土牛拱胎在系杆拱桥施工中的应用

土牛拱胎在系杆拱桥施工中的应用

高发学

云南正浩建设工程有限公司 云南 昆明 650000

摘要：本文结合曲靖市长征路新建道路及排洪通道工程第二标段梁拱组合系杆拱桥工程在填筑材料选用、土牛拱胎承载力设计验算、施工注意事项等方面进行阐述，并采用相应合理的施工工艺。通过实践检验，模板与其土牛拱胎安全、可靠，保证了工程的施工质量及施工安全。

关键词：土牛拱胎 承载力计算 施工工艺

前言

国家的发展离不开建设，目前在我国改革开放和市场经济快速发展时期，城市现代化建设当中，各类桥梁结构技术百花齐放，出现了不同的混凝土拱桥结构建筑。这种钢筋混凝土拱桥结构空间跨度和自重大，所以对模板支撑要求高，施工时高度较高和跨度较大的模板支撑，这无疑提高了对支模系统的强度和稳定性能的要求。高支模大体积混凝土项目坍塌后果是十分严重的，一旦出现事故，必将造成重大灾难，应引起施工人员的高度重视。本文将通过一个具体工程实例，详细介绍从传统高支模支撑系统到老办法新用的土牛拱胎从设计到施工的技术过程，从而保证土牛拱胎替代高支模支撑系统工程的安全以及可靠性。

根据传统的模板支撑工艺，无法保证该类构件的整体稳定性及施工过程中的安全，必须通过专门的设计计算及论证，并提出更为严格的构造要求来保证构件施工作业的正常进行。针对本项目的特点及当地水文地质情况，创造性地提出土牛拱胎施工法，以保证工程质量及安全可靠，并未同行提供借鉴。

一、工程概况

长征路（三江大道-瑞和西路）新建道路工程，位于云南省曲靖市开发区内本项道路工程的全长1101.448m，属于城市建设中的重点项目，此项目作为城市建设Ⅰ级主干道项目，从南至北由三江大道至瑞和西路段，拟修建的桥梁为跨越白石江部分。

白石江在长征路K0+920桩号处穿过，现状河道宽约10米，白石江发源于马龙县城东面山麓，于麒麟区史家村汇入潇湘江，30年最大洪峰流量16.5立方米/秒。2009年6月23日暴雨后，河水淹没至本场地高程约1866.5米处。

本桥孔跨布置形式为(23.5+41+23.5)，起讫里程K0+871.97～K0+968.03，全长96.06m。主拱、边拱采用钢筋混凝土箱形截面拱圈，箱形截面桥面梁与拱上立柱、墩上立柱形成梁柱固结体系，梁端则通过板式橡胶支座简支于拱肋上。为了平衡拱脚基础水平推力，在两个悬臂边拱拱端头间设置水平系杆，系杆以体外索形式贯穿悬臂边拱、桥面段、中拱桥面段及中间桥面梁箱体内。

主拱、边拱拱圈及其桥面箱梁均采用现浇施工。

下部结构拱墩为钢筋混凝土承台，基础采用冲孔群桩基础。两岸设置U型桥台，桥台基础采用冲孔灌注桩基础，台后接路基填方。

本桥桥幅总宽60.5m，横桥向分14个单元 (3+4+4+3)，单元间通过拱间横系梁、现浇桥面湿接缝连接为整体结构。

主拱、边拱采用钢筋混凝土单箱单室箱形截面拱圈，拱轴线采用圆曲线，拱半径为36.6m，计算跨度为41m,计算矢高为6.28m,矢跨比为1/6.52866。拱箱标准段高1.2m，腹板厚度40cm，顶板底板厚度20cm，箱宽225cm。

箱形截面桥面梁与拱上立柱、墩上立柱形成梁柱固结体系，梁端则通过板式橡胶支座简支于拱肋上，并通过无缝伸缩缝与拱肋桥面段衔接。桥面箱梁亦为单箱单室截面，梁高1m，顶底板厚20cm，腹板厚度35cm，与立柱刚结部位、梁端头部位设置横隔板。梁拱结合处采用厚180cm的强大横梁过渡。

