大断面斜交箱涵架空顶进施工力学研究

孙 杰， 黄泰烈， 王玉龙， 黄腾飞

(1.中铁西安勘察设计研究院有限责任公司, 陕西 西安 710054；2.长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)

0 引言

随着城市发展，道路的立体交叉愈加普遍。部分后建道路或轨道工程穿越既有铁道成为城市立体交通的常见形式之一。目前，穿越既有线路的立体交通形式主要有上跨式(桥梁等)及下穿式(箱涵等)。下穿式通道相较上穿式占地面积小、节约城市空间。因此，在城市中以下穿方式通过既有线路的工法备受青睐[1-4]。下穿式常见工法主要包括：盾构法、浅埋暗挖法、顶管法、入土箱涵法、管幕法[5]。其中，入土箱涵法具有无需开挖上覆土体、施工过程中不需中断交通等优势，能够最大限度地减少对既有地面交通的干扰[6-9]。

目前，入土箱涵法在城市下穿工程中得到了广泛应用，此方向研究也较为深入。但是随着城市施工条件越来越复杂，箱涵入土施工过程中遇到的问题也更加复杂化，使得施工过程中面临诸多困难[10]。一方面，大断面的箱涵占比不断上升，施工难度更高；另一方面，受路线影响，箱涵与既有路线存在斜交情况，施工中结构受力更加复杂。为了保证此类大断面、斜交箱涵入土工程的顺利实施，其在施工过程中的力学行为仍然有待研究。

本文基于郑州紫荆山路下穿既有铁路线箱涵工程，探究箱涵在入土过程不同分段长度、不同入土阶段的结构力学特性，给出大断面、斜交箱涵的最佳分段长度，研究结果以期为实际工程的修建提供借鉴。

1 工程概况

郑州紫荆山路下穿既有铁路线箱涵工程地处商业及居住中心，建筑密集、交通频繁。区域内包括多条城市主要道路，既有铁路的线路走向对南北方向的主路交通造成了很大程度的阻塞，以至于许多车辆需要绕行规避阻塞，这又进一步加大了其它道路的交通压力，造成该范围交通系统任务繁重，并对该区域的发展带来了不利影响。因此，缓解该区域的交通问题极为迫切。

项目初步拟定采用下穿箱涵穿越既有铁路线连通南北交通(见图1)，设计箱涵横截面尺寸为29.2 m×12.7 m，箱涵进入土体方向与既有铁路线呈38°交角。需穿越的既有线路为7股运营铁路线，为保证铁路及运营列车安全，可施工时间仅为每次不超过2 h的行车间隙。项目工期紧张、施工难度大，工程规模在国内同类工程中也十分罕见，可参考资料和工程经验严重匮乏。因此，为了保障工程的顺利施工，拟通过数值模拟对箱涵架空顶进过程中的力学行为进行研究。

图1 箱涵工程位置示意

2 入土施工技术方案及模拟

2.1 箱涵入土技术方案

为保证所穿越既有铁路及运营列车的安全，拟采用入土箱涵法下穿既有铁路线。考虑入土长度较大，采用分段入土，管段较长时，在管段间设置中继间，并借助千斤顶逐段入土。相比于普通工法，该工法后背结构只提供最后一节管段所需顶力，已入土管段以后序管段为后背结构，依次有序入土。该工法具体步骤如图2所示。

图2 箱涵入土流程

2.2 箱涵入土施工数值模拟模型建立

箱涵横截面尺寸如图3所示。使用有限元软件MIDAS建立模型分别对不同进入土体阶段的箱涵受力及地层变形进行分析(见图4)。模型中x、y、z方向分别为箱涵横截面横向、箱涵纵向、竖向。土体采用实体单元，选用摩尔-库伦本构。箱涵采用板单元，使用弹性本构，具体材料参数见表1。此外，为研究箱涵管段分节的最优长度，分别针对18、26、36、55 m等4种长度管段建立不同模型。

