土牛拱胎在拱桥拱圈施工中的应用

曾 希 刘愿祝 罗思杭 高 飞

中建三局第二建设工程有限责任公司安装公司 湖北 武汉 430074

拱桥因造型美观大气、景观效果极佳而常作为城市桥梁结构首选。拱桥拱圈是施工的重点和难点[1-4]，在设计施工方案中通常采用支架施工[5]，而现浇拱桥则需要加工拱架和模板，经搭设满堂支架、加载预压，在拱圈浇筑成形后逐步卸架，耗时长、费用大，且存在较大的安全隐患。

为了消除采用支架进行拱圈施工的不利影响，本文引入土牛拱胎[6-7]的施工方法，就地取土，通过基底抛石挤淤、土方填筑压实、垫层施工、土牛拱胎沉降观测、土牛拱胎拆除等工序，完成拱圈施工，在缩短施工周期的同时也降低了施工成本，较适用于小跨径拱桥拱圈模架施工。

1 工程概况

某桥梁为上承式拱桥，全长28.8 m，宽7 m（图1）。桥体上部构造为现浇钢筋混凝土无铰板拱，净跨20 m，矢高3 m，矢跨比为1/6.667，拱脚厚50 cm，拱圈顶厚40 cm，桥面采用沥青混凝土铺装。桥体下部结构采用U形台，钻孔灌注桩基础，桩基均为嵌岩桩。桥台基础采用1.5 m桩径，边跨采用厚0.2 m薄壁墩。

图1 桥型布置

2 主要材料与设备

土牛拱胎施工所需的材料主要为块石和填筑土方。拱圈施工采用直径分别为12、16、25 mm的HRB400级钢筋进行绑扎，混凝土浇筑等级采用C40。

3 土牛拱胎预拱度计算

在荷载作用下，土体的沉降量由瞬时沉降、主固结沉降和次固结沉降3个部分组成。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如式（1）所示。

式中：γ1——主拱圈混凝土的相对密度，取25 kN/m3；

γ2——填土的相对密度，取19.7 kN/m3；

A1——主拱圈实测填土横截面面积，取8.8 m2；

A2——拱顶中心实测填土横截面面积，取87.9 m2；

Es—— 土体压缩模量，根据地勘报告，本区域取 30 MPa；

β——土体参数，黏土取0.83；

μ——地基土泊松比，黏土取0.25；

Gd—— 均布面积荷载下弹性半无限体表面沉降影响 系数，取0.286。

带入式（1）中计算可得：S＝2.1 cm。

4 土牛拱胎承载力计算

1）单位面积钢筋混凝土自重取主拱圈混凝土自重的1.1倍，即27.5 kN/m2。

2）单位面积荷载，取1.0 kN/m2。

3）单位面积倾倒混凝土产生的冲击荷载，取2.0 kN/m2。

4）单位面积振捣混凝土时产生的荷载，取2.0 kN/m2。

5）单位面积模板、支撑荷载，取3.0 kN/m2。

考虑荷载分项系数后的地基承载力为：1.2×27.5＋1.4×1.0＋1.4×3.0＋1.4×2.0＋1.2×3.0＝43.6（kN/m2）。土牛拱胎回填压实完成后由具有试验资质的实验室进行承载力试验，承载力试验合格后方可进行下一道工序施工。

5 土牛拱胎施工方法

5.1 施工流程

采用“土牛拱胎”进行拱圈施工的核心思想是在具备上部结构施工条件的情况下，利用坚实的土体来代替支架，将土牛拱胎沉降量按预拱度处理，用水泥混凝土调平垫层、刮腻子的方法代替底模板，快速完成上部结构的施工。土牛拱胎施工流程为：基底抛石挤淤→土方填筑压实→垫层施工→土牛拱胎沉降观测→土牛拱胎拆除。

5.2 施工方法

5.2.1 基底抛石挤淤

现状基底含有厚约20 cm的淤泥，为了保证土牛拱胎成形后的压实度，对原地面以下50 cm的土质进行抛石清淤处理，抛填边宽超出土牛拱胎两侧填筑边线各1.0 m。所选块石应质地坚硬，严禁使用风化石和易水解石块。抛石采用自卸汽车卸料，挖掘机配合装载机抛填。采用进占法进行块石填筑，由挖掘机在作业半径内均匀拋填第1层块石，完成后，挖掘机来回走动进行碾压，待块石沉入淤泥与基底齐平后可进行第二层抛石，完成后用同样方法进行碾压。若块石无明显沉降，可向前延伸进行下一段施工，若块石沉降量仍较大，则需再抛一层块石进行碾压，直至块石沉降量较小为止。

