關(guān)于頂進框架地道橋后背的幾點淺析

關(guān)于頂進框架地道橋后背的幾點淺析 1 論文摘要 ： 本文 對于 板樁式和重力式后背在實際施工遇到的問題和應(yīng)注意的事項，及最大設(shè)計頂力計算、小角度斜架橋后背的做法的幾點看法 進行了介紹。 采用頂進法施工的橋涵，后背是重要的施工組成部分。它承受頂進時的水平頂力，雖然是一項臨時結(jié)構(gòu)，但對施工順利與否關(guān)系極大。如果后背不牢固，頂進時發(fā)生較大的位移，就可能把橋頂偏，甚至不能頂進其后果更為嚴重。另外后背造價占整個工程投資的比例較大，如果后背做的過于安全，不能充分發(fā)揮其潛力，顯然也是浪費。因此，必需因地制宜的作出既保證安全，又經(jīng)濟合理的后背方案。 關(guān)鍵詞： 剛性后背 剛彈性后背 理論最大設(shè)計頂力 小角度斜交 目 錄 關(guān)于頂進框架地道橋后背的幾點淺析 2 一、 后背形式的分類 1.1 后背形式按組成分類 3 1.2 后背形式按 剛度分類 4 二、 剛性后背和剛彈性后背在實際施工中的對比 5 2.1 剛彈性后背 在施工中的 應(yīng)用 5 2.2 剛性后背 在施工中的 應(yīng)用 6 三、小角度斜交框架地道橋后背的設(shè)計與施工 7 關(guān)于頂進框架地道橋后背的幾點淺析 3 一、 后背形式的分類 后背類型有： 1、板樁式后背，其主要由鋼板樁或型鋼（鋼軌、槽鋼、工字鋼等）、后背梁和后背填土三部分組成。 2、重力式后背，按所用材料不同又可分為鋼筋混凝土后背和漿砌片石后背，其主要有后背墻、分配梁和后背填土三部分構(gòu)成。 3、拼裝式后背，主要有鋼筋混凝土預(yù)制塊（抵座）或鋼筋混凝土預(yù)制樁、墊層和后背填土三部分組成。其中，按后背的剛度分類可分為剛性后背和剛彈性后背。其中板樁式后背屬于剛彈性后背，因為其后背梁的剛度相對較小，在頂進過程當中后背梁實際發(fā)生的位移較大。鋼筋混凝土重力式后背屬于剛性后背，頂進 時實際發(fā)生的位移相對較小。 二、 兩種后背在實際施工中的對比 在實際施工中剛彈性后背，當其后背填土高度不高時，本著便于取材、降低施工成本的原則一般采用鋼軌樁式后背；當其填土高度較大時一般采用 40b 或更大型號的工字型鋼樁式后背。 1、板樁式后背在實際應(yīng)用中有一定的局限性。首先，在板樁式后背施工時，與理論計算的假設(shè)條件、模型存在一定的出入。其中最嚴重的是理論設(shè)計計算時假定頂柱傳給后背梁的頂力的合力的作用線和后背填土產(chǎn)生的抗力（被動土壓力）的合力的作用線作用在同一直線上，而實際施工時很難控制其兩個合力的作用線作用在同一 直線上，而只能盡量減少兩個作用線間的距離 h。當兩條作用線間的距離 h 逐漸增大時，會改變后背梁的受力狀況，使得其實際工作原理與理論計算時的假定的工作原理產(chǎn)生較大的不同。當 h 較大時，在頂進時會加大后背梁的位移量。在進行糾偏時或布鎬不均勻（實際工作的鎬）時后背梁兩側(cè)受力大小不一樣，從而會產(chǎn)生一個扭矩，當扭矩較大，而后背梁截面尺寸較小關(guān)于頂進框架地道橋后背的幾點淺析 4 時，這時后背梁受彎剪作用同時還受扭矩作用，后背梁在頂進中頂力較大時會出現(xiàn) 45的斜裂縫，這對頂進十分不利，施工應(yīng)盡量避免。 