頂進框架橋沉井后背墻設計與施工

龔宏華

(南鐵天河建設股份有限公司，南昌330002)

在框架橋頂進時，需要通過后背墻來提供千斤頂反力。后背墻的作用是至關重要的，如果后背墻制作不合理，很容易導致后背墻被頂翻，不僅造成不必要的經濟損失，而且影響施工的進度。常用的后背墻形式:漿砌片石、鋼軌防護樁、人工挖孔樁、鋼筋混凝土墻等形式。本文結合洪都大橋濱江路BB匝道下穿京九鐵路框架橋工程，對其后背墻的設計與施工進行介紹。

1 工程簡介

南昌市洪都大橋濱江路BB匝道下穿京九鐵路框架橋工程，其車行道于京九下行線K1 438+982處下穿鐵路，并與京九下行線成82.37°相交，主框13 m×7.9 m，副框7.5 m×7.9 m，兩框架橋并排布置，邊墻設置5 cm沉降縫。兩框架正長均為27.03橫延米，均分為兩節，其中一節為14 m，另一節長為13 m。地質土層為填筑土，以砂性土為主，地下水位在地面以下6.5 m。本工程后背墻位置在原地面以下3.5 m處，外側是一條既有公路，后背墻施工場地有限。

2 框架橋后背墻制作方案比選

框架橋后背墻的制作方案需要根據現場地形、地貌情況及地質條件來確定。本工程擬定三種制作方案:①鋼筋混凝土后背墻;②鋼軌防護樁+片石做后背墻;③沉井后背墻。表1對三種制作方法進行了技術、經濟比較，從表1可以看出，在本工程中采用沉井做頂進后背為最優方案。

表1 后背墻制作方案比選

3 沉井后背墻穩定性檢算

沉井后背墻的結構尺寸需要根據地質條件和框架橋的最大頂力來確定，還需要對其進行穩定性檢算。本文中采用有限元軟件(FLAC3D)對后背墻進行數值模擬，初步擬定沉井后背墻尺寸(長×寬×高)為25 m×1.5 m×4.2 m，其中埋入土體以下的深度為2.7 m。

3.1 建立模型

整個模型尺寸:25 m×21.5 m×9.3 m。其中沉井后背墻的尺寸為25 m×1.5 m×4.2 m，分配梁的尺寸為25 m×0.5 m×0.5 m。整個模型劃分為52 600個六面體單元，共計57 528個節點(如圖1所示)。

3.2 材料物理力學參數(表2)

沉井后背及分配梁采用 C30混凝土，主筋采用HRB335鋼 φ25@200。

圖1 沉井后背墻模型

表2 材料物理力學參數

3.3 本構模型

計算中采用不同的本構模型模擬不同的材料，對砂土采用摩爾—庫倫模型(Mohr－Coulomb model)，沉井后背及分配梁是鋼筋混凝土材料，采用彈性模型(Elastic model)。

3.4 施加荷載(頂力)

由于在實際頂進過程中，頂力是逐漸增大的，即框架橋還在工作底板上時，頂力比較小，當框架橋完全脫離工作底板后，頂力達到最大。在數值模擬過程中，采用分級加載的辦法來模擬頂力逐漸增大的過程。

經計算作用于后背墻上的最大頂力為15 000 kN，每邊布置4個200 t油頂，按每個油頂截面尺寸0.5 m×0.5 m，則每邊的作用面積為2.5 m×0.5 m，故作用在分配梁上最大應力σxx為6 MPa(如圖2所示)。

圖2 沉井后背墻所受的最大頂力分布

分級加載順序:0→20%σxx(1.2 MPa)→50%σxx(3.0 MPa)→80%σxx(4.8 MPa)→100%σxx(6 MPa)。

3.5 計算結果

在油頂作用范圍內應力集中，最大應力達5.8 MPa，在1#部位后背墻位移變化較大，最大位移達到2.2 cm。主要是因為1#部位接近后背墻的端頭，后背墻受力相當于懸臂受力，所以變形最大。在2#部位位移變形相對要小很多，因為2#部位處在整個沉井后背的中部，相當于作用在彈性地基梁上，應力可以得到很大范圍的擴散。

為了更好的監測后背墻位移變化，設置了3個監測點(圖2)，在后背墻的不同部位:1#點布置在后背墻端部位置，2#點布置在后背墻中部，3#點布置在后背墻尾部。圖3顯示3個監控點位移變化曲線。

圖3 沉井后背墻三個監控點位移變化曲線

從圖3可以看到，1#點的位移變化最大，達到1.9 cm;3#點位移變化最小，只有1.6 cm。主要原因是1#點處于后背墻的端部，正好在油頂受力范圍內，故位移變形較大，而3#點距離油頂作用范圍較遠，所以位移變化較小。

