构前倾，此时滑板前缘作为力矩中心，构成了相反的两种力矩(抬头力矩和栽头力矩)。顶进中结构受力包括顶进顶力、结构自重、线路(含加固)及行车活载、地基支持力、涵身摩阻力、船头坡垂直及水平分力、刃角垂直及水平分力等，其中前三种力引起栽头力矩，后四种力引起抬头力矩，当抬头力矩大于栽头力矩，框架抬头，否则，框架栽头。随着框架顶进前移，结构自重和线路及行车活载的力偶臂逐渐增大，构成的栽头力矩影响也逐步增大，当相应增加的抬头力矩不足以抵消这些影响时，栽头逐渐严重。结构尾端离开滑板后，构成抬头和栽头力矩的基本因素没有变化，力矩中心移至结构尾端，外力矩对结构的作用结果随之变化。

2 栽头的主要原因及防纠原则

2.1 引起栽头的主要原因

1)桥涵地基的土质条件:不同的土质由于内摩擦角不同，其土压力对桥涵周边产生的摩阻力也不同，同时地基承载力的大小也影响框架顶进高程。黄土地区地基承载力较高，但由于各种原因，土壤含水率往往偏高和土质松软，容易引起顶进栽头。2)刃角的构造形式:顶进桥涵多采用在结构前端预制钢筋混凝土刃角，该构造形式使结构重心前移，容易引起栽头，特别是刃角进入线路下路基后，由于列车通过时的冲击和振动会使栽头因素加大。3)顶进开挖方式:顶进时按结构轮廓开挖可减小顶进阻力，但在土壤含水率较高的条件下，略微超挖顶进时地基受到扰动就可引起结构栽头。

2.2 防纠原则

查明地基，认真预防，加强观测，综合分析，及早纠正。

3 防纠措施

3.1 方案中的技术措施

1)底板前端设置船头坡:施工图中一般对滑板仰坡都作了明确要求，对船头坡设置一般不明确要求。“船头坡”在土压力的作用下沿斜面的垂直分力可起到上抬作用，以此增加结构的抬头力矩，相应抵消栽头力矩，船头坡尺寸可沿底板前端底部设为水平长60 cm，垂直高2 cm。2)合理选择刃角形式:刃角的主要作用是切土和防止路基坍塌，并能减小顶进阻力增大抬头力矩。一般采用的悬臂式圬工刃角由于刃角自重使桥涵重心前移而增大栽头力矩，如涵身长度较短则栽头影响尤为敏感，而且顶进就位后刃角还需补齐接长，设计一般采取桥涵尾端单侧设混凝土平衡重兼作挡墙解决这种矛盾，有一定的效果但不经济。近年来实施的平改立黄土地区路基直立性较好，如地基条件较好可取消刃角和平衡重，以降低栽头影响和节约投资，如路基比较密实而顶力不足，也可选取自重较小的钢刃角消除栽头影响和减小圬工量。3)适当加大滑板仰坡:一般设计上取滑板仰坡为2‰，如施工中发现地基含水率较高，可将仰坡适当加大至4‰左右，对抵消顶进栽头能起到一定的作用。4)滑板设横向沉降缝:顶进时桥涵重心离开滑板而使滑板前端成为力矩中心，随着顶进行程增大而使滑板拉断，如在滑板前端1/3～1/4处横向设置沉降缝，使顶进到一定位置时前端滑板整体下沉，引起框架整体下沉而减小框架前端栽头。

3.2 施工中的保证措施

1)增设过渡段:如地基含水率较高，土质松软，可在滑板前端换填30 cm～50 cm的砂夹石等作为过渡段以增强基底承载力，达到防止栽头的目的。2)基底适当欠挖:刃角和底板正面的开挖对结构顶进高程影响最大，因此基底适当欠挖可明显纠正栽头，即在基底面以下略有欠挖或按结构轮廓开挖进行吃土顶进，通过增大船头坡上的被动土压力使结构逐步抬头而纠正栽头，这种办法在有船头坡时非常有效。两侧刃角部位适当欠挖也可起到相应作用。如果顶力有较大富余而栽头量较大时，也可采取全断面不挖强行顶进来纠正栽头。3)强行抬高结构前端:如果顶进时栽头严重纠正困难，如孔径较小且涵顶无覆土时，可在两侧边墙下和前端底板中部布置千斤顶强行抬高结构，顶起后垫入混凝土预制块或混凝土枕并形成仰坡顶进纠正栽头。4)“接长”滑板:顶进中因土质松软连续栽头时，可在挖土时基底适量超挖30 cm左右，铺设15 cm碎石垫层并用砂找平做5‰仰坡后，铺设混凝土预制块或灌注高强快硬混凝土“接长”滑板以抬头顶进来纠正栽头。5)增加配重:同设刃角相反，可在结构尾端增加配重使结构重心后移改变箱身前端土壤受力状态纠正栽头，配重可使用线路加固时换下的混凝土枕或其他材料堆码，既可防止栽头，还能改善现场材料堆放条件，对延缓栽头趋势有一定的积极作用，注意纠正达标后卸载要逐步进行，防止抬头。6)改善线路加固体系:传统的横抬梁法加纵向扣轨加固线路体系费时费力，自重较大，且对列车速度限制较大，对栽头力矩影响不利。近年来列车慢行45 km/h条件下选用的便梁加固体系就比较安全、便捷、节约，对减小线路和行车活载引起的栽头力矩作用明显。7)固化基底:基底含水率较高土质较软时，可采取固化基底措施处理，如换填灰土、砂夹卵石、打短木桩、石灰桩等提高基底承载力以防止栽头。

3.3 就位后的补救措施

1)引道顺坡:桥涵就位后如能满足净空要求，一般不对桥涵栽头进行处理，可采取调整引道坡度的方法，将引道和框架内道路顺接处理。2)千斤顶起抬:桥涵就位后栽头不能满足设计要求和使用功能时，如涵顶无覆土，可在底板前端均布千斤顶起抬，在结构前端打生石灰桩，通过石灰桩消解膨胀固化地基并抬高框架标高。

4 防纠注意事项

1)施工前监理和施工单位应认真核对地质资料，探明地基。2)顶进桥涵尽量避开雨季，施工时必须做好临时防排水设施。3)充分预想，监理应审查施工单位预先拟订的防纠措施和防纠材料。4)督促施工单位认真制定施工方案，细化施工组织，精心组织施工，避免因违反操作工艺、施工规范人为造成框架栽头。5)设立观测，专人及时对顶进中滑板和框架结构变化情况及框架的栽、抬头情况进行观测，认真记录、分析观测数据，对可能发展的栽头趋势及早判断预防。6)监理对栽头防纠措施必须组织专项审查，应根据现场实际情况结合以往经验，综合、科学、慎重选用防纠方案，个别措施如生石灰桩、布顶强顶等必须预先进行检算，切忌矫枉过正，引起抬头超限或结构受损。7)顶进中防纠措施宜提早实施，尽量避免就位后栽头超标，选用纠正措施时必须进行优化比选，避免框架结构受损或基底不密实引起框架就位后不均匀沉降造成隐患。