淺析單側頂進框架橋涵栽頭原因及防糾措施

翟長青

國民經濟的高速發展和鐵路跨越式發展重大戰略的深入實施，對提高鐵路運輸能力和技術裝備水平提出了更高的要求，常見的公路鐵路平面交叉即平交道口已遠不能適應鐵路以人為本的安全理念和公路車流暢通的需要，近年來鐵路部門和地方政府已逐步對平交道口進行了立交改造，其中以限速行車直接頂進橋涵即單側頂入法施工為主。監理工作實踐中發現栽頭是橋涵頂進中比較普遍的問題，個別橋涵栽頭超過允許偏差，甚至造成永久缺陷。

1 栽頭發生過程及受力分析

1.1 橋涵頂進移動過程

橋涵頂進起動后沿滑板空頂，滑板一般設有仰坡，涵身先是沿滑板上升前移，當框架被頂出滑板約1/3后，箱身進入路基，滑板前端由于橋涵自重和鐵路活載共同作用使土體壓縮而開始斷裂，框架開始栽頭，框架重心離開滑板后，栽頭趨勢加快，框架完全離開滑板后，箱尾下沉，隨后框架在路基內頂進至就位。橋涵栽頭后如不及時分析趨勢或糾正，就位后可能造成標高不符合設計要求甚至影響使用。

1.2 受力分析

框架橋涵作為剛架結構體系，屬超靜定結構，頂進時結構由剛性滑板進入彈性地基就會引起栽頭，當結構前端入土，重心離開滑板后，按彈性地基反力的分布規律，結構前緣地基反力的集度值最大，因此引起地基壓縮沉降，導致結構前傾，此時滑板前緣作為力矩中心，構成了相反的兩種力矩(抬頭力矩和栽頭力矩)。頂進中結構受力包括頂進頂力、結構自重、線路(含加固)及行車活載、地基支持力、涵身摩阻力、船頭坡垂直及水平分力、刃角垂直及水平分力等，其中前三種力引起栽頭力矩，后四種力引起抬頭力矩，當抬頭力矩大于栽頭力矩，框架抬頭，否則，框架栽頭。隨著框架頂進前移，結構自重和線路及行車活載的力偶臂逐漸增大，構成的栽頭力矩影響也逐步增大，當相應增加的抬頭力矩不足以抵消這些影響時，栽頭逐漸嚴重。結構尾端離開滑板后，構成抬頭和栽頭力矩的基本因素沒有變化，力矩中心移至結構尾端，外力矩對結構的作用結果隨之變化。

2 栽頭的主要原因及防糾原則

2.1 引起栽頭的主要原因

1)橋涵地基的土質條件:不同的土質由于內摩擦角不同，其土壓力對橋涵周邊產生的摩阻力也不同，同時地基承載力的大小也影響框架頂進高程。黃土地區地基承載力較高，但由于各種原因，土壤含水率往往偏高和土質松軟，容易引起頂進栽頭。2)刃角的構造形式:頂進橋涵多采用在結構前端預制鋼筋混凝土刃角，該構造形式使結構重心前移，容易引起栽頭，特別是刃角進入線路下路基后，由于列車通過時的沖擊和振動會使栽頭因素加大。3)頂進開挖方式:頂進時按結構輪廓開挖可減小頂進阻力，但在土壤含水率較高的條件下，略微超挖頂進時地基受到擾動就可引起結構栽頭。

2.2 防糾原則

查明地基，認真預防，加強觀測，綜合分析，及早糾正。

3 防糾措施

3.1 方案中的技術措施

1)底板前端設置船頭坡:施工圖中一般對滑板仰坡都作了明確要求，對船頭坡設置一般不明確要求。“船頭坡”在土壓力的作用下沿斜面的垂直分力可起到上抬作用，以此增加結構的抬頭力矩，相應抵消栽頭力矩，船頭坡尺寸可沿底板前端底部設為水平長60 cm，垂直高2 cm。2)合理選擇刃角形式:刃角的主要作用是切土和防止路基坍塌，并能減小頂進阻力增大抬頭力矩。一般采用的懸臂式圬工刃角由于刃角自重使橋涵重心前移而增大栽頭力矩，如涵身長度較短則栽頭影響尤為敏感，而且頂進就位后刃角還需補齊接長，設計一般采取橋涵尾端單側設混凝土平衡重兼作擋墻解決這種矛盾，有一定的效果但不經濟。近年來實施的平改立黃土地區路基直立性較好，如地基條件較好可取消刃角和平衡重，以降低栽頭影響和節約投資，如路基比較密實而頂力不足，也可選取自重較小的鋼刃角消除栽頭影響和減小圬工量。3)適當加大滑板仰坡:一般設計上取滑板仰坡為2‰，如施工中發現地基含水率較高，可將仰坡適當加大至4‰左右，對抵消頂進栽頭能起到一定的作用。4)滑板設橫向沉降縫:頂進時橋涵重心離開滑板而使滑板前端成為力矩中心，隨著頂進行程增大而使滑板拉斷，如在滑板前端1/3～1/4處橫向設置沉降縫，使頂進到一定位置時前端滑板整體下沉，引起框架整體下沉而減小框架前端栽頭。

