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1、顶进桥涵重力式后背的优化设计及应用1论文摘要:本文重点介绍顶进式框架立交桥的重力式砼后背的设计及验算方法。并且结合下穿 101 线 K9+711-214m 铁路框架桥工程的钢筋混凝土后背的优化设计方案为实例进行设计验算。原设计方案为钢板桩式后背，考虑到本框架桥的自重大，并且在砂卵石地层中钢板桩后背施工工序繁琐，为保证顶进桥后背的稳定。将原设计方案调整为重力式混凝土后背的施工方案。并对修改后的重力式混凝土后背的受力状态进行分析，提出了一种适合工程实际的计算方法。为今后顶桥工程中的重力式混凝土后背施工提供了必要的理论支持。在实际的顶进过程中，调整后的重力式混凝土后背取得了预期的效果，达到了安全、工
2、期的双赢。关键词: 土压力 后背 设计 计算顶进桥涵重力式后背的优化设计及应用2目 录1、前言 .32、本工程后背优化设计方案 .32.1、顶进后背结构形式的选择 .42.2、后背的施工方案 .42.2.1、方案简述 .42.2.2、后背受力计算 .53、实际顶进过程中顶力值汇总表 .74、推广及应用 .85、参考文献 .9顶进桥涵重力式后背的优化设计及应用31、前言后背是立交桥顶进时的关键受力结构，是千斤顶对箱体施加顶力的依托，故其必须有足够的抗力和刚度以抵御前端的顶力而不能产生过大的变形。在整个立交工程中它只是临时设施，但在顶进施工中是关键结构。所以对后背的要求是：必须能为顶进提供足够的抗
3、力；顶进完成后便于拆除。目前采用的后背大体为“桩式后背”和“钢筋混凝土后背”两种，后者属于重力式。在选择后背类型时，应充分考虑临时结构“顶完就拆”的特点，满足拆除简便的要求。2、本工程后背优化设计方案2.1、顶进后背结构形式的选择由于该框架桥自重达到 8400t，设计最大顶力为 141000kn。为确保桥体顶进的顺利进行，框架桥后背的制作是本工程的重点，在后背施工中要综合分析顶力、后背结构形式、及地质情况。将后背结构形式由钢板桩后背改为钢筋混凝土重力式后背，在顶进过过程中保证了后背的稳定性。且本工程的公路中心与铁路线交角为 31.9，交角小。故产生的自转力偶大，给顶进时带来一定的施工难度，而作
4、为立交桥顶进时的关键受力结构的后背，是千斤顶对箱体施加顶力的依托。其必须有足够的抗力和刚度以抵御前端的顶力而不能产生过大的变形。根据现场的土质勘察情况显示，土质为卵石土层，且级配良好，承载力大。这种土质非常适合作后背填料。原设计方案采用桩式后背。虽然桩式后背材料一次摊销量小，材料能够周转使用，能降低工程成本。但是一般桩式后背的稳定性和抗扭性能较重力式后背要差。本工程进场施工后，根据实际情况，综合各种因素。通过比选方案，找出最合理的后背结构形式。在本工程的施工过程中，实际后背形式的选择受到以下因素影响：1）工程场地内的工程地质情况。2）斜交角度小产生的自转力偶大，单宽承载力大，达 400tm。顶
5、进桥涵重力式后背的优化设计及应用43）由于工程场地的布局限制，出土马道不能设置在基坑两侧，只能设置在基坑后部，这样削弱了后背的抗压、抗扭和稳定性。4）本工程原设计工作坑位于 101 线东侧，桥体自东向西顶进。由于工作坑位于铁路南侧时拆迁量较大，为保证工程如期完成，将工作坑移至 101 线西侧，桥体自西向东顶进。根据设计变更，本桥设计最大顶力为 141000kn，比原设计顶力增加较大。原设计采用钢轨桩后背， 由于铁路东侧路面标高比西侧路面标高平均高出 1.5m，后背原状土高度过低且桥体自重较大，顶进后背按照既有设计图纸施工则承载力不够。通过研究和综合考虑以上各种因素的影响，为了顶进时保证后背的足
6、够抗压和抗扭承载力以及稳定性，选择了重力式“钢筋混凝土后背”而舍弃了“桩式后背”这个方案。通过顶进过程中，对后背墙变化情况的观测，证明实际所选择的方案的可行性。下面将具体的优化后的方案论述如下：2.2、后背的施工方案2.2.1、方案简述根据以往施工经验，这种大吨位的桥涵顶进的如采用重力式钢筋混凝土后背，为增加后背配重，后背填筑方式必须采用桨砌片石，为保证后背的整体抗扭。在两片梁中间设一道宽为 1m，深为 3m 的钢筋混凝土连梁。附图 1、重力式后背平面布置图:预制框架桥体1米2米2米钢筋混凝土连梁重力式后背重力式后背北南东西顶进桥涵重力式后背的优化设计及应用52.2.2、后背受力计算(1)、优
