南疆吐庫二線K434+280 1—12m三線箱型橋頂進法施工中后背墻的設計與檢算

新疆烏魯木齊城市軌道集團有限公司 830026

摘要：對南疆吐庫二線S4標K434+280 1-12m三線箱型橋的后背墻進行設計與檢算，為今后類似工程的設計、施工提供依據。

關鍵詞：箱型橋；頂進；后背墻；設計；檢算

1、引言

南疆吐庫二線S4標K434+280 1-12m既有橋為1孔12m梁式橋，原設計為在原位拆除既有橋梁，修建1-12m三線箱型橋，原設計分兩步建成，即先施工Ⅰ線和牽出線下箱體，具備轉線條件時，既有線轉線至Ⅰ線運營后再施工Ⅱ線箱體。由于該工點位于塔什店至云崖區間，若采用新建二線開通后再轉線施工方案，不能滿足吐庫二線工期要求；同時該工點平面位于JD367曲線間，平面線形不滿足設置施工便線標準，無法采用施工便線臨時運營過渡方案組織施工。因此，必須采用頂進法來施工。

2、工程概況

本工程位于塔什店車站-云崖車站區間，此橋為立交兼排水、排洪而設，與線路正交。立交橋設計為鋼筋混凝土框架結構，其規模為：結構凈寬12 m，內部凈高6m，長度13.9 m。箱身采用C50鋼筋混凝土現場預制，頂進法施工，采用D24型便梁防護加固既有線，便梁基礎采用4根直徑1.5 m鋼筋混凝土挖孔樁。箱體在鋼筋混凝土滑板上預制，滑板采用寬14.5m，長15.9m，厚35cm，每隔1.5m設一道50cm×50cm地錨梁一道，并設有鋼筋混凝土后背梁，后背梁與滑板同時澆筑。

軌面高程1056.67 m；路基頂部高程1056.42 m，底部高程1049.09 m，頂寬8.6 m，坡度1：1.5；自然地面高程1049.09m，地下水位高程1046.19 m。土層分布為：第一層耕植土，層厚O.3 m；第二層細砂，層厚2.2 m，重度2.2t/m3，內摩擦角30°；第三層細圓礫土，層厚9.8m，重度2.2t/m3，內摩擦角30.5°。

特點與難點：立交橋位置的線路兩側地勢低洼，自然條件差，無天然后背墻，需要人工設置。

3、后背墻設計

3.1頂力計算

被頂進的箱體在運行過程中要受到4個阻力作用；其一，箱頂面摩阻力；其二，箱底面的摩阻力；其三，箱體兩側的摩阻力；其四，箱體刃腳正面阻力。本案由于有D24型便梁防護，便梁兩端又有板梁加固，可以采取先導通路基，再邊局部大開挖、邊頂進的方法進行頂進作業，所以在計算阻力時僅考慮箱底面的摩阻力即可。箱體在未入土之前，箱體在滑板上滑行，作用力的關系屬系統內部受力，后背墻受力為0；當箱體一旦入土，后背墻就開始受力，隨著頂程的增加，受力將逐漸增大，至箱體脫離滑板全部進入土體時，后背墻的總受力將增至最大Pk，此時箱體的摩阻力為P，Pk和P與滑板自重之間的受力關系如圖1所示，

各受力大小計算如下所述。

箱體自重N= N1+ N2=1293+65.65=1358.65（t）

其中：查工程數量表得箱身混凝土N1=538.8×2.4=1293（t）

查工程數量表得箱身鋼筋N2=65651kg

P=K·N·f=1.2×1358.65×0.8=1304.3（t）

式中：K一安全系數，取1.2；

f一箱體底板與基底土的摩阻系數，取0.6～0.8。

滑板自重G的計算：

G= G1 + G2= 280.66（t）

滑板混凝土G1=14.5×15.9×0.35×2.4=193.66（t）

地錨梁混凝土G2=10×0.5×0.5×14.5×2.4=87（t）

后背抗力Pk=總推力一滑板摩阻力=P—G.f

f為摩阻系數，取0.6，

則Pk==1135.9（t）。

所以，1 m單位長的后背墻上的抗力Pk值為

Pk=1135.9/14.5=78.33（t）（14.5 m為后背梁長）

3.2后背墻計算

后背位于工作坑后部，是頂進施工時千斤頂的支撐面，承受頂進時的水平反力。后背必須具有一定的剛度，壓縮變形盡量小；具有足夠的強度和穩定性，不致因頂力大而坍塌。因此，必須做到安全可靠、經濟合理。

后背結構設計是在最大頂力P確定后，其結構形式及尺寸主要取決于箱體的大小或后背土體的被動土壓力。設計計算時，除可利用既有構筑物作為后背抗力外，一般都以后背土體的被動土壓力為箱體頂進時的抗力。根據后背承受頂力的范圍：每米后背所需承受的最大頂力為：F=P/L（Kn/m），被動土壓力系數：Kp=tg2（45+φ/2），根據被動土壓力計算式：（朗金土壓力理論）：Ep=rh2Kp/2+2ch/Kp求得后背高度h，從而擬定后背截面，本例中為無粘性土，c=0，即Ep=rh2Kp/2.

