自制鋼便橋在淺埋隧道下穿既有公路施工中的應(yīng)用

趙 亮

（云南交投公路建設(shè)第五工程有限公司，云南交投集團(tuán)公路建設(shè)有限公司，昆明 030004）

在隧道施工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到淺埋段下穿既有路的情況。有些既有路由于地勢(shì)陡峭而無(wú)法實(shí)施道路改移措施。施工過(guò)程中如有重載車輛從隧道上方既有路通過(guò)，就會(huì)存在嚴(yán)重的安全隱患，在施工中需要格外注意。針對(duì)該問(wèn)題已有學(xué)者從不同角度做出了研究。在穿越段施工對(duì)拱頂及路面影響力學(xué)機(jī)理研究方面，曹成勇等結(jié)合數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，對(duì)隧道下穿高速公路時(shí)的地表和隧道拱頂沉降、掌子面擠出位移、初期支護(hù)受力特征及二次襯砌應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行了分析總結(jié)，指出對(duì)掌子面進(jìn)行錨噴加固、把握好支護(hù)時(shí)機(jī)、優(yōu)化施工程序及時(shí)封閉隧道斷面和加大監(jiān)控測(cè)量頻率可有效控制地表沉降［1］；王鳳喜運(yùn)用有限元的方法通過(guò)設(shè)置不同的埋深對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征做出了分析，指出隨著埋深的增加，圍巖和初期支護(hù)的最大和最小主應(yīng)力逐漸增大，圍巖塑性區(qū)范圍逐漸增大而后趨于穩(wěn)定［2］。在研究不同開(kāi)挖工法對(duì)路面沉降和圍巖變形影響方面，賈蓬等應(yīng)用三維數(shù)值模擬方法分析比較了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁法、CD 法及CRD 法的優(yōu)缺點(diǎn)，為施工工法的選擇提供參考［3］；宋戰(zhàn)平等運(yùn)用數(shù)值分析軟件對(duì)比分析了不同開(kāi)挖工法時(shí)隧道圍巖變形特征及高速公路路面的沉降變形規(guī)律，表明當(dāng)隧道下穿既有高速公路時(shí)采用CRD 法開(kāi)挖施工時(shí)對(duì)拱頂和路面的沉降影響較?。?］。在控制穿越段拱頂和路面沉降變形施工措施研究方面，胡守云依據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況，結(jié)合具體工程案例把控制措施分為兩個(gè)大方面，即穿越施工前和穿越施工時(shí)，指出隧道穿越施工前需采取加固地層措施，如水平和垂直旋噴樁、超前大管棚等，隧道施工時(shí)應(yīng)采取合適的開(kāi)挖方法，有效控制了地表沉降［5］；雷亞峰等對(duì)隧道圍巖采取了優(yōu)化施工工法、加固掌子面及拱腳、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工管理確保施工質(zhì)量等一系列的隧道變形控制技術(shù)，控制效果明顯［6］。李建等針對(duì)某隧道現(xiàn)有施工方案無(wú)法使土體表面沉降得到有效控制的問(wèn)題，提出了減小開(kāi)挖面積、側(cè)導(dǎo)多臺(tái)階開(kāi)挖、預(yù)留核心土及時(shí)封閉成環(huán)及加強(qiáng)初期支護(hù)等施工整治措施，有效控制了拱頂和路面沉降［7］。綜合來(lái)看目前學(xué)者針對(duì)這種情況一般會(huì)加強(qiáng)本段隧道初期支護(hù)強(qiáng)度或改變開(kāi)挖工法嚴(yán)格控制變形，但在施工過(guò)程中尤其是立架工序，隧道掌子面屬于暴露階段，施工風(fēng)險(xiǎn)很高。隧道為24 h 不間斷施工，時(shí)不時(shí)會(huì)進(jìn)行封路也會(huì)造成道路交通堵塞，道路保通工作也比較繁重。最好采用一種一勞永逸的措施，既能保證隧道正常施工，又能保證道路正常通行。針對(duì)上述問(wèn)題，決定采用自制鋼便橋橫跨隧道開(kāi)挖斷面，徹底將重載車輛與路面隔離，避免車輛對(duì)路面沖擊引起隧道拱頂下沉甚至塌方，造成安全事故。施工后效果良好，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