理論計算簡圖如圖 1 兩作用線不 在一直線上如簡圖 2 頂力合力 抗力合力滑板后背填土型 鋼后背梁頂力合力抗力合力滑板后背填土型 鋼后背梁h圖 1 圖 2其次，如果采用打樁后再開挖工作坑的施工方法時，雖然能節(jié)省后背后面的大量填土，又可以保證樁后土壤的密實度，但這勢必會延長施工工期?？蚣艿氐罉虻氖┕?，由于在既有鐵路線上施工的特殊性，一般施工工期都十分緊張，這種施工方法對保證工期不利。還有框架地道橋的施工相對于道路施工進場較早，施工場地往往較小，拆遷不到位的情況下進行施工，很有可能沒有打樁作業(yè)的條件。采用打樁方法施工必須動用大型起吊設(shè)備、打樁設(shè)備、運輸設(shè)備等，而且耗鋼量很大，造價相 對較高。若采用埋樁的方法施工時，樁后填土的密實度較差，還有鋼板樁或型鋼與后背梁之間也難以保證嚴密接觸，造成頂進時鋼軌或型鋼傳遞到后背梁上的被動土壓力不均勻，這對頂進不利。當后背處的原始地面高度到滑板的高差較小時，不宜采用板樁式后背。因為在這種關(guān)于頂進框架地道橋后背的幾點淺析 5 情況下，為了滿足抗力的要求和施工的要求，使得后背填土的方量會成倍的增加，而且效果不是很好。 08 年 6 月份我單位承建的大同市御河西路框架橋 工程，屬于高路基段，后背處的原始地面與滑板基本平齊，采用 40b 工字鋼板樁式后背，此工程后背填土量很大，密實度不易控制，被動土壓力傳遞不均 勻，后背梁出現(xiàn)豎向和 45方向的斜裂縫等情況。實踐說明這種情況下不宜采用板樁式（剛彈性）后背，采用剛性后背比較合適。 2、在實際施工當中采用剛性后背的較多，而剛性后背又以鋼筋混凝土后背為主。鋼筋混凝土后背施工方便且不需要占用大量鋼材，施工時不需要大型起吊設(shè)備、打樁設(shè)備和運輸設(shè)備等，而且易于保證后背填土的密實度，由于鋼筋混凝土后背剛性大頂進時的位移量小。但實際施工當中鋼筋混凝土后背往往結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸過大，頂進過程中不能完全發(fā)揮后背潛力。鋼筋混凝土后背設(shè)計偏于保守的原因是多方面的，下面就理論最大設(shè)計頂力計算公式談幾點看法。 理論最大設(shè)計頂力計算公式： F= K（ G1.f1+ G2.f2+E.L.f3+F.A） 其中： F-理論最大設(shè)計頂力 K-安全系數(shù) G1 -橋體自重 G2 -橋位處線路加固體系的重量 f1、 f2、 f3-摩擦系數(shù) E-邊墻土的側(cè)壓力 L-橋體沿軸線長 F-單位面積吃土阻力 A-吃土面積 關(guān)于頂進框架地道橋后背的幾點淺析 6 其中邊墻土的側(cè)壓力計算公式： E=1/2 .H2. ， H 一般在計算中取基坑邊的地面到框架橋底板底的高差。在實際頂進過程中 H的實際值遠小于理論計算的取值。因為頂進過程中為了能有一定的空間對橋 體進行糾偏，一般在出土?xí)r都會把刃角兩側(cè)掏空一定的距離，所以能對邊墻產(chǎn)生側(cè)壓力的土壤高度 H 值很小，當橋體沿軸線長度越長即 L 值越大，底板底離地面的高差越大即 H 值越大，則邊墻土的側(cè)壓力的理論計算值偏離其實際值就越大。 f1 為橋體底板與底板下的土壤間的摩擦系數(shù)，為滑動摩擦系數(shù)，在理論計算中一般取 0.8。