重型機(jī)械荷載作用下鄰近高鐵橋墩的擾動(dòng)性分析

王飛球,荀智翔,王 浩,朱克宏

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075； 2.中鐵二十四局集團(tuán)有限公司，上海 200071；3.東南大學(xué) 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

0 引 言

重型施工機(jī)械是中國(guó)大型工程建設(shè)因施工需求而專門(mén)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一類專用施工機(jī)械設(shè)備，具有大推力、高負(fù)載的工作特性和優(yōu)勢(shì)，在工程建設(shè)中起著舉足輕重的作用，是國(guó)家重大工程建設(shè)成功與否的關(guān)鍵裝備[1]。重型施工機(jī)械體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且施工環(huán)境比較惡劣，一旦發(fā)生安全問(wèn)題，小則影響施工進(jìn)度、工程質(zhì)量，大則危害到施工人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，甚至帶來(lái)災(zāi)難性的后果[2-3]。

目前，隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，高鐵與城市地鐵的路線網(wǎng)絡(luò)化在方便廣大市民出行、緩解市內(nèi)交通的同時(shí)，也必然伴隨著新舊結(jié)構(gòu)的相互穿越，鄰近既有路線的施工日益增多，所造成的鄰近結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題已成為項(xiàng)目建設(shè)的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者均對(duì)此做了深入研究[4-7]。禚一等[8]通過(guò)數(shù)值仿真分析的手段研究了軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近高鐵的影響。張學(xué)鋼等[9]通過(guò)數(shù)值模擬研究了隧道施工對(duì)鄰近既有鐵路橋樁基的擾動(dòng)規(guī)律。田雨等[10]對(duì)鄰近并行的高鐵橋梁與高速公路相互影響性進(jìn)行了安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，提出了多種有效措施來(lái)降低高鐵橋梁與高速公路鄰近所帶來(lái)的不利影響。于廷新[11]針對(duì)軟土地區(qū)某鄰近高鐵基坑進(jìn)行了支護(hù)設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)分析，提出了預(yù)警、調(diào)整施工方案，保證了基坑開(kāi)挖安全、高鐵正常運(yùn)營(yíng)。曹權(quán)等[12]基于三維數(shù)值法和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)研究了基坑群開(kāi)挖對(duì)鄰近既有地鐵隧道影響，對(duì)復(fù)雜條件下基坑群的信息化施工、確保隧道的安全運(yùn)營(yíng)具有重要的指導(dǎo)意義。Sharma等[13]研究了大面積開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道變形的影響，發(fā)現(xiàn)隧道襯砌的剛度對(duì)開(kāi)挖引起的隧道位移和變形具有重要的影響。Hu等[14]通過(guò)研究上海地鐵隧道附近的軟土深層開(kāi)挖施工，提出了一種簡(jiǎn)化的理論方法來(lái)估計(jì)由于泵送固結(jié)而導(dǎo)致的軟黏土層中不排水剪切強(qiáng)度的增加，并采用傳統(tǒng)的有限元方法預(yù)測(cè)挖掘引起的土體垂直和水平位移。Cao等[15]提出了一種鄰近高速鐵路基礎(chǔ)施工對(duì)現(xiàn)有高速線路運(yùn)行安全性和乘坐舒適性影響的預(yù)測(cè)方法。以上針對(duì)鄰近既有工程施工的安全性與影響性均開(kāi)展了有效的研究，但通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的手段對(duì)重型機(jī)械鄰近高鐵線施工過(guò)程的定性理論研究仍不多見(jiàn)。

為此，本文基于寧和城際涉鐵工程，通過(guò)數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)重型機(jī)械設(shè)備施工時(shí)的安全隱患，并對(duì)重型施工機(jī)械施工過(guò)程中土體應(yīng)力變化以及鄰近高鐵橋墩的變位情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為施工過(guò)程的安全性提供了真實(shí)基礎(chǔ)資料，對(duì)今后類似工程具有重要的參考價(jià)值。

1 工程背景

寧和城際軌道交通一期工程位于京滬高鐵與滬蓉鐵路兩側(cè)，板橋河段涉鐵工程分為左、右兩線，左線位于滬蓉鐵路左側(cè)，右線位于京滬高鐵右側(cè)。本工程中，新建橋墩與既有高鐵橋墩的間距最近不足10 m，故鄰近既有線的樁基施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大，為減少因鉆孔樁對(duì)地層的擾動(dòng)而造成既有線樁基位移或沉降，鄰近高鐵橋墩的SBY020，SBY021墩的樁基均采用全套管工法逐樁、逐墩施工，鋼護(hù)筒跟進(jìn)至樁底，具體見(jiàn)圖1。

