大跨度多孔箱涵頂進時底板內力研究

付琪生

（中鐵二十四局集團有限公司北京分公司，北京102600）

1 引言

隨著我國交通流量的日益增長，道路和鐵路作為主要的運輸線路，道路與鐵路的平交道口嚴重阻礙了城市交通的發展。針對這種情況，采用頂進的方法將預制箱涵推進鐵路橋下，可不影響上部鐵路線路的正常運行，目前這種施工方法已得到了廣泛應用。大跨度多孔箱涵在頂進過程容易發生軸線偏移等情況，嚴重影響工程質量與施工進度，因此，在施工中應根據箱涵姿態監控數據，采取及時、有效的糾偏措施，將軸線偏差控制在合理范圍內[1～3]。

要及時根據實時監測數據調整頂力提高糾偏策略的科學性與有效性，了解箱涵在頂進過程中的受力情況必不可少。由于千斤頂頂力施加于箱涵底板，因此，研究箱涵頂進過程底板內力的變化規律是實現智能糾偏的關鍵。

2 工程概況

大禮路位于北京新機場北部，西起大廣高速，東至京臺高速，全長約15.1km，是東西向重要交道干道及管線主廊道。大禮路下穿京九鐵路工程，作為大興新機場外部交通及市政管線（水、電、氣、信等）保障的主要通道，為新機場臨空經濟區打造國際化、高端化、服務化的區域定位提供了基本保證。

該工程包括綜合管廊框架橋、雨水方溝框架橋和市政交通框架橋的施工，其中，綜合管廊框架橋采用一孔框架結構，全長29.74m，全寬21.70m（框架橋正向尺寸），總高10.00m，凈跨19.50m，與京九鐵路相交里程K42+313.79；市政交通框架橋采用五孔連體式框架結構，全長30.24m，全寬57.00m，結構總高度為10.00m，凈跨為8.50m+12.50m+9.00m+12.50m+8.50m，與京九鐵路相交里程K42+273.75；雨水方溝框架橋采用一孔框架結構，全長29.74m，全寬15.60m（框架橋正向尺寸），總高度為10.00m，凈跨13.60m，與京九鐵路相交里程K42+236.78。單孔綜合管廊框架橋、單孔雨水方溝框架橋和五孔市政交通框架橋與京九鐵路上行線和下行線的交角均為84.4°，箱涵頂板頂面距最低鋼軌地面的距離分別為1.10m、0.80m 和0.94m。

3 箱涵頂進頂力現場情況

大禮路工程箱涵頂進自5 月18 日起至5 月27 日結束，歷時9d，施工時，3 座框架橋同時進行頂進作業，總計頂鎬57次，累計頂進44m，頂進過程中第9 鎬箱涵脫離滑板，第36鎬箱涵前端進入線路。箱涵在脫離滑板前，9 個鎬次內頂力由3 000t 增加至5 500t，之后箱涵脫離滑板，在進入線路前，頂力逐漸增大，在27 個鎬次內頂力由5 500t 增加至7 700t，并趨于穩定，直至行將結束。

4 箱涵頂進底板鋼筋內力分析

4.1 箱涵底板鋼筋內力時程曲線分析

大禮路測試共安裝振弦式鋼筋測力計37 組74 個，分別安裝于箱涵底板上下兩層鋼筋內，導線總長1 600m，上層測點編號首位為0，下層為1。

本節選取大禮路工程箱涵底板上部分測點進行受力分析。

先選取145 號測點時程曲線用以反映頂進側箱涵底板中部鋼筋內力分布，經過分析，頂進側底板中部鋼筋在每鎬頂推時均受壓力作用，頂力記錄與鋼筋內力記錄在時間上有很強的相關性，說明監測設備工作狀態良好，數據可靠。

再選取011 號、051 號、061 號測點時程曲線用以反映箱涵底板邊緣沿頂進方向的鋼筋內力分布，其時程曲線如圖1所示。

圖1 上述測點鋼筋內力變化時程曲線對比（17～23 鎬）

從圖1 可以看出，箱涵底板側邊鋼筋內力與頂力在時間上有很強的相關性，且11 號測點鋼筋內力最大，其次是51 號測點鋼筋內力，61 號測點鋼筋內力最小，即靠近頂進側的鋼筋內力較大，沿頂進方向逐漸減小，符合預計的應力分布規律，數據可靠。