为了便于各拱肋单元制作模板的统一，拱顶做成等高，桥面横披通过桥面铺装调整。

主拱、边拱、桥面箱梁均按钢筋混凝土构件进行设计。

二、土牛拱胎施工工艺

1、施工工艺流

2、施工方案

（1）土牛胎填筑时需完成桥台及拱座，且混凝土达到设计80%强度。

（2）护坡线以上填筑土不得含大大于10厘米粒径的风化石等，控制粒径；每层填筑虚铺厚度不大于30厘米，用压路机碾压时，第一次采用静压，压实度不小于91%。

（3）按河道排水要求，在河道内设置2根直接为2.0米米管径混凝土管作为排流管，排流管两侧采用黏土回填并压实，粘土回填至洪水位以上0.5米，完成后在粘土表面分层回填风化石经碾压形成土牛拱胎，每层厚度应不超过30cm，碾压过程中，压实度应当大于93%以上。

（4）冲刷线以下河道两侧的土牛拱胎侧面采用5cm厚的C20砼做表面处理，冲刷线以下填土坡度为1:1.5，在粘土迎水面铺一层防水层，再在防水层上堆沙袋防止河沟洪水对边坡稳定的影响；冲刷线以上风化石的填筑坡度为1:1，在风化石表面采用5cm厚的混凝土硬化。

（5）土牛胎模回填至拱轴线以上1.0米，待雨季过后，采用人工配合机械，每3-4米测量修整出基准线，预拱度为向上7cm（见预拱度计算），粗平，整出曲线。

（6）用φ16圆钢在平整的平面上按照拱轴线曲线+预拱度弯成拱轴线模型，每道拱圈两侧采用120砖道作为侧模，砖道上预留3厘米高，在砖道的外侧根据拱轴线标高每3米测出拱轴线标高架上φ16圆钢模型，根据模型标高，用M10砂浆在砖道顶上精确找出拱轴线标高，用小型振动梁在砖道内浇筑10厘米厚C20混凝土作为拱圈底模。

（7）对板高度曲线进行复测，保证高差±2mm。然后在主拱底模上涂刷隔离剂，隔离剂采用脱模剂，涂抹要均匀。且在托模剂上另铺两层油毡，保证垫层混凝土与主拱圈混凝土能够顺利分开。

（8）支立模板，绑扎拱板钢筋，垫好垫块，做好钢筋定位，调整钢筋的位置完成后，浇筑混凝土。

（9）浇筑混凝土时，要严格按混凝土振捣施工进行。振捣过程中严格控制振捣棒插入深度，保证距土牛不少于5cm。浇筑拱肋混凝土时应分段浇筑。

（10）桥面箱梁部分采用φ48×3.0mm钢管脚手架作为支撑施工，箱梁下的部位立杆纵横距为0.6×0.35m，其余部位立杆纵横距为0.6×0.6m，立杆步距1.2m。

桥面箱梁模板支撑架立面简图

（11）系杆钢绞线张拉在混凝土强度达到设计强度的100%后进行。在进行以上作业时，千斤顶悬挂在铁架上，调整锚圈、垫板及千斤顶位置，使孔道、锚具和千斤顶三者之间轴线相吻合。系杆张拉和土拱卸荷程序依据设计方案进行。

3、土牛拱胎承载力的计算

(1)单位面积钢筋混凝土自重：

G1=1.1×2.5=27500N

(2)单位面积施工人员、施工料具、堆放荷载（均布荷载取1.0kN）；

(3)单位面积倾倒砼产生的冲击荷载采用泵送小于0.2 m³均布荷载采用2.0KN；

(4)单位面积振捣砼时产生的荷载，均布荷载取2.0KN；

5. 单位面积模板、支撑荷载：3.0KN；

考虑荷载分项系数（<<路桥施工计算手册>>，175页表8-5）后的合力为：

1.2×（1）+1.4×（2）+1.4×（3）+1.4×(4)+1.2×（5）

=1.2×27500+1.4×1000+1.4×2000+1.4×2000+1.2×3000

=43600N。

需要地基承载力：43.6KPa

土牛回填压实完成后由具有试验资质的实验室来做承载力试验，承载力试验合格后方可进行下一道工序施工。

4、土牛拱胎预拱度设置

当荷载作用下，土体的沉降量由瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降三部分组成。施工过程中地基沉降主要以瞬时沉降为主。

