关于顶进框架地道桥后背的几点浅析
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摘要：浅谈板桩式和重力式后背的分类及其适用的土质，在实际工程中两种后背的施工及顶进受力过程中遇到的问题和应注意的事项。钢板桩式后背和重力式钢筋混凝土后背最大设计顶力计算、小角度斜架桥后背的做法的几点看法。设计制作即能满足框架桥顶进要求又能减少施工成本。
关键词：刚性后背刚弹性后背理论最大设计顶力小角度斜交
中图分类号：TU997文献标识码： A
采用顶进法施工的桥涵，后背是重要的施工组成部分。它承受顶进时的水平顶力，虽然是一项临时结构，但对施工顺利与否关系极大。如果后背不牢固，顶进时发生较大的位移，就可能把桥顶偏，甚至不能顶进其后果更为严重。另外后背造价占整个工程投资的比例较大，如果后背做的过于安全，不能充分发挥其潜力，显然也是浪费。因此，必需因地制宜的作出既保证安全，又经济合理的后背方案。
一、后背形式的分类
后背类型有：1、板桩式后背，其主要由钢板桩或型钢（钢轨、槽钢、工字钢等）、后背梁和后背填土三部分组成。2、重力式后背，按所用材料不同又可分为钢筋混凝土后背和浆砌片石后背，其主要有后背墙、分配梁和后背填土三部分构成。3、拼装式后背，主要有钢筋混凝土预制块（抵座）或钢筋混凝土预制桩、垫层和后背填土三部分组成。其中，按后背的刚度分类可分为刚性后背和刚弹性后背。其中板桩式后背属于刚弹性后背，因为其后背梁的刚度相对较小，在顶进过程当中后背梁实际发生的位移较大。钢筋混凝土重力式后背属于刚性后背，顶进时实际发生的位移相对较小。
二、两种后背在实际施工中的对比
在实际施工中刚弹性后背，当其后背填土高度不高时，本着便于取材、降低施工成本的原则一般采用钢轨桩式后背；当其填土高度较大时一般采用40b或更大型号的工字型钢桩式后背。
1、板桩式后背在实际应用中有一定的局限性。首先，在板桩式后背施工时，与理论计算的假设条件、模型存在一定的出入。其中最严重的是理论设计计算时假定顶柱传给后背梁的顶力的合力的作用线和后背填土产生的抗力（被动土压力）的合力的作用线作用在同一直线上，而实际施工时很难控制其两个合力的作用线作用在同一直线上，而只能尽量减少两个作用线间的距离h（h是顶力合力作用线与抗力合力作用线之间的距离）。当两条作用线间的距离h逐渐增大时，会改变后背梁的受力状况，使得其实际工作原理与理论计算时的假定的工作原理产生较大的不同。当h较大时，在顶进时会加大后背梁的位移量。
理论计算简图如图1 两作用线不在一直线上如简图2
在进行纠偏时或小角度桥顶进两个顶进后三角布镐数量不均且同时作用在同一后背梁时后背梁两侧受力大小不一样，在顶进合力和后背抗力合力作用线之间h的共同作用下，会产生一个扭矩，当扭矩较大，而后背梁截面尺寸较小时，这时后背梁受弯剪作用同时还受扭矩作用（如见图3）。在这种情况下，一般实际顶力相对于设计顶力较小时（根据几个实际工程的情况是实际顶力为设计顶力的60%~75%），后背梁就会出现45°的斜裂缝，随着顶力的增加裂缝会不断延伸直至贯穿整个后背梁，裂缝的数量和宽度也会随之增加，这对顶进十分不利，施工应尽量避免。
图3
其次，如果采用打桩后再开挖工作坑的施工方法时，虽然能节省后背后面的大量填土，又可以保证桩后土壤的密实度，但这势必会延长施工工期而且不适宜在砂卵石和较坚硬的土质打钢板桩。框架地道桥的施工，由于在既有铁路线上施工的特殊性，一般施工工期都十分紧张，这种施工方法对保证工期不利。采用打桩方法施工必须动用大型起吊设备、打桩设备、运输设备等，而且耗钢量很大，造价相对较高。若采用挖埋的方法施工时，桩后填土的密实度较差，还有钢板桩或型钢与后背梁之间也难以保证严密接触，造成顶进时钢轨或型钢传递到后背梁上的被动土压力不均匀，这对后背梁受力非常不利，通常会使后背梁产生竖向裂缝，严重时会使后背梁断裂。当后背处的原始地面相对滑板的高差较小时即基坑挖深较小时，不宜采用板桩式后背。因为在这种情况下，为了满足抗力的要求和施工的要求，使得后背填土的方量会成倍的增加，而且效果不是很好。04年6月份我单位承建的六环路良黄段下穿京广线铁路立交工程，属于高路基段，后背处的原始地面与滑板基本平齐，采用40b工字钢板桩式后背，此工程后背填土量很大且密实度不易控制，被动土压力传递不均匀，顶进过程中后背梁出现竖向和45°方向的斜裂缝等情况。实践说明这种情况下不宜采用板桩式（刚弹性）后背，采用刚性后背比较合适。