墨江至臨滄高速大春田隧道出口段下穿長(zhǎng)安農(nóng)村公路，大春田隧道為分離式雙線隧道，圍巖級(jí)別Ⅴ級(jí)，左右幅長(zhǎng)度均為845 m，左幅起止里程為K210+475～K211+320，右幅起止里程為 K210+445～K211+290。隧道共涉及4 處下穿長(zhǎng)安路，分別為右K211+276、右K210+510、左K211+310、左K210+520，4 處隧道洞身均與長(zhǎng)安路正交，埋深為5～8 m。

2 工藝特點(diǎn)及流程

鋼便橋可將車輛與路面隔離，避免車輛輪胎直接沖壓隧道拱頂上方路面，保障路面車輛通暢行駛的同時(shí)能保證隧道施工安全，具有材料易采購(gòu)，加工工藝簡(jiǎn)單，并可以用于后續(xù)隧道仰拱施工或用于施工便道跨越溝渠，轉(zhuǎn)場(chǎng)方便，不需拆裝的特點(diǎn)。本工藝施工流程為：鋼便橋選型→便橋強(qiáng)度剛度計(jì)算→便橋加工制作→現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)→測(cè)量放樣→澆筑臺(tái)座→便橋安裝就位→正常通車→便橋拆除及轉(zhuǎn)場(chǎng)。

3 鋼便橋選型及驗(yàn)算

3.1 便橋選型

依據(jù)前期制定的施工方案，本雙線隧道開(kāi)挖方式為“三臺(tái)階七部開(kāi)挖法”，開(kāi)挖斷面橫向最大尺寸為12.8 m，位于中臺(tái)階位置處?？紤]便橋兩端需要與臺(tái)座搭接50 cm，故便橋長(zhǎng)度不小于15 m。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工具體情況擬采用便橋長(zhǎng)度為15.06 m，單幅寬1.15 m，兩幅便橋中間用1.20 m 寬鋼板連接，與每側(cè)主梁搭接5 cm，便橋橋面總寬度3.4 m。單幅采用兩根HW400 mm×400 mm 為主梁，長(zhǎng)度15.06 m，寬0.4 m，主梁間距0.75 m，兩根主梁中間采用I18 工字鋼進(jìn)行連接，工字鋼的間距為0.6 m，共計(jì)20 根。上面鋪設(shè)一層2 cm 厚鋼板，寬度為0.35 m，居中布置，緊貼I18 工字鋼頂面，兩側(cè)與主梁頂面進(jìn)行焊接連接。橋面鋪設(shè)一層Φ20 mm，長(zhǎng)度1.15 m 的螺紋鋼筋，間距20 cm。兩端上坡處鋼筋間距15 cm。臺(tái)座采用0.5 m×3.8 m×0.3 m（長(zhǎng)×寬×高）現(xiàn)澆C30 混凝土臺(tái)座。鋼便橋結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 鋼便橋結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 鋼便橋強(qiáng)度及剛度計(jì)算

3.2.1 計(jì)算荷載確定

隧道施工中所用的大型車輛有出渣車、挖掘機(jī)和混凝土罐車，各種車輛空載質(zhì)量分別為17、17、20 t?？紤]砂石料車滿載為26 m3，混凝土罐車滿載為8 m3，砂土密度為1.8～2.0 t/m3。按最大密度（2.0 t/m3）來(lái)計(jì)算，混凝土密度按2.5 t/m3來(lái)計(jì)算［8］，則

