既有高速公路下穿分离式箱涵顶进施工对路基沉降的影响研究

谢宇航

(湖南奇航工程咨询有限公司, 湖南 长沙 410006)

0 引言

随着我国高速公路建设的迅速完善，新建设的道路与既有道路相交时往往采用立体交叉的交汇方式。下穿箱涵框架顶进施工法作为一种常用的立体交通建设方案，其优点是可以在保证既有道路维持正常运营的状态下完成施工建设，且施工量较小，在国内外交通工程建设中均得到了较为广泛的应用。箱涵顶进施工过程需要对原有路基土体进行挖掘，因此，既有路基沉降往往是施工过程中的重要控制指标之一。对此，专家学者展开了较为广泛研究：周广友等[1]采取多种施工工艺控制了箱涵框架在顶推施工过程中路面的变形程度，保证了既有道路的运营安全；吴炜[2]依托某高速公路下穿箱涵工程，通过施工过程中实时沉降监控，保证了顶推过程的施工安全；蒋鑫等[3]采用Midas有限元分析软件，建立了顶推箱涵变形及应力的分析方法，并根据实际工程中沉降数据的对比验证了分析方法的有效性；王飞球[4]基于ABAQUS建立了箱涵-土体耦合模型，探讨了顶进施工过程中的土体受力规律；周广友等[5]采用FLAC 3D数值软件对某箱涵顶进施工进行了全过程数值模拟，并总结了施工过程中的路面沉降规律，为具体工程提供了一定的指导。

综上所述，目前高速公路下穿箱涵顶进施工多为整体式顶推，施工难度相对较小。当涵洞基底处理比较厚并且跨径比较大时，为节约材料和节省成本，应采用分离式箱涵进行分幅顶推施工。为研究分离式箱涵在不同幅顶进施工时对路基沉降造成的影响，本文依托某实际工程，采用ANSYS通用有限元软件建立了箱涵-路基局部精细化耦合模型，总结分析了不同施工工况的路基沉降规律，对实际工程具有一定的指导作用。

1 工程概况

某高速公路下穿分离式箱涵顶推施工工程，工程区域总体地势北低南高，根据勘探资料及地质报告，勘探区的地层分布类型主要有杂填土、圆砾、强风化粉砂质泥岩和中风化粉砂质泥岩，临近工程区域附近无明显水扰环境。箱涵框架为钢筋混凝土结构，材料等级为C40，顶进框架由 2 个独立、平行的钢筋混凝土箱型框架结构组成，箱体之间设120 cm 间隙。单个箱体净宽 13.5 m，顶板厚 1.1m，底板厚 1.1 m，侧墙厚 1.0 m，框架结构净高 5.6 m，框架节段总长度 43.56 m，纵向分为 3 个节段，横向分为 2 个独立箱型通道，相比一般的顶进涵具有规模大、难度高等特点。箱涵截面尺寸如图1所示。

箱涵框架桥与高速公路呈正交设计，框架采用分幅预制顶推施工，施工期间不拆除既有高速公路路面，不设置临时便道，仅对施工影响区范围内的公路进行限速管制，不影响高速公路正常运营。顶进前对公路路基采用挖孔桩及止推横梁进行防护，顶进工艺采用中继间法，节段之间设置中继间构造，在节段之间安装千斤顶。前节顶进时利用后节作为后背支撑，入土后，顶进过程严格控制节段之间的距离(一次顶程不大于0.25 m)，以确保公路路基的稳定。顶进作业主要流程为：顶推→盾构箱内挖土→顶推循环作业，直至箱体顶推至设计位置。

图1 箱涵截面尺寸(单位： m)