鉆機(jī)選用徐州景安重工的JAR200H全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，鉆機(jī)主機(jī)外形尺寸為4 800 mm×3 285 mm×4 020 mm，主機(jī)質(zhì)量達(dá)46 t。吊裝設(shè)備選用日本住友LS248RH5型號(hào)履帶吊，主臂長(zhǎng)為18.3 m，最小工作半徑為5 m，全面配重可達(dá)180 t。由于機(jī)械自身配重大，施工周期長(zhǎng)且施工鄰近運(yùn)營(yíng)的高鐵線，故有必要研究重型機(jī)械施工對(duì)鄰近高鐵橋墩的影響，為今后類似工程的安全施工提供可靠參考。

2 重型機(jī)械荷載作用下鄰近高鐵橋墩的數(shù)值分析

2.1 有限元建模

結(jié)合本工程實(shí)際，采用有限元軟件PLAXIS 3D

對(duì)重型機(jī)械荷載作用下鄰近高鐵橋墩的擾動(dòng)性進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，土層材料本構(gòu)為摩爾-庫(kù)侖模型，模型中橋梁承臺(tái)和橋墩采用線彈性的鋼筋混凝土實(shí)體單元模擬，高鐵樁基采用樁單元模擬。模型底部施加完全固定約束，取X方向?yàn)轫槝蛳?，Y方向?yàn)闄M橋向，Z方向?yàn)樨Q向。考慮到各高鐵橋墩受施工影響大小不一，選取受影響較大的J18，J19橋墩為主要分析對(duì)象。京滬高鐵橋墩結(jié)構(gòu)參數(shù)及地基土物理力學(xué)參數(shù)分別如表1，2所示。

經(jīng)試算，選取有限元模型尺寸為60 m×60 m×70 m，可避免邊界約束問(wèn)題的影響，全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)及履帶吊荷載等效為面荷載，如圖2所示。數(shù)值計(jì)算具體分為3個(gè)施工步，以清晰模擬重型機(jī)械施工過(guò)程中周?chē)馏w變形、應(yīng)力變化及其對(duì)鄰近高鐵橋墩的影響。工況1：初始應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，分析模型中巖土體由于受自重形成的應(yīng)力場(chǎng)，位移清零。工況2：在地層中建立樁基及上部高鐵橋墩，位移清零。工況3：施加重型機(jī)械荷載并讀取土體應(yīng)力變化值及鄰近高鐵橋墩變位。

表1 京滬高鐵橋墩結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural Parameters of Beijing-Shanghai High-speed Railway Bridge Piers

表2 地基土物理力學(xué)指標(biāo)Tab.2 Physical and Mechanical Indexes of Foundation Soils

2.2 數(shù)值計(jì)算及分析

讀取重型機(jī)械荷載作用下周?chē)馏w不同方向的變形位移等值線，見(jiàn)圖3。同時(shí)，讀取J18，J19橋墩頂部所有單元節(jié)點(diǎn)位移值，并求出均值以反映橋墩墩頂位移變化，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

由表3及圖3可知：①J18與J19橋墩在順橋向、橫橋向、豎向均在重型機(jī)械作用的影響范圍內(nèi)，其中順橋向橋墩周?chē)馏w變形范圍為0～0.5 mm，橫橋向?yàn)?0.8～-0.4 mm，豎向位移為-1～0 mm；②J18與J19橋墩豎向位移極小，不超過(guò)0.1 mm，表明橋墩周?chē)馏w雖有變形，但橋墩自身豎向位移幾乎不受重型機(jī)械作用的影響；③橋墩水平位移受重型機(jī)械作用的影響較為明顯，其中J18與J19橋墩水平位移分別為0.888，0.929 mm，均已超越預(yù)警值0.8 mm?；跇蚨斩枕斔轿灰瞥筋A(yù)警值計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)采取土地硬化、鋪設(shè)鋼板等方式，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以保證施工過(guò)程中高鐵的運(yùn)營(yíng)安全。

表3 鄰近高鐵橋墩頂部位移模擬結(jié)果Tab.3 Simulation Results of Top Displacements of Closed High-speed Railway Piers

3 履帶吊靜置前后土體側(cè)向應(yīng)力實(shí)測(cè)分析

從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，因履帶吊及全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)質(zhì)量大，在京滬高鐵J18，J19高鐵橋墩旁施工或長(zhǎng)時(shí)間停放時(shí)對(duì)橋臺(tái)造成較大的側(cè)向壓力，從而使橋臺(tái)變位，鄰近橋墩水平位移均超越預(yù)警值，極易造成安全隱患。因此，在周邊距橋墩一定距離處進(jìn)行荷載試驗(yàn)，主要測(cè)試履帶吊靜置前后周?chē)馏w應(yīng)力的變化情況。

