顶进涵下穿济青高速公路后背及滑板设计

顶进涵下穿济青高速公路后背及滑板设计
[摘要]: 本文以南水北调东线济南至引黄济青明渠段工程下穿济青高速公路顶进涵为例，简要介绍了顶进涵后背设计方案。

后背由后背梁、后背桩和后背填土三部分组成，后背梁和后背桩虽是施工临时建筑物，但其是顶进的主要受力结构，其作用尤为重要，必须安全可靠。

[关键词]: 顶进涵后背滑板
1 前言
随着公路、铁路的建设发展和路网布局的完善，时常会出现新建线路与既有线路相交的情况。

而高速公路、高速铁路是全封闭道路，新建线路与既有线不允许出现平交，输水渠更不可能出现平交。

解决问题的方法通常有两种；一种是新建线路下穿既有线路，另一种是新建线路上跨既有线路。

当下穿既有线路时，一般采用顶进框架结构施工。

在保证既有线正常通行的情况下，箱涵的顶进施工、后背设计及滑板设计尤为重要，结合工程实例，对顶进涵后背、滑板设计进行了设计研究。

后背是顶进的主要受力结构，虽系施工临时建筑物，但其作用很重要，必须安全可靠，故施工质量一定要保证。

2 工程概况
南水北调济南至引黄济青明渠段在济南市历城区华山镇境内1+440处下穿济青高速公路，交角为90o。

由于该高速公路是山东省内最为重要的高速公路，不能够中断运行，因此输水渠在穿越济青高速公路时采用顶进施工。

下穿箱涵为C30钢筋混凝土，洞身为3孔钢筋混凝土整体箱涵，单孔净宽5.5米，净高4米。

混凝土壁厚90cm、顶板厚90cm、底板厚100cm，结构尺寸长×宽×高为66m×19.5m×5.9m，箱涵顶板上部覆盖层厚2.8米。

箱涵共分为3节，中间节长34米整体顶进，两端节均长16米现场浇注
3 顶力设计
箱涵在顶进过程中动力全部来自于液压千斤顶，顶力的大小直接影响到是否能够顺利完成顶进工作。

若顶力过小则不能够克服阻力，不仅不能完成顶进的施工任务还会因顶力过小导致后背设计不能满足施工需要。

若顶力过大虽能够克服界阻力，但因顶力计算过大会导致后背施工过于保守造成工程造价的提高和不必要的浪费。

因此必须根据相关地质资料、箱涵结构荷载、覆盖恒载等因素进行顶力计算，从而作为液压千斤顶配备和后背设计的依据。

3.1顶力计算
采用P=K[N1f1+(N1+N2) f2+2Ef3], 其中, P- 最大顶力(t) ;K- 安全系数, 采用1.2;N1- 箱涵顶上总荷载。

覆盖层平均容重为1.9t/m3。

覆盖层荷载N1=1.9×2.8×19.5×34=3527t，f1-涵顶部表面与顶部荷重之间的摩阻系数，取f1=0.3
箱涵长34米，混凝土总量为1695.2m3，C30钢筋混凝土比重为2.6t/m3。

箱涵自重N2=2.6×1695.2+10t=4418t，10t为机具、人群、钢刃角以及未能及时运走的土重等施工荷重。

f2框构底板与基地土摩擦系数，取f2=0.75。

E－框构两侧土压力(t)。

箱顶土压e1=ξγH1，箱底土压e2＝ξγH2 ，式中ξ＝0.3，γ＝1.9t/m3，H1为路面至箱顶高度，取H1＝2.8m，H2为路面至箱底高度。

H2＝H1＋框构全高＝1＋H。

E＝（e1+e2）HL／2=0.285（5.6+H）HL(t)=0.285（5.6+5.9）5.9×34=657.5t。

f3－侧面摩阻系数，取f3＝0.75。

P=K[N1f1+(N1+N2) f2 +2Ef3]=1.2[3527×0.3+(3527+4418)0.75+2×657.5×0.75]=9604t。

3.2千斤顶配置
根据计算顶力、千斤顶的机械性能和顶点区域等相关因素，拟配置33台400吨穿心卧式千斤顶，另配置2台备用顶。

33台400吨千斤顶的最大顶力为：N=400×33×0.75=9900t >9604t，满足要求。

4 后背设计
后背组成为后背梁、后背桩和后背填土三部分，后背梁为C30钢筋混凝土，在挖好工作坑后与滑板一起施工。

为使千斤顶顶力通过后背梁均匀传至后背桩上，在后背梁与后背桩之间浇注C30钢筋混凝土后背墙，高3m、宽20m、厚1m。

后背桩为钢筋混凝土灌注桩，后背填土根据后背尺寸设计，尽量利用工作坑后侧边坡的原状土，不足部分借土填筑。

4.1 后背桩设计
后背桩设计为钢筋混凝土钻孔灌注桩。

①根据郎金土压力计算墙后每延米的被动土压力为：
Ep=rH2tg2(45+)
式中：
r :土容重，取1.9t/m3
H:后背桩长m
：土的内摩擦角，因地质为粘性土，取=30o
因根据千斤顶作用点与后背被动土压力Ep重合的假定，而主动土压力Ea 远小于EP, Ea可忽略不计，则；
P=Ep
涵洞在顶进时需要的最大顶力为9604t，而后背梁宽为20米，则每延米的顶力为:p=9604/20=480.2t/m。