2 有限元模型建立

2.1 基本假设

采用通用有限元软件ANSYS建立路基-顶管分析模型，为分析邻近下穿顶管区域的既有路基沉降变形及顶管自身应力情况并分别判断既有路基稳定性与顶管强度是否满足要求，取部分路基作为分析对象。以横路面方向为X，顺路面方向为Z，垂直路面方向为Y;其中，X方向模型长取150 m；Z方向模型宽取80 m；Y方向地基高取30 m，路基高取10 m，建模基本假定如下：①各模型结构均采用实体单元，模型材料考虑为连续、各向同性；②忽略顶推过程中路基内部石块对箱涵的破坏作用，且不考虑地下水作用及其影响，认为桥台结构与既有路基接触面间结合紧密无滑移；③对于框架桥顶进施工过程的注浆加固作用，建立了结构周围封闭填充体，实现对顶进过程中的框架桥进行加固的效果；④将有限元模型在迭代运算过程中出现的位移值发散或不收敛作为既有路基发生大变形，即失去稳定性的判断依据。

2.2 材料、边界、荷载及约束定义

地基土与路基填料采用理想弹塑性德鲁克-普拉格本构(Drucker-Prager)，其应力-应变关系如式(1)所示，其他模型结构采用理想弹性本构，材料参数如表1所示进行定义。

(1)

表1 主要材料参数材料弹性模量/MPa泊松比密度/kg·m-3 黏聚力/kPa内摩擦角/(°)既有公路路基190.400.222 250540地基黏土6.660.321 9902016风化岩16.200.252 2004525既有公路桥结构、桥台3.15×1040.212 400——框架桥3.25×1040.202 400——新、旧桥台3.15×1040.212 400——加固层3.0×1040.222 300——盾构机头2.04×1050.3———

顶进施工模拟过程采用ANSYS中的生死单元技术实现路基开挖，盾构设备、框架桥与路基接触面采用耦合节点位移技术。初始环境下，模型四周边界面主要受模型外土体、结构的法向约束，底部主要受法向和切向共同约束作用，因此，边界条件为四周侧面法向位移约束，底面全位移约束，对受力和变形变化较大的部位进行网格加密处理，双幅箱涵顶进施工的有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型网格划分

2.3 工况选取

根据下穿箱涵施工方案，关键施工阶段包括顶推前准备阶段、右幅箱涵顶进施工、左幅箱涵顶进施工和附属结构施工，本文选取箱涵在顶推施工过程中的5个关键位置作为典型工况，分析箱涵在顶推过程中结构应力及路基沉降情况，主要工况选取如表2所示。

表2 工况选取工况划分工况内容工况1初始应力场计算,激活左右幅原位框架桥及桥台结构工况2右幅框架桥顶进35 m工况3右幅框架桥顶进至设计位置工况4左幅框架桥顶进35 m工况5左幅框架桥顶进至设计位置

3 数值模拟结果分析

不同工况下的沉降云图如图3所示。根据ANSYS沉降云图的分布情况可知，在上部高速公路正常运营情况下，全阶段顶推过程路基沉降变形呈增长趋势，但峰值均在规范允许范围内。

(a)工况1：顶进准备阶段

(b)工况2：右幅顶进35 m

(c)工况3：右幅顶进至设计位置

(d)工况4：左幅顶进35 m

(e)工况5：左幅顶进至设计位置

由图3可知，初始位移场梯度集中区域主要位于框架桥顶板与邻近新桥台处路基，其中路基沉降峰值约为0.16 mm，箱涵顶板下挠变形峰值为0.48 mm，初始应力场下路基及箱涵变形均处于较低水平。右幅框架桥顶进35 m状态下，既有路基本体变形呈增大趋势，其中顶进框架上方路基沉降位移变化较明显，沉降位移峰值在2.2 mm左右，箱涵顶板下挠变形约1.6 mm。右幅框架桥顶进至设计位置时，其上方路基沉降位移显著增大，峰值位移达到8.9 mm，邻近左幅框架桥上方区域向上隆起约0.4 mm，箱涵顶板下挠变形约2.2 mm。分析原因可知，顶推施工过程中右幅框架前方土体开挖卸载，邻近区域不断沉降，而双侧土在顶进过程中受到一定程度挤压，从而产生微小隆起。左幅框架桥顶进35 m状态下，既有路基变形继续增大，沉降峰值为10.2 mm，峰值点位于右幅框架桥上方，左幅框架桥左侧区域出现1.7 mm隆起变形，左、右幅箱涵顶板下挠变形分别约为3.0、2.5 mm。当双幅框架桥顶进至设计位置时，既有路基变形值达到最大，两幅框架桥上部区域路基沉降均超过13 mm，至桥台处路基沉降值总体下降至7 mm以内，可见新建桥台在顶管行进过程中具有明显增强路基稳定性与限制路基位移的作用。