根據(jù)頂進過程中實際頂力的分析，對于粘土、亞粘土、粉土、砂土、亞砂土等土質(zhì)情況下 f1 取值 0.8 有些偏大。 f2 為線路加固系統(tǒng)與橋體頂面間的摩擦系數(shù)，實際施工中一般都采用小滑車，使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦進行減阻。在理論計算中 f2 一般取值 0.8，實際經(jīng)驗表明滾動摩擦系數(shù) 0.8 取值偏大。以上幾個方面共同導(dǎo)致理論最大設(shè)計頂力值偏大，從而使得后背截面尺寸和配筋篇大，在頂進過程中后背不能完全發(fā)揮潛力。 后背抗力（被動土壓力）一般采用朗金理論計算，根據(jù)朗金土壓力理論的：墻背豎直而且光滑（ =0），填土與墻頂平齊。在完全滿足條件時，朗金被動土壓力公式： P= r.h.tg2(45 + /2),應(yīng)用該式，計算比較簡便，但由于實際上后背的墻背并不光滑，也就是后背與填土間的外摩擦角 0，因而所得的結(jié)果偏小。換句話說按朗金被動土壓力理論及公式計算的土 壓力是相當保守的。據(jù)蘇聯(lián)索柯洛夫斯基及德國賈克 .奧德的精確解，以及北京市政工程研究所進行的試驗表明 :當 =30， =1/2時，被動土壓力系數(shù) 4.39，而按朗金公式計算的被動土壓力系數(shù)為 3.0，兩者相差 1.46 倍。如果 =2/3時，則兩者相差約 1.6 倍。故按朗金公式計算的被動土壓力值相對精確值而言，相當于包括了一個關(guān)于頂進框架地道橋后背的幾點淺析 7 1.46 1.6 倍的安全系數(shù)，因此設(shè)計后背抗力（被動土壓力）時不必再另加安全系數(shù)，而可以直接采用。而實際計算理論最大設(shè)計頂力時是加了一個安全系數(shù) K 的，這使得實際后背更偏于保守了，同時也增加了施 工成本。 三、小角度斜交框架地道橋后背的設(shè)計與施工 當框架橋是小角度斜交時，橋體在頂進過程中會產(chǎn)生很大的扭轉(zhuǎn)力矩，為克服扭轉(zhuǎn)力矩及實現(xiàn)對橋體的糾偏保證橋體的頂進方向，須通過對橋體兩側(cè)不均勻布鎬來實現(xiàn)，這就造成兩個后背（當后背分開做時）受力相差較大，角度越小，兩后背受力相差就越大。小角度斜交橋銳角側(cè)（就橋體前段而言）的后背受力較小。這側(cè)后背在整個頂進過程中，一般在橋體啟動和空頂時受力最大?？傊?，小角度斜交橋采用兩個后背分開做時，銳角側(cè)的后背受力遠小于鈍角側(cè)的后背受力。而實際施工中，一般只計算理論最大設(shè)計頂力， 然后根據(jù)最大設(shè)計頂力計算設(shè)計后背截面尺寸和配筋，兩個后背一般都按最大設(shè)計頂力計算所得的截面尺寸和配筋進行施工，這樣銳角側(cè)后背的頂力儲備太大，而且還增加了施工成本。根據(jù)銳角側(cè)后背在實際頂進過程中受力相對較小的情況，應(yīng)該在計算完最大設(shè)計頂力和偏心距后確定頂鎬數(shù)量及分布情況，再根據(jù)銳角側(cè)實際布置的頂鎬數(shù)量對這側(cè)后背進行計算設(shè)計確定截面尺寸和配筋，這樣既能滿足施工要求又能節(jié)約施工成本。 在頂進法施工的橋涵工程中，后背雖然是一個臨時