土模法在海外箱梁施工中的應用

孫宏博

中交一航局第二工程有限公司

1 背景及方案比選

本項目跨線橋全長約50m，設計跨徑為25+25m，橫截面頂部寬15.3m，擴大基礎加樁基礎，重力式橋臺，上部結構為單箱三室預應力混凝土箱梁結構，箱梁上翼緣寬2m，箱梁高1.5 m。

本橋位于一荒原洼地內，原地面起伏較大，土質復雜，多為石灰巖，施工時不需考慮通車，附近有正在開采的取土場。

基于項目監理對腳手架工藝及安全方面的要求嚴格，且地面起伏不利于支設腳手架，而項目附近有大量免費土石方可以利用，綜合考慮并做成本對比后，決定采用土模法施工（綜合直接費較滿堂支架小），即利用土石方填筑代替滿堂腳手架方案。

2 土模設計

2.1 設計說明及依據

2.1.1 計算說明

本計算包括土模承載力計算、土的抗剪計算和土的沉降計算。

2.1.2 計算依據

《地基處理手冊》。

《土力學地基基礎》。

JTGD 63—2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》。

JGJ 7—2012《建筑地基處理技術規范》。

《north-south highway施工圖設計-第四合同段》。

2.1.3 取值參數

混凝土重度：26kN/m3。

根據JGJ 7—2012《建筑地基處理技術規范》，條文說明4.2.5表6 中對墊層承載力的取值范圍，土加石承載力特征值fak為150kPa～200kPa。根據現場情況，取土加石承載力特征值下限，即：

土模回填材料為碎石土（碎石含量超過45%），分層壓實，總體壓實度不小于93%，回填總高度約6m。

根據JGJ 7—2012《建筑地基處理技術規范》條文說明4.2.5表7中對墊層模量的取值范圍，根據現場情況，取碎石土，即：

2.2 力學驗算

應至少考慮地基承載力、地基沉降以及土的剪切破壞三個方面。

2.2.1 承載力驗算

（1）預應力梁自重。自重：

（2）預應力梁產生的壓力：

滿足要求。

2.2.2 沉降計算

（1）沉降計算公式：

取單一壓縮模型，根據土力學公式，壓縮導致的土層沉降：由公式：

可以推導出：

P——作用力，kPa；

E——孔隙比；

A——壓縮系數。

②沉降計算：

因箱梁直接作用在地面，故：

沉降計算深度：根據《地勘報告》，原地面以下為中風化巖石（石灰巖為主），故沉降計算深度不考慮原地面以下沉降，取回填總高度H=6m。

因原土體自然密實，且fa=28.6kPa 相對較小，基本不會對此部分的土體產生沉降影響，僅需對后填筑土體進行沉降分析。

帶入公式可得：

最終土模（新填筑路基）沉降量為5.72mm，根據經驗，土的沉降量較小，具體沉降參數根據現場實際預壓試驗得出，此處僅從理論上分析，結論為沉降量在可控范圍內，可以通過預先調節土模標高消除其影響。

2.2.3 土的剪切破壞

由計算得知：

通過現場取樣，項目部試驗室試驗得出抗剪強度指標c=15kPa，內摩擦角Φ=20°。

根據摩爾-庫倫破壞準則，有以下計算公式：

代入數據后得出：

結論為土體處于彈性平衡狀態，即不會發生剪切破壞。（經驗參數的選取均取較不利值，保證了理論驗算的安全系數）

3 土模施工

3.1 土方填筑

與普通路基填筑方法一致，分層填筑松鋪厚度控制需在40 cm 以內，并采用18t 以上振動壓路機碾壓4 遍以上，保證壓實度控制在93%以上，墩柱、橋臺等結構物附近的壓實采用振動平板夯或中小型振動壓路機，以保證壓實度。土模的總體斷面布置如圖1所示。

圖1 土模總體斷面圖

3.2 排水系統

根據施工總計劃，此橋梁上部結構施工時正值當地雨季，土模施工遇雨季則排水系統尤為需要尤其關注。土模頂面積水設計為由中間向兩側流動，通過擋水坎匯聚至急流槽口，由急流槽引流至坡腳外的自然溝渠中，以防止雨水浸泡土模坡腳，造成安全隱患。急流槽根據匯水面積和降雨強度計算，布置間距不大于15m。