则后背桩长度为：
H=13m
D ==13/3=4.33m由于千斤顶地面直径为50cm，则半径为25cm,D1=D-r=4.33-0.25=4.08m。

为保证一定的安全度，实际施工时后背桩入土深度为1.2D，则实际入土深度为1.24.33=5.2m后背桩总长为；H+0.2D1=13+0.2。

4.2后背桩截面及配筋设计
后背桩仅抵抗滑板面以上后背土堆的主动土压力。

M=Eah/3
式中：
Ea：主动土压力KN
M:后背桩承受最大弯矩KN﹒m
Ea=×h2/2=1.9×tg2(45-30/2)×8.42/2=44.69KN
M=44.69×8.4/3=125.1t﹒m=1251KN﹒m
fc：混凝土轴心抗压强度设计值N/mm2
fy：钢筋抗拉强度设计值N/mm2
as：钢筋保护层厚度mm
rs：纵向钢筋所在圆周的半径mm
As：全部纵向钢筋的截面面积mm2
A：混凝土灌注桩截面面积mm2
对应于受压区混凝土截面积的圆心角与2π的比值。

取灌注桩采用C30钢筋混凝土，fc=14.3N/mm2,fy=300N/mm2,去保护层厚度as=50mm，则rs=r-as=750-50=700mm。

设钢筋配置为20φ22mm，As=7602mm2，而A=лr2=3.147502=1.77×106mm2
=(1.25K+sin2л/2л)/1+3K
K= =300×7602/14.3×1.77×106=0.09
将K带入上式。

并用试算发求得=0.21
t=1.25-2×0.2=0.83
M= 1fcAr+fyAsrs=1.33×109N﹒mm=1330KN﹒m＞1251KN﹒m
故，按直径1500mm，主筋20φ22mm配筋可满足施工需要。

5 滑板设计
5.1 滑板施工
滑板是顶进施工中极为重要的设施，除了要求具有一定强度与刚度外，还要求较高的平整度，以便在润滑隔离层的作用下，使箱涵易于起动，并脱离滑板而滑进。

滑板中心线应与涵身中心线一致，其前端应比涵身长2m，后端应与后背距离1.5m，两侧各比涵身宽30cm。

滑板采用20cm厚的C20混凝土并配筋。

滑板混凝土要求振捣密实，表面平整度在2米长度范围内凹凸差不超过3mm。

施工时采用方格网控制高程法：用直径16mm钢筋头埋入基坑内，分成2×2m方格网，在灌筑砼时按点找平，以控制滑板面高程，待砼初凝后，顶面用厚度不大于2cm的M10水泥砂浆抹平压实，其平整度力求最佳。

为防止在涵身顶进施工时滑板和涵身一起移动，在滑板下每隔3米设一道40cm*40cm锚梁，锚梁应与滑板同宽，且与涵身浇筑成整体。

在涵洞涵身顶进过程中，由于启动趋势、顶进工艺、自重偏心、基础土质和含水率等因素互为影响，往往会产生“扎头”或“抬头”现象，造成涵洞顶进就位的工程质量，甚至影响到下穿结构物的纵向坡度和上部线路道床厚度等质量问题，进而影响到既有线路的运营安全。

“抬头”在顶进过程中只要严格控制土方开挖，把涵洞口前端的土方每次都挖至设计高程，“抬头” 现象是可以消除的。

在顶进过程中因没有上坡趋势的条件，若遇软弱土层极易出现“扎头”，所以在施工滑板
时，顶进方向做成一定坡度的上坡。

预留坡度的大小应根据基底土质和框构线路条件确定，一般在1%-5%范围内。

为了消除涵身启动后空顶阶段的轴线偏差，应在滑板两侧设置导向墩。

导向墩一般为钢筋混凝土结构，与滑板一起浇注，每隔4m设置一个，横断面为30cm 见方，高出滑板40cm，深入滑板下约50cm，导向墩与涵身间留5～10cm，以便导向。

5.2 隔离层施工
为了防止滑板与涵身底板相粘连，同时也是为了减小首次启动顶力，在滑板顶面铺设润滑隔离层是，润滑隔离层由润滑层和塑料薄膜组成。

待滑板顶面干燥后，浇一层石蜡油，厚约2-3mm。

浇撒时在滑板长度方向每米挂一道铁丝，作为石蜡油厚度的浇撒标准，每浇完一格用刨光的直条木板刮平，铁丝拆除后的槽痕用喷灯烤熔整平。

石蜡油凝固后，撒一层0.2～1.0mm厚的滑石粉，接着铺一层塑料薄膜，薄膜接缝处压茬20cm并使接茬口朝路基方向。

为防止绑扎钢筋时破坏塑料薄膜，在塑料薄膜上铺一层2cm厚与框架同标号的水泥砂浆。

6结束语
在未来公路、铁路、水利等工程的建设过程中，线路交叉现象将会更加频繁出现，顶进施工工艺也会在日后的工程建设领域更加广泛采纳。

本文对顶进过程中后背和滑板的施工进行了讨论研究，确定了后背桩及滑板的设计参数。

该施工技术和经验对今后顶进施工具有很好的借鉴和推广应用价值。

参考文献
[1] 余彬泉，陈传灿. 顶进涵施工技术. 上海: 人民交通出版社, 1997
[2] 江正容,朱国梁. 简明施工计算手册. 北京: 中国建筑工业出版社,2005。