图3 箱涵截面(单位： m)

图4 模型网格划分示意图

表1 土体计算参数表材料分类土层厚度/m弹性模量/MPa泊松比容重/(kN·m-3)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)杂填土1.289.00.3320.00.046.0粉土15.312.30.3419.113.122.1粉土27.512.610.3419.014.222.1粉砂6.616.40.3119.34.424.3中砂11.032.10.302010.025.3粉质黏土6.310.380.3219.421.18.9箱涵—32 0000.325——

3 数值模拟结果分析

3.1 结构变形分析

统计并绘制箱涵沉降的计算结果如图5、图6所示。图5为不同长度箱涵在各施工步序下的竖向最大沉降变化规律。箱涵最终完全进入土体阶段沉降最大，18 m箱涵为30.49 mm，55 m箱涵为39.1 mm。由Y平面的投影可知，管涵施工过程中最大沉降随着箱涵长度的增加而增加，箱涵长度位于18～26 m时，变化较快，之后变化趋势较为缓和。由X平面的投影可知，竖向沉降基本随施工步序线性增长。

图5 箱涵竖向最大沉降变化规律

箱涵竖向最大隆起的变化规律如图6所示。1/2涵身进入土体阶段隆起最大，18 m箱涵为15.3 mm，55 m箱涵为18.4 mm。由Y平面的投影可知，管涵施工过程中最大隆起随着箱涵长度的增加而增加，基本呈线性增长。由X平面的投影可知，施工对箱涵隆起的影响规律并不明显，基本表现为在1/2箱涵进入土体前，竖向沉降逐渐增大，1/2箱涵进入土体后，隆起的量值逐渐减小。总体来讲，各长度箱涵均能满足沉降要求[《城市桥梁工程施工与质量验收规范》规定箱涵顶进过程中其最大竖向沉降不超过150 mm(15 m≤L≤30 m)、300 mm(L>30 m)(L为单节箱涵长度)]。

图6 箱涵竖向最大隆起变化规律

受顶进角度的影响，本项目箱涵在顶进过程中会出现“半空顶状态”。图7为26 m箱涵1/2涵身进入土体阶段的竖向位移云图，结构的左侧表现为隆起，右侧表现为下沉。这种“半空顶状态”使得涵身结构受力不均衡，结构的位移变形也更加复杂。为了研究施工过程中结构的不均匀变形，对结构顶进前端A点以及结构尾端B点的位移进行了监测(见图8)。

图7 26 m箱涵1/2函身进入土体阶段的竖向位移云图

图8 不均匀变形监测点

图9为不同长度管段的A点随入土深度的位移变化。由图9a可知，随着入土深度增加，箱涵X向位移迅速减小后逐渐稳定。这是由于箱涵刚入土时，边墙受到周围土体挤压，随着入土深度增加，与顶板自重引起的挤压作用相互抵消。对于不同长度管段，A点X向位移变化规律基本相同，在数值上也较为接近，表明管段长度对结构水平位移影响不大。图9b中Y向位移随入土深度逐渐减小，这是由于箱涵入土顶力需要克服箱涵与周围土体的摩阻力，入土越深需要克服的摩阻力越大，挤压箱涵的力相应越小，Y向位移也越小。此外，随着管段长度增大，Y向位移变化幅度也会变大，18、55 m管段其前后位移差值分别为2、4.1 mm，差值较为明显，这表明管段长度对Y向位移有显著影响。图9c中刚入土时，A点Z向位移较大，这是由于箱涵入土后顶板立即受到上部荷载作用，随着入土深度增加，上部荷载趋于稳定，Z向位移也随之稳定。此外，不同长度管段Z向位移随入土深度变化规律基本相同，数值上存在较为明显的差别，管段越长相应的Z向位移越大。

