水系治理工程下穿高速关键技术研究摘要：伴随着城镇化建设，城市建设用地的扩展往往对城市原有水系产生较大的影响，导致原有过水构造物无法满足设计流量的暴涨的需求，亟需对受影响构造物进行处治工作，其中尤其以涉高、涉铁的水系治理工程最为复杂。

本文依托某河道下穿高速治理工程为背景，根据规范、功能特征及高速运营管理等要求，通过对不同的过水构造进行比选，分析顶推框架桥在此类工程中的特点。

结合理论分析、数值模拟等方法，研究高速公路浅覆土顶推框架桥结构变形和受力、顶推力等关键性设计技术问题，并通过对中继间法顶推框架桥施工工艺的研究，提出路面变形控制技术方案。

顶推框架桥有着地质环境适应能力强、路面扰动小、施工速度快的特点，多用于公路、市政道路的交叉工程中，在水系治理工程中也有广阔的前景。

关键词：水系治理；下穿高速；顶推框架桥1引言高速公路一般以桥梁或者涵洞的形式跨越现状水系，在河道流量暴涨的情况下，一旦桥梁或涵洞的过水能力不足，轻则加大对高速边坡和桥涵墩台、基础的冲刷，影响边坡稳定性和桥涵结构安全；重则导致边坡水毁滑坡或桥涵垮塌，严重威胁高速公路运营安全。

因此在工程实践中，一般采用增大桥涵过水面积的方法来满足流量的需要，而高速公路行车速度快，通行流量大，需要充分考虑涉高施工给高速带来的影响。

本文以某水系涉高工程实例为研究对象，旨在研究合理增大高速公路桥涵过水面积的方法，分析设计过程中主要的技术难点，为同类型工程提供参考。

2工程概况本项目位于湖南省长沙，因黄花国际机场第一、二跑道设计容量已经饱和，故启动机场改扩建工程。

机场三跑道的建设，将阻断该区域雨水南流，只能采用措施使区域内雨水往北汇入西山港，导致西山港集雨面积大增，流域内石铺塘港百年一遇洪水流量由70.3m3/s增长为117.7m3/s。

G6021杭长高速（长永段）在K25+584.6处采用涵洞跨越石铺塘港，结构形式为单孔圬工拱涵，拱涵净宽4米，矢高2m，侧墙高1.8m，与高速斜交120度，已不能满足机场扩建后石铺塘港暴涨的流量要求，如何既能扩大石铺塘港的过水面积，又能保障高速的安全运行，是本工程的关键所在。

3水系下穿高速方案研究3.1框架桥顶推石铺塘港水量较大，原址顶推会导致框架桥施工与河流保通相互干扰，且拱涵边拆除边顶推存在很大的风险，风险无法把控，故另行选址正交下穿杭长高速。

新址从覆土高度、顶推长度、占地、地质条件、国防光缆、石油管道、改河长度等方面进行研究，选择于老涵南侧正交顶推下穿高速，框架桥离老涵最小净距为13.6m。

通过水文计算拟定框架桥尺寸，根据试算，拟定框架桥净高H0=4.5m，净高L0=12m。

桥前水深H=（净高-最小净高）/0.87=(4.5-0.5)/0.87=4.6m；压缩系数ε取1.0，流速系数φ取0.95；临界水深h k=2φ2H/（1+2φ2）=2.96m；过水面积ω=L0×h k=12×2.96=35.503m2；过水流量Q=ε×φ×ω×（2×9.81×（H-h k））1/2=191.27m3/s＞117.7m3/s，满足要求。