根據分析結果，后背墻的配筋在油頂受力部位應加強配筋，在跨中部位縱向受拉筋應加強布置，此部位彎矩最大，混凝土容易拉裂。

根據計算結果可以看出，沉井后背墻的結構尺寸可以滿足施工要求，后背墻的應力及變形均在控制范圍之內。

4 沉井后背墻施工工藝

4.1 工藝流程

施工準備→測量放樣→分段預制沉井(4段)→安裝鐵板→沉井下沉→施工第二節沉井(每段二節)→灌筑片石混凝土→第二節沉井下沉……→分配梁施工→沉井后背墻制作完成。

4.2 沉井后背墻施工要點

1)預制沉井及沉井下沉。由于框架橋順鐵路方向全長為24 m，則后背墻的長度制作25 m。為了施工方便，避免不均勻沉降導致沉井開裂，故沉井分4段預制，每段沉井長6.0 m，高2.7 m。在兩節沉井之間還有30 cm空隙，采用安裝鐵板掛在其中一節沉井邊緣，隨沉井一起下沉，目的用于擋土，即為防止兩邊的砂土溜進空隙里面。人工在沉井里面挖土，采用卷揚機取土，如圖4所示。

圖4 沉井后背墻挖土下沉

2)沉井到位以后，再接起第二節沉井(25.0 m×1.5 m×1.5 m)，在沉井之間的空隙布上鋼筋網，并且把預留的鋼筋頭全部連接。

在沉井里面及兩節沉井之間的空隙全部灌滿混凝土，使4節沉井連成整體。并在油頂受力部位制作一條分配梁(25.0 m×0.5 m×0.5 m)，如圖5所示。

圖5 后背墻及頂進設備示意(單位:m)

5 沉井后背墻施工監控

為了更好地實時監控后背墻在頂進過程中的變形情況，在后背墻頂部設置3個監測點，在頂進過程中監控后背墻的變形情況。監控點分別設置在油頂受力部位及跨中部位，最大監測點變形曲線如圖6所示。

從變形監測點曲線變化情況可以看出，后背墻最大變形量為2.0 cm，此時框架橋完全脫離工作底板，受到的頂力最大。在框架橋頂進過程中，每頂進15～20 m，則需要打混凝土傳力柱，要耽擱3～5 d，然后再繼續頂進。由于混凝土傳力柱用鋼筋連到工作底板，并在混凝土傳力柱上面堆土，起到反壓作用，可以抵抗部分頂力，這樣后背墻的變形可以得到一定的抑制。通過對后背墻變形的監測，可以反饋到實際施工中，如果變形速率太大，可以采用增加一個中繼后背來抵抗頂力;如果后背墻的變形過大而沒有引起足夠的重視，勢必會導致后背墻被頂翻，造成不必要的經濟損失。

圖6 沉井后背墻變形—時間關系

實測結果跟數值模擬結果比較吻合，都是在后背墻的端部變形最大，但是數值模擬的結果較實測的要大，主要是因為數值模擬過程中沒有考慮隨著頂程的增加，頂鐵與地面的摩擦力可以抵消一部分頂力。

6 結論與建議

1)框架橋后背墻需要根據實際情況及場地的地質條件，來確定最優的后背墻制作方案。

2)沉井后背墻的穩定性直接影響到框架橋頂進的進度，通過優化結構尺寸及配筋，使其既經濟又可以滿足施工需要。對于大跨度框架橋的后背墻配筋不僅要考慮豎向主筋的受力，而且還要考慮縱向主筋的受力，在中部所受彎矩最大，縱向主筋需要加強布置。

3)在框架橋頂進過程中，隨時監控后背墻的變形情況，如果變形過大，可以采用澆筑混凝土傳力柱，并在上面堆土進行反壓，以免爆頂。如果頂程太長，可以考慮制作一個中繼后背，分擔主后背墻的頂力。

4)在砂性土中，地下水不豐富時，采用沉井后背墻作為頂進框架橋的后背，切實可行;同時從施工角度看，不受場地限制，而且施工方便。對相關工程有一定借鑒作用。

［1］馮生華，張孚珩.城市地道頂入法施工［M］.北京:中國建筑工業出版社，1982.

［2］郭鳳娟.頂進箱涵中后背設計［J］.鐵道標準設計，2003(2):35－36.

［3］梁紅燕.頂進式下穿鐵路框架橋設計［J］.鐵道建筑，2009(6):25－27.