图10为B点位移变化曲线图。对于B点而言，X向位移随入土深度逐渐减小，曲线斜率逐渐增加。这是由于B点位于结构后端，随着入土深度增加，B点受到周围土体的挤压作用越来越明显。随着管段长度增加，左右边墙均向外侧凸出，且两侧水平相对位移逐渐变大，这不利于顶进过程入土方向的控制，甚至影响箱涵的顶进就位。Y向位移随入土深度逐渐减小，变化幅度随箱涵长度逐渐增大，与A点Y向位移变化一致。但是，B点Y向位移在数值上始终大于A点，这是由千斤顶顶力直接作用于后端底板所致。B点Z向位移入土前已经出现沉降，入土后沉降迅速减小至隆起。随着入土加深，隆起增大到一定值后又逐渐减小。这是由于箱涵结构前端右侧先进入土体，并在上覆土体作用下出现沉降，而后端左侧被动翘起，随着入土深度增加，后段翘起在上覆土体的作用下逐渐减小。参考A点Z向位移，管段越长前后两端Z向位移差距越大，在施工过程中很容易出现顶进方向偏离或“叩首”等工程问题，危及施工安全，这再一次说明设计与施工中应着重考虑管段长度的影响。

图9 A点位移变化曲线

图10 B点位移变化曲线

3.2 箱涵内力分析

对不同长度箱涵在各施工阶段的受力进行统计如图11、图12所示。由图11可知，箱涵最大拉应力随着箱涵的长度增加而增加，基本呈线性关系。18 m箱涵最大拉应力为0.88 MPa，55 m为1.25 MPa。最大拉应力随施工步序逐渐增大，在1/2箱涵进入土体后逐渐稳定。由图12可知，最大压应力呈现出和拉应力相同的规律。箱涵最大压应力随着箱涵的长度增加而增加，基本呈线性关系。18m箱涵最大压应力为4.3 MPa，55 m为7.8MPa。最大压应力随施工步逐渐增大，在1/2箱涵进入土体后逐渐稳定。

因此，从管节长度方面而言，18～55 m管节受力均在材料的承受范围之内，但是随着长度增加，相应的最大应力量值会增加，结构材料的成本也会增加，此外对施工顶推设备也会有更高的要求，但其结构较为完整，防水及施工组织上会优于短节段的箱涵。从施工步序角度来看，箱涵1/2涵身进入土体前，应力的变化幅值较大，此阶段应当重点监测。

图11 箱涵最大拉应力变化规律

图12 箱涵最大压应力变化规律

4 结论

结合郑州市紫荆山路下穿越既有铁路线箱涵顶进工程，通过数值模拟研究了不同长度、不同入土阶段的箱涵受力变形特征，并得到如下结论：

1)管涵施工过程中沉降和隆起均随着箱涵长度的增加而增加。箱涵的竖向沉降随施工步序线性增长，隆起表现为在1/2箱涵进入土体前，竖向沉降逐渐增大；1/2箱涵进入土体后，隆起的量值逐渐减小。

2)受到顶进角度的影响，本项目箱涵在顶进过程中会出现“半空顶状态”。X向位移均随入土深度减小，但曲线斜率变化趋势相反。A、B两点Y向位移变化相同，由于千斤顶顶力直接作用的原因，B点位移在数值上较大。竖直方向上A点只产生沉降，B点先沉降后隆起，且结构越长A、B两端位移差值越大，这很容易造成顶进方向偏离或 “叩首”等工程问题，在设计时需合理选择箱涵长度，施工时要密切关注箱涵顶进角度。

3)从管节长度方面而言，18～55 m管节受力均在材料的承受范围之内，但随着长度增加，相应的最大应力量值会增加，结构材料的成本也会增加，此外对施工顶推设备也会有更高的要求，但其结构较为完整，防水及施工组织上会优于短节段的箱涵。从施工步角度来看，箱涵1/2涵身进入土体前，应力的变化幅值较大，此阶段应当重点监测。

4)管涵长度的选择需重点考虑“叩首”问题，此外，施工的监测重点需要放在箱涵1/2涵身进入土体前阶段。