滿載狀態(tài)下砂石料車總質(zhì)量為G1=17+26×2=69 t。

滿載狀態(tài)下罐車總質(zhì)量為G2=17+8×2.5=37 t。

由上述計(jì)算可知，滿載狀態(tài)下砂石車質(zhì)量最大，即便橋設(shè)計(jì)必須滿足滿載砂石料車的行車要求。既有路通過(guò)的砂石料車為后八輪自卸卡車，軸距為3.5 m+1.3 m。滿載狀態(tài)下砂石料車總質(zhì)量為G1=17+26×2=69 t，單側(cè)車輪傳遞力K=G1×g/2=69×10/2=345 000 N。假設(shè)中輪及后輪車輪傳力K中及K后為K的45%，前車輪傳力K前為總傳力K的10%，則

此便橋?yàn)閮筛鵋W400×400 的H 型鋼，所以每根H 型鋼所承受的荷載為

考慮到砂石料車的行駛沖擊效應(yīng)，需要在原基礎(chǔ)上添加沖擊系數(shù)1.25［9］。則此時(shí)便橋荷載為

前輪位置每根H 型鋼所施加的荷載：F前=F1×1.25=17 250×1.25=21 562 N。

中輪位置每根H 型鋼所施加的荷載：F中=F1×1.25=7 7625×1.25=97 031 N。

后輪位置每根H 型鋼所施加的荷載：F后=F1×1.25=77 625×1.25=97 031 N。

砂石料車為后八輪自卸卡車，軸距為3.5 m+1.3 m。驗(yàn)算時(shí)為了取最不利荷載下的最不利情況，取軸距為3 m+1 m。根據(jù)簡(jiǎn)支梁的受力特性，當(dāng)荷載的合力位于簡(jiǎn)支梁橋的中心位置時(shí)，其受力狀態(tài)最不利情況。取橋的實(shí)際有效長(zhǎng)度為9 000 mm，兩根H 型鋼間距750 mm，并以600 mm 的間距設(shè)計(jì)I18的連接肋，并以此建立模型。

3.2.2 便橋強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)于Q235B 鋼材由相關(guān)規(guī)范［10］?。簭椥阅Ａ縀=2.06×105 MPa?？估?、抗壓、抗彎容許應(yīng)力fy=215 MPa。

利用MIDAS CIVIL 建立模型進(jìn)行的強(qiáng)度運(yùn)算，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 便橋應(yīng)力分布圖

由圖2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果顯示：便橋橋組合最大壓應(yīng)力為135.3 MPa，出現(xiàn)在便橋橋跨徑中間位置；便橋組合應(yīng)力小于材料允許應(yīng)力σ=215 MPa，故便橋強(qiáng)度滿足要求。

3.2.3 便橋剛度計(jì)算

由相關(guān)施工規(guī)范［11］結(jié)構(gòu)模板最大撓度不應(yīng)超過(guò)模板構(gòu)件跨度的l/250，利用MIDAS CIVIL 建立模型進(jìn)行的變形量運(yùn)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 便橋撓度分布圖

由圖3 可知便橋最大變形在跨徑中間位置，并且撓度值f=24.9 mm＜l/250=36 mm。故便橋最大變形量符合設(shè)計(jì)要求。

4 所需材料及施工要點(diǎn)

4.1 材料及設(shè)備準(zhǔn)備工作

鋼便橋制作施工前應(yīng)做好相關(guān)準(zhǔn)備工作，鋼便橋加工所需設(shè)備主要為：二氧化碳保護(hù)焊機(jī)2 臺(tái)，乙炔切割機(jī)1 臺(tái)，所需原材料見(jiàn)表1。

表1 施工材料清單

4.2 施工操作要點(diǎn)

1）H 型鋼接長(zhǎng)焊接要符合相關(guān)規(guī)定［12-13］，焊縫要飽滿平順，接長(zhǎng)端要沿型鋼縱方切不大于45°斜面進(jìn)行焊接。