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

選擇與現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)相似的空曠地段，開(kāi)挖長(zhǎng)2 m、寬1.5 m、深1.5 m的土坑，立模澆筑混凝土，并將土壓力盒埋設(shè)入內(nèi)，最終使用場(chǎng)地土進(jìn)行回填并壓實(shí)。其中土壓力盒的布設(shè)測(cè)點(diǎn)數(shù)為4個(gè)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為T(mén)1，T2，T3，T4，布置方案如圖4所示。

采集土壓力盒初始數(shù)據(jù)，并按照履帶吊的可行走軌跡，調(diào)整履帶吊朝向，使其沿模擬混凝土承臺(tái)的邊緣行走，直至其中心線與承臺(tái)中心線平齊，并靜置30 min，隨后測(cè)試承臺(tái)測(cè)點(diǎn)處的土壓力，其中履帶吊行走軌跡如圖5所示。

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

試驗(yàn)于2016年6月11晚8時(shí)15分進(jìn)行，初始數(shù)據(jù)、履帶吊靜壓下測(cè)試數(shù)據(jù)及土體殘余應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

由表4可知：①同一土層高度上土壓力值基本相同，履帶吊靜壓后，測(cè)點(diǎn)處土壓力明顯增大，且表層測(cè)點(diǎn)T1與T3附加應(yīng)力(均值0.048 MPa)遠(yuǎn)大于下層測(cè)點(diǎn)T2與T4土體附加應(yīng)力(均值0.013MPa)；②對(duì)比T1與T3和T2與T4測(cè)點(diǎn)結(jié)果，上下2層土體之間的高度差僅為0.5 m，而土壓力值的下降卻超過(guò)了2/3，故可認(rèn)為靜載壓力的傳遞深度較淺，衰減較快，對(duì)深層土無(wú)明顯影響，與已有研究結(jié)果一致[16]；③實(shí)測(cè)附加應(yīng)力值均小于模擬值，這可能是由于現(xiàn)場(chǎng)土壓力盒埋設(shè)時(shí)需回填覆土，而回填土的密實(shí)度無(wú)法達(dá)到其初始密實(shí)狀態(tài)所致。

表4 測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.4 Test Data

4 鄰近高鐵橋墩土體應(yīng)力的實(shí)測(cè)分析

為掌握履帶吊就位后鄰近高鐵橋墩附近土體的應(yīng)力變化情況，在土壓力測(cè)點(diǎn)采用鉆機(jī)成孔，將預(yù)先焊接在鋼筋架固定位置處的土壓力盒埋設(shè)在孔內(nèi)3，6，9 m深度處。埋設(shè)時(shí)，保證承受土壓力的土面嚴(yán)格整平，回填與周?chē)亮舷嗤耐亮?，小心用人工分層夯?shí)，保證了土壓力盒與周?chē)馏w緊密接觸。同時(shí)將引出電纜埋設(shè)在預(yù)留溝中以防止碾壓而損壞。當(dāng)土體內(nèi)測(cè)點(diǎn)土應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，即可測(cè)出土體的壓應(yīng)力值，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。本測(cè)試團(tuán)隊(duì)于2016年6月13日之前在J18，J19號(hào)讀取橋墩附近土壓力測(cè)點(diǎn)土體初始應(yīng)力值。14日凌晨1點(diǎn)，履帶吊啟動(dòng)并從橋墩下方鋼筋混凝土加固路基通過(guò)，在履帶吊就位后，即對(duì)履帶吊與高鐵橋墩之間土體應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試。15～17日履帶吊與全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)配合進(jìn)行樁基施工。全過(guò)程土壓力測(cè)試結(jié)果如表5所示。

由表5可知：①履帶吊就位后大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的土壓力值均沒(méi)有發(fā)生變化，只有AT1(3 m)，AT1(6 m)，AT2(3 m)，AT2(6 m)，BT1(3 m)，BT1(6 m)這6個(gè)測(cè)點(diǎn)處的土壓力發(fā)生了小幅度的增長(zhǎng)，其中AT1(3 m)與BT1(3 m)測(cè)點(diǎn)處的增幅最大，分別為0.005 MPa和0.007 MPa，這主要是由于兩測(cè)點(diǎn)距離履帶吊最近且埋置深度最淺，受履帶吊自重影響相對(duì)較大；②土體的附加應(yīng)力隨著深度的增加而迅速衰減，6 m深度處的土壓力增幅最大僅為0.003 MPa，9 m深度處的土壓力增幅為0.001 MPa；③土體附加應(yīng)力的水平擴(kuò)展范圍也很小，AT3與BT3測(cè)點(diǎn)基本不受影響，表明影響范圍不足20 m；④全套管樁基施工期間測(cè)點(diǎn)應(yīng)力幾乎不變，與數(shù)值模擬結(jié)果較為一致，表明該工法對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)較小，適合鄰近既有線樁基施工[15]。