此處的急流槽為臨時排水結構，采用M7.5標號砂漿、30MPa以上片塊石等簡易砌筑，按照當地常規做法，急流槽為矩形，過水平均寬度1m，過水深度0.3m。

3.3 底模施工

土模頂面寬度20m，其中中間10.7m為“底模精平硬化區域A”，為箱梁低模下承層；兩側向外各2.3m 為“側模投影硬化區域B”，用于承載箱梁側模支架；最外側為“施工加寬平臺C”，根據以往經驗寬度為1m，用于工人施工作業安全空間，以及側模斜撐的生根加固，且用于縱向排水。其中，A 區域采用C30以上混凝土，B 區域采用C25 以上混凝土，，C 區域不必硬化，頂面采用2-5cm粗砂或碎石，排水區域使用砂漿處理頂面。

圖2 底模整體俯視圖

A 區域硬化要求誤差1mm 以內。具體施工方法：土模填筑至箱梁底標高下0.5m后，改用中細顆粒填料且伴有粘性土（碎石最大粒徑不宜超過5cm，強度保證20MPa 以上），填筑最上一層至箱梁設計底標高下11.5cm，整平壓實，利用木枋擺放，網格長寬取決于竹膠板尺寸，逐根調整木枋頂標高至設計梁底標高下1.5cm，隨調整標高同時將木枋互相固定，標高調整完成一遍后逐根復核。

木枋固定后，澆筑混凝土于方格中，澆筑標高控制在±1mm誤差范圍內。混凝土強度達到50%后進行低模施工，低模采用竹膠板加防水膠條的形式，拼接成整體。

3.4 預壓

常規預壓有三個作用：①消除支架系統間隙等的沉降量；②得出支架系統的彈性形變系數；③檢驗支架系統的安全性。土模施工對于第①項可以忽略，而需要考慮土的彈性形變參數、土的穩定性（此處為土的局部剪切破壞）。因土模施工的填料為同一材質，土具有各向同性，擬選取局部區域預壓（10m×20m），得出參數后即可統一使用。

具體預壓方法：按箱梁自重的120%進行預壓。分四級加載，取箱梁自重的0.3、0.6、0.9、1.2倍數，上部結構根據設計計算得出總重約為1440t，則均布荷載為2.69t/m2，預壓面積（10m×20m）對應的自重約為538t，四級加載依次為162t、323t、538t、646t。

觀測記錄表格式如表1。

表1 預壓觀測數據表

正式加載預壓前對各測點進行測量，記錄高程H0；進行第一階段加載，記錄高程H1；依次進行加載，測得H2、H3、H4。第4次加載沉降穩定后，持續24小時后開始卸載。卸載過程與加載過程鏡像相反，記錄最終高程H0’。

注意事項：（1）每次觀測所用的儀器、觀測線路、人員相對固定，觀測環境、條件要基本相同；（2）觀測時間宜在早晨7點～8點之間，盡量避免在高溫、強光、大風等情況下觀測。

根據記錄表中的數據，計算出土模彈性沉降，參與預拱度計算。

預拱度計算公式為：

式中：

f1——地基彈性變形；

f2——設計預拱度。

總結實際預壓情況，土的彈性變形量平均約2.10mm，最大點為2.35mm，較理論計算值小；預壓區域無肉眼可見的局部剪切破壞現象，與理論計算相印證。

4 問題探討

4.1 土的沉降量問題

土模作為箱梁的承重結構，沉降值不能過大，但計算中采用的參數多為經驗系數，無法準確計算沉降值。且新填土體有工內沉降，須盡量縮短上部結構施工時間，將此因素的影響降到最低。

預壓試驗能充分展示土的沉降問題，因此在預壓試驗中要嚴格控制每一個環節，以確保得到的數據準確可靠，為施工組織提供直接參考。

4.2 雨季對土模施工的影響

土模施工的主要工作為土體填筑，項目當地降雨多，對填筑質量能產生一定影響。雨季填筑注意要盡量使用透水性材料，如開山碎石等，這樣既能壓縮施工土模的施工工期，保證壓實度等施工質量，又能在箱梁施工的過程中將降雨對土模的影響降到最小。

5 結語

對于下方在施工期間不需要通行、下方原地貌起伏較大、凈高較小的橋梁上部結構，在附近有大型土石方設備、土石方料源充足的情況下，采用土模法代替滿堂腳手架法施工上部結構，對施工成本及施工進度均有較大優勢，施工前應充分取得監理和業主對方案的認可，本項目最終順利完成，此工藝在海外某些國家可以借鑒采用。