2）焊接縫兩側(cè)要用與肋板同厚度鋼板加強(qiáng)。加強(qiáng)鋼板長(zhǎng)度要大于焊接縫水平長(zhǎng)度，高度與肋板相同。加強(qiáng)鋼板上下兩邊要與H 型鋼上下面板焊接，豎向兩邊不進(jìn)行焊接，保證彈性變形量。

3）測(cè)量放樣時(shí)要準(zhǔn)確定出臺(tái)座位置，保證便橋臺(tái)座平均分配于隧道兩側(cè)。

4）便橋必須經(jīng)過(guò)驗(yàn)收后方可進(jìn)行安裝。便橋安裝如圖4 所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)便橋安裝

5）在臺(tái)座混凝土達(dá)到70%強(qiáng)度后方可進(jìn)行便橋安裝。如果時(shí)間緊急可以在臺(tái)座混凝土中加入早強(qiáng)劑。現(xiàn)場(chǎng)可采用回彈儀檢測(cè)混凝土強(qiáng)度。

6）便橋兩端必須要放置到臺(tái)座凹槽中，防止便橋移位。

7）隧道爆破時(shí)，要禁止車輛從便橋通過(guò)。每次爆破完成后要及時(shí)檢查便橋臺(tái)座是否出現(xiàn)裂紋及便橋焊縫是否脫落。

8）待既有路下方隧道二襯混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%時(shí)，方可進(jìn)行便橋拆除。

9）施工過(guò)程中，要做好沉降觀測(cè)。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，立即采取措施處理。

5 安全與環(huán)保控制措施

5.1 安全控制措施

1）便橋加工前應(yīng)對(duì)工人進(jìn)行安全技術(shù)交底及培訓(xùn)。沒(méi)有經(jīng)過(guò)培訓(xùn)或培訓(xùn)不合格者，不得進(jìn)行施工。

2）焊接人員應(yīng)穿戴絕緣鞋、防護(hù)鏡、電焊手套等。

3）施焊現(xiàn)場(chǎng)不得堆放易爆、易燃品。

4）電焊機(jī)電流大小應(yīng)按規(guī)定的電流值于暫載率嚴(yán)格執(zhí)行，不許超負(fù)荷使用。

5）清除焊渣時(shí)，面部必須避開(kāi)正在清渣的焊縫，以免焊渣飛出傷眼。

6）帶電的焊鉗不許用胳膊夾持，以免觸電。

7）在潮濕處工作時(shí)，不許用手觸摸電焊機(jī)的導(dǎo)線部分。

8）禁止氧氣瓶、乙炔發(fā)生器放在強(qiáng)烈陽(yáng)光下暴曬及接近火源、熱源和電閘箱，以免引起爆炸事故。

9）乙炔發(fā)生器、氧氣瓶和焊槍三者的距離不得小于10 m。

10）焊接中，如焊槍發(fā)生爆炸聲音或感到有振動(dòng)時(shí)，應(yīng)立即關(guān)閉氧氣閥和乙炔閥，待其冷卻后方可繼續(xù)工作。

11）發(fā)現(xiàn)乙炔發(fā)生器產(chǎn)生高溫時(shí)，應(yīng)立即停止工作；發(fā)現(xiàn)乙炔發(fā)生器燃燒時(shí)，應(yīng)立即把乙炔發(fā)生器朝安全方向放倒，并用黃砂撲滅火種。

5.2 環(huán)保控制措施

1）便橋拆除后，破碎臺(tái)座混凝土要統(tǒng)一運(yùn)到指定地點(diǎn)處理，不得隨處亂到。

2）施工和焊接過(guò)程中產(chǎn)生的費(fèi)料要堆放到廢料區(qū)，不得隨處亂放。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

6.1 貝雷架鋼便橋經(jīng)濟(jì)效益分析

除了采用自制鋼便橋過(guò)路外，還可以采用貝雷架鋼便橋。貝雷架鋼便橋跨徑可以更大，安全風(fēng)險(xiǎn)也低，但是成本高，轉(zhuǎn)場(chǎng)費(fèi)用也大，重復(fù)利用效益較低［14］。