3.2 施工中的保證措施

1)增設過渡段:如地基含水率較高，土質松軟，可在滑板前端換填30 cm～50 cm的砂夾石等作為過渡段以增強基底承載力，達到防止栽頭的目的。2)基底適當欠挖:刃角和底板正面的開挖對結構頂進高程影響最大，因此基底適當欠挖可明顯糾正栽頭，即在基底面以下略有欠挖或按結構輪廓開挖進行吃土頂進，通過增大船頭坡上的被動土壓力使結構逐步抬頭而糾正栽頭，這種辦法在有船頭坡時非常有效。兩側刃角部位適當欠挖也可起到相應作用。如果頂力有較大富余而栽頭量較大時，也可采取全斷面不挖強行頂進來糾正栽頭。3)強行抬高結構前端:如果頂進時栽頭嚴重糾正困難，如孔徑較小且涵頂無覆土時，可在兩側邊墻下和前端底板中部布置千斤頂強行抬高結構，頂起后墊入混凝土預制塊或混凝土枕并形成仰坡頂進糾正栽頭。4)“接長”滑板:頂進中因土質松軟連續栽頭時，可在挖土時基底適量超挖30 cm左右，鋪設15 cm碎石墊層并用砂找平做5‰仰坡后，鋪設混凝土預制塊或灌注高強快硬混凝土“接長”滑板以抬頭頂進來糾正栽頭。5)增加配重:同設刃角相反，可在結構尾端增加配重使結構重心后移改變箱身前端土壤受力狀態糾正栽頭，配重可使用線路加固時換下的混凝土枕或其他材料堆碼，既可防止栽頭，還能改善現場材料堆放條件，對延緩栽頭趨勢有一定的積極作用，注意糾正達標后卸載要逐步進行，防止抬頭。6)改善線路加固體系:傳統的橫抬梁法加縱向扣軌加固線路體系費時費力，自重較大，且對列車速度限制較大，對栽頭力矩影響不利。近年來列車慢行45 km/h條件下選用的便梁加固體系就比較安全、便捷、節約，對減小線路和行車活載引起的栽頭力矩作用明顯。7)固化基底:基底含水率較高土質較軟時，可采取固化基底措施處理，如換填灰土、砂夾卵石、打短木樁、石灰樁等提高基底承載力以防止栽頭。

3.3 就位后的補救措施

1)引道順坡:橋涵就位后如能滿足凈空要求，一般不對橋涵栽頭進行處理，可采取調整引道坡度的方法，將引道和框架內道路順接處理。2)千斤頂起抬:橋涵就位后栽頭不能滿足設計要求和使用功能時，如涵頂無覆土，可在底板前端均布千斤頂起抬，在結構前端打生石灰樁，通過石灰樁消解膨脹固化地基并抬高框架標高。

4 防糾注意事項

1)施工前監理和施工單位應認真核對地質資料，探明地基。2)頂進橋涵盡量避開雨季，施工時必須做好臨時防排水設施。3)充分預想，監理應審查施工單位預先擬訂的防糾措施和防糾材料。4)督促施工單位認真制定施工方案，細化施工組織，精心組織施工，避免因違反操作工藝、施工規范人為造成框架栽頭。5)設立觀測，專人及時對頂進中滑板和框架結構變化情況及框架的栽、抬頭情況進行觀測，認真記錄、分析觀測數據，對可能發展的栽頭趨勢及早判斷預防。6)監理對栽頭防糾措施必須組織專項審查，應根據現場實際情況結合以往經驗，綜合、科學、慎重選用防糾方案，個別措施如生石灰樁、布頂強頂等必須預先進行檢算，切忌矯枉過正，引起抬頭超限或結構受損。7)頂進中防糾措施宜提早實施，盡量避免就位后栽頭超標，選用糾正措施時必須進行優化比選，避免框架結構受損或基底不密實引起框架就位后不均勻沉降造成隱患。

5 結語

單側頂進框架橋涵栽頭現象是平改立施工中具有普遍性而又不易處理的問題，影響了頂進質量甚至造成永久缺陷，栽頭防糾必須認真研究其發生的原因及規律，正確把握防糾原則，充分借鑒成功經驗，科學選用糾偏措施，保證橋涵頂進就位后滿足設計要求、驗收標準和使用功能。

[1] 鐵道部第四勘測設計院.橋涵頂進設計與施工[M].北京:中國鐵道出版社，1983.