5.2.2 土方填筑压实

土牛拱胎填筑前放出坡脚线，采用黏土进行分层回填，每层虚铺厚度为30 cm，填筑完成后进行碾压。碾压时控制土体的含水率在最佳含水率±2%范围内，碾压遍数不少于5遍，以保证每层土压实度在95%以上，施工完成后用灌砂法检测压实度，经检测合格后方可进行下一层的填筑。土牛拱胎填筑到设计标高时，采用小型挖机削减桥顶两侧土方，保证土拱大致呈弧形。按照设置的预拱度进行线形调整，制作弧形钢筋（带插筋）固定于土牛拱胎上，利用人工进行土方精确找平。桥台墩座位置由于预埋钢筋的影响，无法压实土方，改为回填碎石，采用小型打夯机压实。

5.2.3 垫层施工

为了提高土牛拱胎表面的强度，保证混凝土浇筑完成后拱圈底面光滑平整，在土牛拱胎顶部浇筑一层厚5cm 的C25混凝土调平垫层，垫层施工完毕后刮3道腻子，并涂上脱模剂，保证垫层混凝土与主拱圈混凝土能够顺利分开，如图2所示。

图2 垫层施工

5.2.4 土牛拱胎沉降观测

在两边拱脚、拱圈断面1/4、1/2、3/4处设置测点，每个断面设置3个测点，垫层浇筑完成后，采用全站仪对土牛拱胎每个断面测点的标高进行严格复核，保证误差控制在±5 mm范围内。在主拱圈混凝土浇筑过程中应密切观察测点沉降情况，当变形较大时应先浇拱顶段混凝土以平衡变形。通过对拱圈施工全过程测点的持续观测，土牛拱胎最大沉降值为10 mm，未超过预留拱度，满足变形要求。

5.2.5 土牛拱胎拆除

在主拱圈混凝土强度达到90%后，方可进行土牛拱胎的拆除。拆除时，由拱顶向拱脚对称进行拆除作业，2台挖机挖进速度应大致均匀，先将中心部位挖空，要注意初始的挖土量要少，以后逐渐增大，保证其平稳、均匀沉降。中心部位挖空后，待其部位的拱圈稳定一段时间后，再用挖机由中心向左右两侧挖土，两边挖土要均匀。土牛拱胎的胎身挖除时，大部分底模会随着土方的挖除自动脱落，个别未脱落的底模应安排人工拆除，严禁挖机猛烈敲击拱圈。

6 经济效益对比分析

项目部应用土牛拱胎模拟桥拱面的施工技术，与满堂支架施工技术相比，施工减量化效果突出，有一定的经济效益，节约了施工成本10.74万元。

7 结语

某上承式拱桥采用土牛拱胎进行拱圈施工，在施工过程中主要技术指标经检测均满足设计和规范要求，桥身无裂缝，无变形、变位，使用性能良好。相比于传统采用支架进行拱圈施工的方法，土牛拱胎拱圈的施工方法主要有以下方面的优越性：

1）施工方法简便。按照拱圈线形，预留适当拱度，逐层填筑并整修成土牛拱胎，铺设混凝土调平垫层＋刷3道腻子粉后，即可进行拱圈施工。整个施工过程简单，易于质量控制。

2）合理缩短工期。由于施工方法简单易行，填筑、挖除土牛拱胎机械化作业程度高，相比满堂支架施工法可大大缩短施工工期。

3）有效降低成本。就地取土，结合原地面填筑成形。成本主要为土方机械费用，相比满堂支架需长时间大量租用并搭拆钢木组合支架，工程施工成本降低较多。

4）确保安全生产。土牛拱胎拱圈的钢筋安装、混凝土浇筑时不必担心模架失稳，拆除土牛拱胎时挖掘机从拱顶向拱脚对称作业即行，无满堂支架失稳垮塌安全隐患。施工风险几近为零，有效保障了安全生产。