为进一步分析各典型工况之间路基沉降变形的规律，取箱涵顶推方向纵轴线上方既有路面的2处路径提取沉降量计算结果(见图4)，并绘制不同工况下的路基沉降曲线(见图5)。

图4 分析路径示意

图5 不同工况下的路基沉降曲线

由图5(a)可知，双幅箱涵顶进过程中，路径1各点沉降值整体呈增长趋势，右幅框架桥顶进35 m过程中，邻近框架桥尾端路基沉降增量相对其他位置较明显，右幅桥顶推至设计位置时，路径1沉降曲线呈梭形，峰值点向路基中部移动，且沉降增量相比前工况显著增大，峰值沉降位移超过8 mm，相比上一工况计算结果，沉降值增长量约为其3倍；随着左幅框架桥顶进35 m，路基1沉降曲线趋势基本保持不变，沉降量增幅不明显，至左幅框架桥顶推至设计位置，沉降曲线显著增大，顶推完毕后沉降位移峰值超过12 mm，峰值点位置与沉降曲线特点与前工况结构类似，但路基两侧位移显著增大，梭形曲率变小。

由图5(b)可知，双幅箱涵顶进过程，路径2各点沉降值同样呈整体增长趋势。右幅框架桥顶进35 m过程，路径2沉降曲线整体增幅较小，右幅箱涵顶进至设计位置时，路径2沉降曲线变化呈梭形，峰值点位于路基中部，沉降值约为2 mm，相比上一工况计算结果，沉降值增长量稍大；随左幅框架桥顶进至35 m，路基2沉降曲线趋势发生改变，沉降峰值约为8 mm，峰值点由路基中部向框架桥尾部方向移动，至左幅框架桥顶推至设计位置，沉降曲线进一步增大，顶推完毕后沉降位移峰值约为12 mm，峰值点位置再次移动至路基中部，梭形曲率变小。

综合2条路径上的沉降曲线变化规律可知，分离式箱涵顶推过程中，同一幅箱涵后期顶进所产生的路基变形较前期稍大，分析原因为同一幅箱涵框架顶进时，先行的框架可有效提高路基结构刚度，降低后续顶进过程所产生的路基沉降位移。

为对比整体式顶进与分幅顶进对既有路基沉降的影响，修改有限元模型模拟该工程的整体式顶进施工过程，2种顶进方式在施工过程中的路基沉降峰值曲线如图6所示，从图6可以看出，采用分离式顶进施工时，各施工阶段路基沉降量更小，先行顶进的右幅与整体式顶进沉降曲线趋势一致，由于先行顶进框架对路基整体稳定性的加固作用，后行顶进的左幅框架各施工阶段沉降峰值明显减小，证明了分幅顶进的合理性与可行性。

图6 不同顶推方式沉降峰值对比

4 结论

以某高速公路下穿分离式箱涵顶进施工为工程背景，采用ANSYS通用有限元软件建立了箱涵-路基局部精细化耦合模型，分析了分离式箱涵框架在不同幅分别顶进时的路基沉降变形规律，得到结论如下：

1)高速公路下穿箱涵顶推施工过程中，在原路基土体的开挖与框架桥顶进综合影响下，既有路基产生变形，其中邻近下穿箱涵区域沉降位移明显增大，且沿路基横向沉降曲线呈“梭形”，峰值点基本位于中部，顶推完毕后最终路基沉降位移最大约13 mm。

2)根据各工况下的路基沉降规律，顶进施工过程中，新建桥台具有明显增强路基稳定性与限制路基位移的作用。

3)同一幅箱涵框架顶进时，先行的前半段框架可有效提高路基结构刚度，降低后半段顶进过程所产生的路基沉降位移。

4)与整体式箱涵顶推施工不同，分离式箱涵顶推施工过程中，先顶进框架可有效提高路基整体稳定性，顶推作业结束后，后顶进框架各施工阶段路基沉降峰值均小于先顶进框架。