当地基土层较厚时，常用弹性理论公式估算地基瞬时沉降，当基础面积为矩形且基底压力假定为均布分布时，拱顶取单位长度计算，土牛拱胎预拱度计算公式为：

式中：γ₁ 、γ₂ ——主拱圈砼的比重和填土的比重；取γ₁=25KN/m³，γ₂=19.7 KN/m³；

A₁、A₂——主拱圈和拱顶中心实测填土横截面面积,A₁=15.4㎡, A₂=140㎡；

E_S——压缩模量，根据地勘报告，本区域取E_S=30MPa

β——土性参数，粘土、沙土取β=0.83；

μ——地基土的泊松比；粘土、沙土取μ=0.25；

Gd——均布面积荷载下弹性半无限体表面沉降影响系数。a/b=14,取Gd=2.25。

带入式中计算可得：

S=2cm。

预拱度设置时除了考虑土的变形以外还要考虑拱圈结构的弹性变形，本次方案考虑拱圈弹性变形7cm，以拱顶处为最大值，在整个拱圈上以二次抛物线拟合。

三、施工保证措施

本工程拱圈施工拟安排于雨季后实施，秋冬季节雨水较少。

1、胎模填筑主要措施

上土：填料运输采用自卸车运输，松铺厚度按照30cm严格控制。摊铺：为保证土牛压实度的均匀性，采用推土机粗平、人工辅助精平。含水量调整：洒水车在松铺后进行洒水，含水量控制在最佳含水量的±2%，方可进行碾压。碾压：碾压按照“先边缘后中央，先稳压后振动”的原则进行。 YZK18GD压路机静压1遍， YZK18GD压路机振压4遍（由弱振到强振），最后YZK18GD压路机静压1遍收面。碾压时轮迹搭接40~50cm。压路机的碾压速度，开始两遍采用1.5～1.7km/h，以后采用2.0～2.5km/h。边角处不适宜大型压路机作业的地方，先用小型振动压路机或手扶式振动夯振压，不留死角。压实度:到达要求的压实度。土牛边坡防护:土牛边坡修整用人工配合挖掘机整修坡比至1:1，坡面喷5cm厚C20混凝土防水。

2、钢筋工程施工主要措施

一是在钢筋堆放位置，场地要夯实，并高于现场地面，应用垫木楞起钢筋，避免水浸，尤其是原材料加工完成的半成品及成品，做好防潮，雨天苫布遮盖避免雨水淋湿，钢筋堆放用垫木将钢筋架起，避免因雨水浸泡，防止锈蚀。

二是钢筋在加工与焊接时，避免雨天施工，防止焊缝不严或接头脆裂。

3、模板工程施工主要措施

一是涂刷水溶性脱模剂，模板涂脱模剂后要防止雨水冲刷，保证顺利脱模和混凝土表面质量。

二是雨后应将模内的积水及时排除，再行浇注施工，避免潮湿引起浇筑质量问题，模内杂物用气泵难以吹出，应由人工进行清理。

4、砼施工主要措施

一是收听天气预报保证在无雨天夜间施工，浇筑完毕加以覆盖。

二是浇筑时要及时做好收浆工作，收浆完成后及时覆盖并浇水养护，养护时间不低于7天。

三是再主拱牛胎上设置沉降观测点，在浇筑混凝土以及天气变化时应密切关注观测控制点的标高观测，如有不正常变化时应立即采取措施保证土牛拱胎的稳定性。

附件一：土拱牛胎立面布置图

附件二：土拱牛胎平面布置图

四、专家论证

为保证结构的安全，我单位组织进行了专家论证，设计、监理、业主方参与，工程安全、质量监督部门现场监督，在听取了五位专家的宝贵意见后，对原方案作了适当修改，然后按相关程序进行了终审，土牛拱胎支撑系统方案最终定稿。

五、具体实施及复核、检查

对于参与土牛拱胎填筑施工进行了详细的技术交底，对施工每个过程都进行了详细的跟踪及检查。同时按照规范要求，对土牛拱胎的细部构造做法进行了详细的检查及验收，对于土牛拱胎的安全性也进行了综合检查。在发布浇筑令前还请公司内部领导及参与论证的专家以及建管局领导进行了验收，确保结构的质量及安全。

六、结语

本文结合曲靖市长征路新建道路及排洪通道工程第二标段梁拱组合系杆拱桥工程实例，介绍了土牛拱胎支撑系统设计、施工一般工艺，并详细阐述了本工程施工注意事项，取得了良好的效果。同时，本文工作可为类似工程的设计及施工起到一定的借鉴作用。

参考文献：

1、《长征路路二标段新建道路工程施工图纸》；

2、《长征路地质勘察报告》；

3、《土力学原理》.清华大学出版社.2004；

4、《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)；

5、《公路桥涵施工技术规范》JTJ041-2004

6、安全专项施工方案专家论证记录。