4.2 箱涵頂進時各鎬鋼筋應力分布

將箱涵頂進劃分為推出滑板前、脫離滑板以及進入線路3個過程，并分別在3 個階段內選取典型鎬次，根據所采集的數據，可分析得出每鎬的鋼筋應力分布情況，具體為：相較于箱涵離開滑板以及進入線路的階段，箱涵在脫離滑板前（9 鎬前）鋼筋應力更小，最大應力約在15MPa，是后者的70%～80%，這與總頂力大小以及滑板的摩阻力系數更小有關。

進一步截取靠近頂進側一排測點的相應鎬次應力變化曲線，如圖2 所示。可以看到，箱涵中部測點112 號、114 號、115號測點應力相較箱涵兩側測點111 號與116 號鋼筋應力變化較大，而113 號測點因為前方受三角頂塊的影響應力變化相對較小。結合鋼筋應力變化分布圖還可以看到，頂進端左側115 號測點鋼筋應力變化普遍比112 號大，個別鎬次差異明顯，箱涵底板鋼筋存在一定的受力不均的現象。

圖2 大禮路工程部分鎬次頂進端鋼筋應力比較

5 箱涵頂進時底板內力分析

5.1 箱涵底板沿頂進方向斷面平均內力分布規律

假設箱涵底板的混凝土應變沿底板高度呈線性變化，且鋼筋附近混凝土等應變。根據上節箱涵底板鋼筋內力分布，在假設的前提下，可得到箱涵底板結構應變。

參考GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（2015 年版）[4]附錄C 中鋼筋、混凝土本構關系，對箱涵底板結構應力分布進行計算，并沿箱涵頂進方向積分，可以得出各鎬沿頂進方向的斷面內力分布根據其與頂進側面距離遠近逐漸變小，直至箱涵遠端接近至0，前后部變化相對一致。

5.2 箱涵底板沿頂進方向斷面內力區域分布規律

依照上節計算方法，將大禮路工程的五孔箱涵的六面立墻面向頂進方向其兩側墻體分別記作左一至右一，如圖3 所示。

圖3 箱涵立墻編號示意

提取相應鎬次的立墻底測點處的底板內力進行分析，可以得到，在六面立墻中，兩側邊墻（左一、右一）附近的底板結構內力相較于左二、右二處，在靠近頂進端普遍更小，左三、右三次之，表明對于箱涵底板頂進側，更靠近左右2 組千斤頂的底板中部區域所受內力最大，2 組千斤頂受力交界區域次之，兩側內力最小，存在一定的受力不均現象。而對于遠離頂進側，大致自箱涵中部開始，各個立墻附近的底板所受內力大小差異并不明顯。表明由千斤頂頂力所引起的底板內力不均主要作用范圍位于箱涵涵體的前1/3～1/2。

再提取箱涵涵體前1/4 處左二孔洞與右二孔洞附近各鎬箱涵底板內力分析后，發現除個別鎬次較為接近以外，箱涵左側底板在頂進時的內力變化始終大于右側，由頂力產生的混凝土最大壓應力變化為3.13MPa，平均為1.84MPa；右側最大為2.00MPa，平均為1.19MPa。箱涵在頂進中底板存在受力不均的現象，但最大變化幅值仍遠小于混凝土的抗壓極限，頂進過程不會對涵體結構造成破壞。

6 底板內力對箱涵頂進姿態的影響研究

進一步結合頂力分析，相鄰鎬次間較大的頂力變化容易導致箱涵姿態控制失穩，繼而需要進行箱涵糾偏。部分鎬次箱涵底板存在左右應力不均的現象，同樣在一定程度上影響了箱涵姿態控制。因此針對類似工程，應結合箱涵姿態、糾偏策略等因素進行頂力合理配置，將左右頂力保持相對均衡，避免發生較大的頂力波動以及頂力浪費。

7 結語

在大跨度箱涵頂進時，可利用振弦式鋼筋測力計對箱涵底板鋼筋內力進行實時監測，為實現箱涵智能頂進控制提供依據與指導。同時，經過對大禮路工程箱涵頂近時底板的內力分析可以發現，涵體所受應力主要集中在涵體前側1/3～1/2 區域內，中部應力高于兩側應力，部分鎬次存在左右應力分布不均的現象。而在在箱涵頂進過程中，相鄰鎬次間較大的頂力變化容易導致箱涵姿態控制失穩，繼而需要進行箱涵糾偏。同時部分鎬次箱涵底板存在左右應力不均的現象，同樣在一定程度上影響了箱涵姿態控制。因此針對類似工程，應結合箱涵姿態、糾偏策略等因素進行頂力合理配置，將左右頂力保持相對均衡，避免發生較大的頂力波動以及頂力浪費。