图1 框架桥标准横断面图（cm）方案采方案采用单孔结构，正交下穿G6021杭长高速，与高速交叉桩号为K25+584.6。

框架桥净尺寸采用12×4.5m，顶面最大覆土厚度为3.26m，最小覆土高度为3.04m。

结构总尺寸为6.7×14m，顶底板厚度1.1m，侧墙厚度为1.0m。

顶部腋角尺寸1.2×0.5m，底部腋角尺寸0.5×0.5m。

图2 框架桥桥型布置图（cm）框架桥全长39米，采用中继间法分3×13m三节顶推，主体采用钢筋混凝土结构。

两侧出口顺接河道段采用7.5m长U型槽结构，现浇施工，用作洞口结构，远期可利用进行高速公路拓宽改造。

3.2路改桥路改桥方案具有质量可控、施工简单以及安全可靠等特点，但需做好路基沉降控制、不均匀沉降控制、高速保通等工作。

路改桥方案采用单跨25m简支预应力砼小箱梁桥，小箱梁梁高1.4m，桥台采用扶壁式桥台，基础采用桩基础，纵坡与高速一致。

桥梁采用双幅构造，单幅桥梁宽度为12m：0.5m（护栏）+11m（行车道）+0.5m（护栏）。

图3 路改桥桥型布置图（cm）高速作为交通主干动脉，施工期间应采用安全可靠的交通保障措施，常用的方式一为封闭高速公路半幅交通，半幅桥梁施工，高速车辆通过另一幅通行；其二为高速半幅改道绕行，另半幅正常通车。

鉴于G6021杭长高速通行流量大，行车速度快，施工保通方案为：（1）高速西往东方向改路施工，改路长度约1700m。

（2）西往东方向车辆改道至改路道路，限速80km/h，东往西方向正常通车；桥梁西往东方向半幅施工。

（3）高速东往西方向改路施工，改路长度约1700m。

（4）东往西方向车辆改道至改路道路，限速80km/h，西往东方向通过新建半幅桥梁正常通车；桥梁东往西方向半幅施工。

（5）桥梁施工完毕后，拆除临时设施，恢复高速通行。

3.3设计方案比选路改桥方案结构简单且容易施工，对河流水系影响小，河流顺接更加协调，但桥梁施工周期长，对高速通行影响时间长，且改路总长度达3400m，需拆除天桥3座（约100m），房屋拆迁2处（约900m2），临时征地面积约35亩，社会及环境影响较差，经济性差。

采用框架桥顶进施工，施工过程中不需要中断高速交通，能够有效降低对交通通行的影响，具有施工速度快、施工扰动小、技术成熟、开挖量少、占地少、经济性好等特点，择优选择框架桥顶进方案。

4框架桥结构受力分析本文研究采用Midas Civil 2019软件建立框架桥整体模型，模拟实际尺寸及施工过程，钢筋砼构件采用RC验算。

全桥共设置56个梁单元和58个节点，梁单元横向宽度取13m。

荷载考虑结构自重、竖向静土压力及侧面主动土压力、杭长高速汽车荷载及引起的等代侧土压力、框架内路面填料、收缩徐变，按规范组合验算[1]，对于钢筋混凝土构件，截面温差和总体温度均不影响验算结果，故未予考虑。

图4 框架桥MIDAS模型示意图图5 基本组合下M y弯矩图图6 基本组合下F z剪力图图7 RC构件裂缝宽度验算结果图RC验算表明本结构为裂缝控制，最大裂缝出现在侧壁上部位置外缘，裂缝宽度均小于0.2mm，满足要求。

抗弯及抗剪承载力均满足要求。

5框架桥设计关键性技术问题5.1框架桥顶推力设计5.1.1.框架桥自重计算框架桥顶进段宽14.0m，高6.7m，一节桥长为13.0m。

框架桥采用C40钢筋混凝土进行预制，横截面面积为40.65 m2，混凝土容重取25kN/m3。

一节框架桥重量N=40.65×25×13+2000（钢盾构重量）=15211.25 kN。

5.1.2.最大水平顶进力计算框架桥顶入时阻力分为两类，一类是钢刃角顶进阻力，本项目采用刚盾构施工，顶进阻力可以忽略；第二类是摩阻力，主要为顶底板、侧板与周围土或滑板产生的摩阻力。