貝雷架鋼便橋費(fèi)用見(jiàn)租賃貝雷架鋼便橋費(fèi)用見(jiàn)表2（結(jié)合工程實(shí)際，按照2 個(gè)月計(jì)算，18 m 跨徑）。

表2 租賃貝雷架鋼便橋費(fèi)用

表2 所計(jì)算費(fèi)用是不含稅的總計(jì)費(fèi)用，若需轉(zhuǎn)場(chǎng)利用，每次還需要40 000 元的拆除安裝費(fèi)用。綜合效益較低。

6.2 超前支護(hù)經(jīng)濟(jì)效益分析

隧道頂部采用自制鋼便橋過(guò)路，可以利用現(xiàn)場(chǎng)既有設(shè)備，所用的材料可用于后續(xù)隧道仰拱施工或施工便道跨越溝渠中。因此并不會(huì)額外增加成本費(fèi)用，僅增加轉(zhuǎn)場(chǎng)費(fèi)用，按照正常支護(hù)形式即可；而若采取隧道超前支護(hù)的方法施工，路面上行荷載對(duì)隧道影響長(zhǎng)度范圍為15 m，初期超前支護(hù)形式為雙層注漿小導(dǎo)管，長(zhǎng)度4.5 m/根，搭接1.5 m，45 根/環(huán)。鋼便橋轉(zhuǎn)場(chǎng)按照8 h 計(jì)算，具體費(fèi)用見(jiàn)表3。

表3 自制鋼便橋和超前支護(hù)費(fèi)用

通過(guò)表3 可以看出，每次過(guò)路使用自制鋼便橋可以節(jié)余58 725-3 360=55 365 元。每次過(guò)路段按照5 環(huán)雙層注漿小導(dǎo)管計(jì)算，一般每環(huán)單層注漿小導(dǎo)管施工周期為4 h，采取自制鋼便橋可以大致節(jié)余20 h。綜上所述，采用自制鋼便橋要更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

7 結(jié)論

隧道下穿既有公路時(shí)，公路上行車輛荷載給穿越段施工帶來(lái)了極大的困擾，若不采取控制措施會(huì)造成路面及拱頂沉降，引起圍巖變形，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐陕访嫠?，?duì)施工人員生命安全造成嚴(yán)重威脅。而封閉道路又會(huì)造成路面交通阻塞，道路疏通工作煩瑣，造成不良的社會(huì)影響。鑒于這種情況，采取自制鋼便橋橫跨穿越段的措施，有效地避免了上行車輛荷載對(duì)隧道穿越段施工的影響，取得了良好的施工效果，得到的結(jié)論如下：

1）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，依據(jù)隧道斷面尺寸和施工工法對(duì)自制鋼便橋進(jìn)行相應(yīng)的選型，確定設(shè)計(jì)尺寸，運(yùn)用MIDAS CIVIL 建立模型并進(jìn)行剛度強(qiáng)度計(jì)算，確保承載能力和位移變形滿足規(guī)范要求。

2）對(duì)自制鋼便橋施工工藝流程、所需材料及設(shè)備、施工操作要點(diǎn)、安全與環(huán)保控制措施進(jìn)行一系列總結(jié)歸納，并對(duì)采取貝雷架鋼便橋和超前支護(hù)措施進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析，體現(xiàn)了采取自制鋼便橋措施的優(yōu)越性。

3）自制鋼便橋保證路面上行車輛正常行駛的同時(shí)大大減弱了上行荷載對(duì)隧道施工的影響，無(wú)需加強(qiáng)穿越段隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了施工成本，且具有材料易采購(gòu)可循環(huán)利用、加工方便、轉(zhuǎn)運(yùn)場(chǎng)方便的特點(diǎn)，已在具體工程案例中得到應(yīng)用，可為類似工程提供參考。