高速公路浅覆土特长箱涵顶进关键技术研究
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摘要
当前浅覆土特长箱涵在高速公路中应用越来越多，而有关其顶进就位施工技术鲜有报道。结合广东梅河高速公路浅覆土特长箱涵顶进工程实例，通过室内模型试验、数值模拟、理论计算及现场监测等方法，对高速公路浅覆土特长箱涵顶进施工中的减阻技术、涵土体受力与变形特性、顶进力及路基路面沉降控制标准等进行了系统、深入研究，取得了以下主要成果：
1.对采用不同减阻材料的箱涵与土体及滑板间的摩阻系数进行了模拟试验分析，结果表明，涵周土体中含水量每增加2%，摩阻系数减小19.13%；浆土比值为1:4时，箱涵外壁与土体间摩阻系数值最小，与其对应的注浆量为涵周土体最佳注浆量；相同试验条件下，与其它减阻材料相比，石蜡机油混合物的减阻效果更为明显，建议：浅覆土特长箱涵顶进施工中采用石蜡+机油混合物减阻材料。
2.利用数值模拟方法，对浅覆土特长箱涵结构和覆土的受力与变形特性进行了模拟分析，结果表明，箱涵结构与覆土沿顶进和垂直顶板方向的应力和应变受顶进长度、覆土厚度及采取减阻措施影响较大，顶进长度每增加20m，箱涵结构应力和应变分别增大61.1～87.5%和68.3～77.8%，减阻比不减阻减小14.8～18.8%和9.5～15.7%，覆土应力和位移分别增大4.7～8.0%和12.3～24.7%，减阻比不减阻减小0.9～9.3%和4.1～16.5%；覆土厚度每增加2m，箱涵结构各特征位置应力和应变分别增大12.1～47.2%和1.3～38.5%，减阻比不减阻减小1.9～6.2%和1.0～2.0%，涵顶覆土应力和位移分别增大37.1～43.8%和43～73%，减阻比不减阻减小1.3～6.1%和2～39.2%。
3.建立了浅覆土特长箱涵顶进纠偏计算模型，提出了不同截面尺寸箱涵顶进中水平和竖向最大允许偏移度控制标准，并针对不同顶进偏斜问题提出了纠偏措施；提出了路基路面沉降和顶进力及其合理作用点位置计算方法。
4.现场监测结果表明，随着箱涵顶进端距洞口距离增大，涵端所受顶进力整体呈不断增大变化趋势，且当顶进距离小于36m时，顶进力随顶进距离增加呈线性变化；浅覆土特长箱涵顶进施工的最佳顶进速度为0.3~0.4cm/min，顶进速度过大或过小均不利于施工；膨润土泥浆配合比和注浆压力的稳定性对涵周阻力减小量影响较大。
5.基于前述研究结果，提出了浅覆土特长箱涵的涵节、工作坑、后背墙等关键环节的设计与施工技术，其对类似工程具有重要指导作用。
The application of shallow buried super-long box culverts now gradually gains itspopularity in highway projects, whose jacking and construction technology is rarely studiedand reported. A systematic and in-depth research on drag reduction technique, stress anddeformation characteristics of culverts and the surrounding soil, jacking force and roadbedsettlement control standard in jacking construction of shallow buried super-long box culvertsare carried out with the engineering practice of Guangdong Mei-he highway Project. By usingthe methods of laboratory model test, numerical simulation, theoretical calculation and fieldmonitoring, etc., main achievements are carried out:
1. Laboratory model tests were conducted to analyze the fraction coefficient among thebox culvert wall, surrounding soil and the skateboard when using different drag reductionmaterials. The result shows that: a. the fraction coefficient reduces19.13%with every2%augment of water content in the surrounding soil; b. the fraction coefficient approaches itsminimum when the grouting-soil ratio is1:4. And the corresponded grout amount is favorable;c. compared with other drag reduction materials, the wax-oil mixture is with betterperformance, under the same test conditions. Hence, wax-oil mixture is recommended as thedrag reduction materials when doing the jacking construction of shallow buried super-longbox culverts.