7、化后的后背梁变更尺寸根据基坑的深度、框架桥的宽度及后背顶力的单宽受力。后背梁尺寸拟选用 2m 高、1.2m 宽，为保证后背在顶进过程中有足够的结构抗力，以承受足够的顶力。由于基坑位置的改变，后背梁后增加了回填浆砌片石。为结构增加承受足够的顶力储备，保证桥体的顺利顶进就位。拟选定的后背结构尺寸如下:附图 2、后背结构尺寸图：(2)、后背实际施工截面尺寸受力检算根据本工程的顶力计算要求，后背延米抗力 400tm；我单位采取了保守的施工方案，在拟定的后背结构形式的基础上，加大了后背梁的结构尺寸,后背总高度为 7m,其中后背滑板以下埋深 3m,滑板以上高度为4m,横向截面宽度为 2.0m。根据现场卵石
8、基底的工程地质情况，采用实测值内摩擦角=45；=1.8tm3被动土压力系数:p=tg2(45+45o/2)=5.82；按 T=1/2H2p=400t为施工方便，根据实际填土情况取 H=9m。50205120130702001350500T=108KN60.861352000回 回 回回回回回回回56.82顶进桥涵重力式后背的优化设计及应用6附图 2、顶进后背实际结构施工断面及受力示意图结构受力检算:计算 a 点和 d 的土压力:Pa=1.83.63=19.60t；Pd=1.83.63=58.81tEc=1/2 (19.60258.806)6=235.22tmPc=1.86.03.63=39.2
9、0tMmax=Mc=39.20211/2(58.8139.20)22/32=78.4026.15=104.55 t.m=10455000 kg.cmC 点处截面厚度 200cm，取 h0=180cm；初算钢筋面积:AgMc/gh0=1045500/(23001807/8)8/7=2.88(cm2)取22150 Ag=3.14cm2根据以上的设计计算，初步定出顶进后背的结构尺寸为:填土高度9m,宽度为 1.0m 和 1.5m，高度为 2m 和 6m。混凝土强度选择 C30，钢筋后背填土坡度面墙后土压力分布图说明： 1、图中尺寸以m计；顶进桥涵重力式后背的优化设计及应用7用量选取22150。具体后
10、背配筋图如下:据铁路桥涵钢筋砼和预应力砼结构设计规范表 5.1.3 查得n=15含筋率: = Ag/bh0=3.14140100=0.00022x=hO30cmnn22）（nZ= h0x/3=170(cm)钢筋应力: g=1045500/(3.14170)=19592300 kgcm2混凝土应力:h=210455000/20030170=27.55 kgcm230 kgcm2混凝土标号采用 C30,混凝土强度满足应力要求，故检算实际施工后背结构受力强度合格。3、实际顶进过程中顶力值汇总表:日期日期单宽顶力单宽顶力(T/M)(T/M)后背变化情况后背变化情况2008.06.03347后背墙表面无
11、明显变化2008.06.08305后背墙表面无明显变化150150后背配筋图：长度单位 mm150顶进桥涵重力式后背的优化设计及应用82008.06.12290后背墙表面有细微裂缝2008.06.16286裂缝未伸展通过以上表中实际顶进过程中顶力大小统计分析，以及后背变化情况的观察，可以得出，在本工程中所选择的后背结构形式，完全能够满足顶进时对后背抗压，抗扭及稳定性能的要求。进一步充分论证了所选方案的可行性。4、推广及应用通过在本工程中的设计和施工时的深刻体会，现将顶进式地道桥后背的设置要求归纳如下:1、顶进桥涵的后背，包括后背梁、后背墙和后背填土，必须有足够的强度和稳定性。所以在设计计算过程
12、中，要满足强度和稳定性的要求。2、重力式后背墙的强度都应满足下列要求：1）顶进前，后背墙应能承受后背填土的水平推力。2）顶进时，重力式后背墙体自重与土的摩阻力及墙后填土的水平抗力应能承受全部千斤顶的顶力。3)重力式混凝土后背墙的墙后填土，应使用原地基土壤夯填密实。按目前采用的后背形式，后背都是靠填土的被动土压提供抗力。在顶进时，后背墙会产生微量的向后弹性位移，这是正常现象。上述工程实例中，较详细的阐述了在实际工程中对重力式钢筋混凝土后背的设计及检算方法。此设计和计算方法，非常适合手算，便于工程技术人员掌握。在以后类似的工程中，可以通过比选方案。综合考虑各种因素，选择后背的结构形式，以满足施工的要求。顶进桥涵重力式后背的优化设计及应用95、主要参考文献1、 钢筋混凝土结构质量验收标准 ，薛吉刚等著，铁道出版社,20042、 桥涵顶进与施工M，廖元裳著,中国铁道建筑出版社,20043、 结构力学 （上册）M, 李廉琨著,高等教育出版社,20044、 材料力学M，范钦珊著,高等教育出版社，2004.75、 桥梁工程,冯秉明著,中国铁道出版社,1999