顶力可按下式进行计算[2]：(1)式中：P—最大顶力（kN）；k—系数，取1.2；N1—框架桥顶面荷载（kN）；f1—框架桥顶面与覆土的摩擦系数，本项目取0.35；N2—框架桥重力（kN）；f2—框架桥底部与基底土的摩擦系数，考虑本项目采用了多种减阻措施，按0.35计；E—框架桥两侧土压力（kN）；f3—侧面摩阻系数，考虑本项目采用了多种减阻措施，按0.5计；RA—钢刃角正面阻力；N1=A1（最不利汽车荷载）+A2（箱体顶板上土柱重）+A3（盾构顶板上土柱重）其中：A1=3×(140+140+120+120)=1560 kN；A2=20×3.18×13×14=11575.2 kN；A3=20×3.18×7×14=6232.8 kN；故N1=19368KN。

框架桥顶土压：e1=20×3.18/3=21.2 kN/m2；框架桥底土压：e2=20×(3.18+6.7)/3=65.87 kN/m2；侧土压力E=1/2×（21.2+65.87）×13×6.7=3791.85 kN。

顶推力P=1.2×[19368×0.35+（19368+15211.25）×0.35+2×3791.85×0.5+0]=27208 kN。

5.1.3.千斤顶计算表1 千斤顶基础数据表千斤顶顶500320200100推力（t）外径400315235165（mm）根据计算得到的顶推力，考虑箱涵底板厚度以及便于混凝土台背座的施工，采用外径400mm的500t液压千斤顶顶进施工，单个千斤顶实际顶力：P1=500×70%=350t千斤顶数量N=2720.8/350=8台（计算8台，本项目使用10台）故本工程选用10台500t液压千斤顶（使用10台，备用2台）。

另外顶进时，采用中继间依次顶进的顶进方案，整个框架桥用500t千斤顶个数为12×3=36个（其中备用6个）。

5.2框架桥中继间设计框架桥全长39m，采用中继间法[3]顶进施工，全桥共设置两个中继间。

顶推过程中于前节箱涵底板设置窝镐，在窝镐内设置中继间千斤顶，利用后节箱涵作为后背，继续往前顶进。

中继间法可以大大降低单节顶进长度，减小顶进成本。

图8 中继间顶推示意图（mm）中继间窝镐设置尺寸为14（宽度）×1.1（高度）×0.6（长度）m，要求每次顶进距离不超过0.2m，为防止箱涵周围土体因顶进作业而形成空洞，导致高速路面产生沉降，于前节箱涵尾端埋设钢套管[4]，钢套管由顶底部钢板以及侧面钢板合成，其中顶、侧部采用1.5m宽10mm厚钢板，底部因窝镐影响，采用2.1m 宽20mm厚钢板。

后节箱涵底板设置2cm厚预留槽，并设置0.9m宽20mm厚底部钢板，位于前节箱涵底部钢板之上，方便钢板的搭接。

图9 中继间预埋外侧钢板示意图5.3框架桥顶进减阻设计5.3.1.框架桥顶板减阻为有效减小顶进过程中的顶部摩阻，采用人工在前方开挖土表层涂抹黄油的方法，降低框架桥与上覆土层的摩阻。

同时在刚盾构尾部顶端拖挂5mm厚钢板，使框架桥顶板不直接与顶部覆土接触，在拖板下随之同时推进，以减少推阻力，并有效保护防水层。

5.3.2.框架桥边墙和底板减阻框架桥箱体现场浇制完成后，在边墙和底板均匀涂刷一层3mm的石蜡（掺25%机油），并涂滑石粉一层，起到整平和降低摩擦的作用，并且顶进入土之前刮一层黄油进行润滑处理[5]。

使混凝土与土层的摩擦，变为混凝土与石蜡、机油、滑石粉混合物以及黄油间的摩擦，并在刚盾构的侧边和底板设置润滑油盒，大大减小边墙和底板的顶进阻力。