5 鄰近高鐵橋墩的變位實(shí)測(cè)分析

為實(shí)時(shí)掌握施工全過(guò)程中鄰近高鐵橋墩的變位動(dòng)態(tài)，以確保高鐵的運(yùn)營(yíng)安全，在測(cè)點(diǎn)埋設(shè)、履帶吊進(jìn)場(chǎng)以及全套管樁基施工階段均對(duì)鄰近J18，J19高鐵橋墩的豎向位移、水平位移、傾斜度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為間隔2 h，其變位情況如圖7～9所示。

表5 鄰近高鐵橋墩土壓力測(cè)試結(jié)果Tab.5 Earth Pressure Test Results near High-speed Rail Pier

由圖7～9可知：①在履帶吊與全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)配合施工期間，J18，J19高鐵橋墩的豎向位移、水平位移及傾斜度的變化均在預(yù)警值范圍[17]之內(nèi)，不影響正常高鐵運(yùn)營(yíng)的行車(chē)安全，其中橋墩順、橫橋向豎向位移變化均基本穩(wěn)定，在預(yù)警值±0.8 mm范圍內(nèi)上下波動(dòng)；②橋墩的順橋向水平位移整體變化較小，波動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，而橫橋向水平位移均為負(fù)值，但均在預(yù)警值±0.8 mm范圍，說(shuō)明由于重型機(jī)械的施工造成鄰近高鐵橋墩有微小的偏移，但影響程度極?。虎蹣蚨諆A斜度的順、橫橋向監(jiān)測(cè)結(jié)果較為平穩(wěn)，且遠(yuǎn)小于預(yù)警值。

為更好掌握重型機(jī)械施工期間鄰近高鐵橋墩的變位情況，從上述監(jiān)測(cè)結(jié)果中提取最值，并計(jì)算均值與標(biāo)準(zhǔn)差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。

表6 監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.6 Statistics of Measured Results

注：豎向位移，正表示測(cè)點(diǎn)上升，負(fù)表示測(cè)點(diǎn)下沉；水平位移，順橋向正表示測(cè)點(diǎn)朝向上海方向，負(fù)表示測(cè)點(diǎn)背離上海方向；傾斜度，橫橋向正表示測(cè)點(diǎn)朝向西南方向，負(fù)表示測(cè)點(diǎn)朝向東北方向。

由表6可知：①橋墩實(shí)測(cè)豎向位移最值為0.6 mm，且均值最大值僅為0.06 mm，J18與J19橋墩模擬值分別為-0.074 mm和-0.069 mm，均表明鄰近高鐵橋墩豎向位移受重型機(jī)械的施工影響極??；②橋墩的實(shí)測(cè)水平位移最值為0.7 mm，接近預(yù)警值0.8 mm，且橫橋向J18與J19橋墩水平位移均值為負(fù)值，與橋墩橫橋向模擬值相吻合，表明橋墩測(cè)點(diǎn)處受施工影響向背離上海方向(面向施工機(jī)械場(chǎng)地)有極小的水平位移，受重型機(jī)械的施工影響相對(duì)較大；③橋墩傾斜度最值為18.4″，遠(yuǎn)小于預(yù)警值30″，且施工過(guò)程中均值不超過(guò)5″，表明橋墩幾乎沒(méi)有傾斜變形。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)履帶吊靜壓后，測(cè)試點(diǎn)處側(cè)向土壓力明顯增大，且表層附加應(yīng)力值遠(yuǎn)大于下層土體附加應(yīng)力，同時(shí)壓力的傳遞深度較淺，對(duì)深層土層無(wú)明顯影響。

(2)履帶吊就位后測(cè)點(diǎn)土壓力值均沒(méi)有明顯變化，相對(duì)而言，距離履帶吊較近且埋置深度較淺的測(cè)點(diǎn)受其自重影響相對(duì)較大，且土體應(yīng)力變化隨著深度的增加而迅速衰減。土體附加應(yīng)力的水平擴(kuò)展范圍也較小，AT3與BT3測(cè)點(diǎn)(距重型機(jī)械施工位置20 m)基本不受影響。

(3)在履帶吊與全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)配合施工期間，J18，J19高鐵橋墩的豎向位移與傾斜度波動(dòng)變化穩(wěn)定，其中橫橋向橋墩水平位移均值為負(fù)值，表明橋墩測(cè)點(diǎn)處受施工影響向施工機(jī)械場(chǎng)地方向有極小的水平位移，但均在預(yù)警值之內(nèi)，不影響正常高鐵運(yùn)營(yíng)的行車(chē)安全。

(4)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果均表明，鄰近高鐵橋墩的豎向位移極小，受重型機(jī)械施工影響相對(duì)較小，而水平位移接近預(yù)警值，受其影響相對(duì)較大。