橋涵在頂進過程中，主要解決后背墻的抗頂力，使橋涵在頂進過程中，后背墻有足夠的強度及抗傾覆力，保證橋涵頂進的順利進行。

橋涵在頂進過程中示意簡圖如圖2

本工程：后背墻寬14米，后背墻后填土為無粘性土，施加給后背墻瞬時最大頂力按1358.65t計，滑板與橋涵之間涂抹滑石粉或石蠟，滑板下部設有地錨梁，間距1.5米，以增加滑板與地基土之間的摩擦。

我們來分析后背墻的受力情況（如圖3）

圖中通過試算初步設墻厚a=5m，φ=10°，墻高c=3m，d=3m，e=1m；

圖中可以看出：要想使橋涵順利頂進，就要保證頂力F產生的傾覆力小于后背墻及主動土壓力產生的抗傾覆力。

按每米考慮：F產生的傾覆力：MF =13586.5/14=970.46kN.m，

后背墻自重產生的抗傾覆力：MG =5.25*3*24*5.5/2=1039.5kN.m其中24kN/M3為后背墻容重

后背墻主動土壓力產生的抗傾覆力：根據實際，取填土內摩擦角為30°，并取土壓力系數為0.5，

則有：被動土壓力P=1/2*22*32*0.5=45kN，其中22kN/M3為填土容重。

抗傾覆力MP = =45*1=45kN.M

可以看出：被動土壓力產生的抗傾覆力較后背墻產生的抗傾覆力要小得多。

總傾覆力M= MF + MP =1039.5+45=1084kN.m> MF =970.46kN.m

可以滿足要求。

需要說明的是：在頂進過程中，滑板在與后背墻連接處（圖中B點）的拉力也會產生抗傾覆作用。

下面，我們再分析一下滑板在頂進過程中的受力情況：

橋涵在頂進過程中，全部頂力由橋涵與滑板之間的摩擦力產生，而這個摩擦力將傳至滑板與地面接觸面和滑板與后背墻的連接點上，也就是說，橋涵與滑板之間的摩擦力F涵=滑板與地面接觸面之間的摩擦力F滑+滑板與后背墻連接點B的拉力F拉，所以，在施工中，要采取措施，增大F滑的值，如滑板底部設一些地錨梁，甚至可以做一些樁，這樣，滑板與后背墻連接點B的拉力F拉就會小些。

3.3施工的一些技術措施：

（1）由于后背墻承受頂力點承受的頂力較大，故再施工中可作些鋼板，避免后背墻由于頂力集中而產生局部壓壞的現象；

（2）由于后背墻主要由本身自重來平衡頂力產生的傾覆力，故后背墻的施工從節約成本考慮，可以采用毛石砼（即砼中摻25%的毛石），且砼的標號不宜太高；

（3）為增強滑板與底部土壤之間的摩擦力，滑板底部設地錨梁，且保證滑板底部的地基有足夠的強度；

（4）滑板與后背墻連接點B處要有一定的強度，由B點深入后背墻的鋼筋長度不低于鋼筋直徑的45倍。

（5） 為減輕頂進時對后背的壓力，可將滑板與后背連接，即用后背梁（也稱地梁）來連接，這樣可增加后背的抗力，尤其是當滑板用舊鋼軌或設計成鋼筋混凝土結構時，滑板可承受較大之拉力。在后背抗力不足時，可在滑板上堆土壓重，使地梁上的頂力除由后背抵抗外，一部分由滑板上堆土所產生的摩阻力來抵抗。

參考文獻：

江正榮《建筑地基與基礎施工手冊》（第二版），中國建筑工業出版社，2005.6；

湯康民.《基礎工程》.西南交通大學出版社.1990

劉成宇.《土力學》.中國鐵道出版社.2004.北京

作者簡介：柴江明，新疆烏魯木齊城市軌道集團有限公司，高級工程師，1995年畢業于長沙鐵道學院鐵道工程專業，