2. Numerical simulation was conducted to give a finite element analysis of stress anddeformation characteristics of culvert structures and the overlying soil when doing the jackingconstruction of shallow buried super-long box culverts. The result shows that the stresses andstrains in and perpendicular to the jacking direction are more sensitive to the jacking length,thickness of the overlaying soil and the anti-fraction measures: a. every20m the jackinglength is operated, that the maximum stress and strain of the box culvert increases61.1～87.5%and68.3～77.8%respectively,14.8～18.8%and9.5～15.7%of those can be reducedrespectively when taking anti-fraction measures, and that the maximum stress and strain ofthe overlaying soil increases4.7～8.0%and12.3～24.7%respectively,0.9～9.3%and4.1～16.5%of those can be reduced respectively when taking anti-fraction measures; b. every2mthe thickness of overlaying soil is increased, that the maximum stress and strain of the box culvert increases12.1～47.2%and1.3～38.5%respectively,1.9～6.2%and1.0～2.0%ofthose can be reduced respectively when taking anti-fraction measures, and that the maximumstress and strain of the overlaying soil increases37.1～43.8%and43～73%respectively,1.3～6.1%and2～39.2%of those can be reduced respectively when taking anti-fractionmeasures.
3. A computational model is established to give a corrective calculation of shallow buriedsuper-long box culverts. Corrective control standards of the horizontal and vertical deviationon different size of the box culvert are proposed with the corrective measures aiming atdifferent deviation problems. And also, the computing method including the settlement of thesubgrade, the jacking force and its rational action point are worked out.
4. The result of site monitoring shows that: as the distance from the end point of the boxculvert is less than36m and increases, the jacking force applied on the end of the box raiseslinearly. The favorable jacking speed of the shallow buried super-long box culverts is0.3~0.4cm/min when completing the construction procedure. Neither higher nor lower speedis more favorable to the construction. The drag reduction is relatively sensitive to consistencyof the grouting-soil ratio and the grouting pressure.
5. Based on this research, the design and construction technology on the key procedureof the shallow buried super-long box culverts including pipe section, working pit, back wall,etc., are brought out, which can also be the important guide when doing the similarengineering project.
1.对采用不同减阻材料的箱涵与土体及滑板间的摩阻系数进行了模拟试验分析，结果表明，涵周土体中含水量每增加2%，摩阻系数减小19.13%；浆土比值为1:4时，箱涵外壁与土体间摩阻系数值最小，与其对应的注浆量为涵周土体最佳注浆量；相同试验条件下，与其它减阻材料相比，石蜡机油混合物的减阻效果更为明显，建议：浅覆土特长箱涵顶进施工中采用石蜡+机油混合物减阻材料。
2.利用数值模拟方法，对浅覆土特长箱涵结构和覆土的受力与变形特性进行了模拟分析，结果表明，箱涵结构与覆土沿顶进和垂直顶板方向的应力和应变受顶进长度、覆土厚度及采取减阻措施影响较大，顶进长度每增加20m，箱涵结构应力和应变分别增大61.1～87.5%和68.3～77.8%，减阻比不减阻减小14.8～18.8%和9.5～15.7%，覆土应力和位移分别增大4.7～8.0%和12.3～24.7%，减阻比不减阻减小0.9～9.3%和4.1～16.5%；覆土厚度每增加2m，箱涵结构各特征位置应力和应变分别增大12.1～47.2%和1.3～38.5%，减阻比不减阻减小1.9～6.2%和1.0～2.0%，涵顶覆土应力和位移分别增大37.1～43.8%和43～73%，减阻比不减阻减小1.3～6.1%和2～39.2%。
3.建立了浅覆土特长箱涵顶进纠偏计算模型，提出了不同截面尺寸箱涵顶进中水平和竖向最大允许偏移度控制标准，并针对不同顶进偏斜问题提出了纠偏措施；提出了路基路面沉降和顶进力及其合理作用点位置计算方法。
4.现场监测结果表明，随着箱涵顶进端距洞口距离增大，涵端所受顶进力整体呈不断增大变化趋势，且当顶进距离小于36m时，顶进力随顶进距离增加呈线性变化；浅覆土特长箱涵顶进施工的最佳顶进速度为0.3~0.4cm/min，顶进速度过大或过小均不利于施工；膨润土泥浆配合比和注浆压力的稳定性对涵周阻力减小量影响较大。
5.基于前述研究结果，提出了浅覆土特长箱涵的涵节、工作坑、后背墙等关键环节的设计与施工技术，其对类似工程具有重要指导作用。