2、在实际施工当中采用刚性后背的较多，而刚性后背又以钢筋混凝土重力式后背为主。钢筋混凝土后背施工方便、不需要占用大量钢材而且适应各种土质，施工时不需要大型起吊设备、打桩设备和运输设备等，而且易于保证后背填土的密实度，钢筋混凝土后背刚性较大顶进时的位移量较小。但实际施工时钢筋混凝土后背往往结构设计尺寸过大，顶进过程中后背的安全储备顶力过大也就是后背的安全系数过大。钢筋混凝土后背设计偏于保守的原因是多方面的，下面就理论最大设计顶力计算公式谈几点看法。
理论最大设计顶力计算公式：
F= K×[G1.f1+（G1+G2）f2+2E.L.f3+F.A]
其中：F---理论最大设计顶力
K---安全系数
G1 ---桥体自重
G2 ---桥位处线路加固体系的重量
f1、f2、f3---摩擦系数
E---边墙土的侧压力
L---桥体沿轴线长
F---单位面积吃土阻力
A---吃土面积
其中边墙土的侧压力计算公式：E=1/2γ.H2.λ，H一般在计算中取基坑边的地面到框架桥底板底的高差。在实际顶进过程中H的实际值远小于理论计算的取值。因为顶进过程中为了能有一定的空间对桥体进行纠偏，一般在出土时都会把刃角两侧掏空一定的距离，所以能对边墙产生侧压力的土壤高度H值较小，当桥体沿轴线长度越长即L值越大，底板底离地面的高差越大即H值越大，则边墙土的侧压力的理论计算值偏离其实际值就越大。f1为桥体底板与底板下的土壤间的摩擦系数，为滑动摩擦系数，在理论计算中一般取0.8。根据顶进过程中实际顶力的分析，对于粘土、亚粘土、粉土、砂土、亚砂土等土质情况下f1取值0.8有些偏大。f2为线路加固系统与桥体顶面间的摩擦系数，实际施工中一般都采用小滑车，使滑动摩擦变为滚动摩擦进行减阻。在理论计算中f2一般按滑动摩擦系数取值，实际上滚动摩擦系数比滑动摩擦系数小的多。以上几个方面共同导致理论最大设计顶力值偏大，从而使得后背截面尺寸和配筋篇大，在顶进过程中后背不能较好的发挥其储备顶力。
后背抗力（被动土压力）一般采用朗金理论计算，根据朗金土压力理论的假设条件：墙背竖直而且光滑（δ=0），填土与墙顶平齐。在完全满足条件时，朗金被动土压力公式：P= r.h.tg2(45°+φ/2),应用该式，计算比较简便，但由于实际上后背的墙背并不光滑，也就是后背与填土间的外摩擦角δ≠0，因而所得的结果偏小。换句话说按朗金被动土压力理论及公式计算的土压力是相当保守的。据苏联索柯洛夫斯基及德国贾克.奥德的精确解，以及北京市政工程研究所进行的试验表明:当φ=30°，δ=1/2φ时，被动土压力系数4.39，而按朗金公式计算的被动土压力系数为3.0，两者相差1.46倍。如果δ=2/3φ时，则两者相差约1.6倍。故按朗金公式计算的被动土压力值相对精确值而言，相当于包括了一个1.46～1.6倍的安全系数，因此设计后背抗力（被动土压力）时不必再另加安全系数，而可以直接采用。而实际计算理论最大设计顶力时是加了一个安全系数K的，这使得实际后背更偏于保守了，同时也增加了施工成本。
三、小角度斜交框架地道桥后背的设计与施工
当框架桥是小角度斜交时，桥体在顶进过程中会产生很大的扭转力矩，为克服扭转力矩及实现对桥体的纠偏保证桥体的顶进方向，须通过对桥体两侧不均匀布镐来实现，这就造成两个后背（当后背分开做时）受力相差较大，角度越小，两后背受力相差就越大。小角度斜交桥锐角侧（就桥体前段而言）的后背受力较小。这侧后背在整个顶进过程中，一般在桥体启动和空顶时受力最大。总之，小角度斜交桥采用两个后背分开做时，锐角侧的后背受力远小于钝角侧的后背受力。而实际施工中，一般只计算理论最大设计顶力，然后根据最大设计顶力计算设计后背截面尺寸和配筋，两个后背一般都按最大设计顶力计算所得的截面尺寸和配筋进行施工，这样锐角侧后背的顶力储备太大，而且还增加了施工成本。根据锐角侧后背在实际顶进过程中受力相对较小的情况，应该在计算完最大设计顶力和偏心距后确定顶镐数量及分布情况，再根据锐角侧实际布置的顶镐数量对这侧后背进行计算设计确定截面尺寸和配筋，这样既能满足施工要求又能节约施工成本。
在顶进法施工的桥涵工程中，后背虽然是一个临时结构，但它是整个工程的很重要的工序和组成部分。后背是否牢固，能否满足顶进要求，直接关系到桥涵能否顺利顶进和顶进质量。而施工单位又是以盈利为目的的单位，所以对后背设计施工应该做到既能满足施工要求又能最大限度的节约施工成本。