The application of shallow buried super-long box culverts now gradually gains itspopularity in highway projects, whose jacking and construction technology is rarely studiedand reported. A systematic and in-depth research on drag reduction technique, stress anddeformation characteristics of culverts and the surrounding soil, jacking force and roadbedsettlement control standard in jacking construction of shallow buried super-long box culvertsare carried out with the engineering practice of Guangdong Mei-he highway Project. By usingthe methods of laboratory model test, numerical simulation, theoretical calculation and fieldmonitoring, etc., main achievements are carried out:
1. Laboratory model tests were conducted to analyze the fraction coefficient among thebox culvert wall, surrounding soil and the skateboard when using different drag reductionmaterials. The result shows that: a. the fraction coefficient reduces19.13%with every2%augment of water content in the surrounding soil; b. the fraction coefficient approaches itsminimum when the grouting-soil ratio is1:4. And the corresponded grout amount is favorable;c. compared with other drag reduction materials, the wax-oil mixture is with betterperformance, under the same test conditions. Hence, wax-oil mixture is recommended as thedrag reduction materials when doing the jacking construction of shallow buried super-longbox culverts.
2. Numerical simulation was conducted to give a finite element analysis of stress anddeformation characteristics of culvert structures and the overlying soil when doing the jackingconstruction of shallow buried super-long box culverts. The result shows that the stresses andstrains in and perpendicular to the jacking direction are more sensitive to the jacking length,thickness of the overlaying soil and the anti-fraction measures: a. every20m the jackinglength is operated, that the maximum stress and strain of the box culvert increases61.1～87.5%and68.3～77.8%respectively,14.8～18.8%and9.5～15.7%of those can be reducedrespectively when taking anti-fraction measures, and that the maximum stress and strain ofthe overlaying soil increases4.7～8.0%and12.3～24.7%respectively,0.9～9.3%and4.1～16.5%of those can be reduced respectively when taking anti-fraction measures; b. every2mthe thickness of overlaying soil is increased, that the maximum stress and strain of the box culvert increases12.1～47.2%and1.3～38.5%respectively,1.9～6.2%and1.0～2.0%ofthose can be reduced respectively when taking anti-fraction measures, and that the maximumstress and strain of the overlaying soil increases37.1～43.8%and43～73%respectively,1.3～6.1%and2～39.2%of those can be reduced respectively when taking anti-fractionmeasures.
3. A computational model is established to give a corrective calculation of shallow buriedsuper-long box culverts. Corrective control standards of the horizontal and vertical deviationon different size of the box culvert are proposed with the corrective measures aiming atdifferent deviation problems. And also, the computing method including the settlement of thesubgrade, the jacking force and its rational action point are worked out.
4. The result of site monitoring shows that: as the distance from the end point of the boxculvert is less than36m and increases, the jacking force applied on the end of the box raiseslinearly. The favorable jacking speed of the shallow buried super-long box culverts is0.3~0.4cm/min when completing the construction procedure. Neither higher nor lower speedis more favorable to the construction. The drag reduction is relatively sensitive to consistencyof the grouting-soil ratio and the grouting pressure.
5. Based on this research, the design and construction technology on the key procedureof the shallow buried super-long box culverts including pipe section, working pit, back wall,etc., are brought out, which can also be the important guide when doing the similarengineering project.
引文
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