沉管基槽開挖對(duì)橋墩側(cè)向位移影響的模型試驗(yàn)

谷任國， 梁建勛

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院, 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510641)

在城市隧道的建設(shè)中,因受場地條件和交通規(guī)劃的限制,所以在既有橋梁附近新建隧道的情況越來越多。而近間距施工可能會(huì)造成土體的擾動(dòng),引起既有橋梁產(chǎn)生側(cè)向位移和附加內(nèi)力,甚至導(dǎo)致橋梁坍塌。所以如何確保在既有橋梁緊鄰位置修建隧道期間周圍土工環(huán)境的安全,已經(jīng)成為重要的研究課題,引起了相關(guān)單位的關(guān)注。目前研究該問題常用的方法是利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析研究[1-5]。但是對(duì)于海底隧道基槽開挖來說,罕有現(xiàn)成的工程案例,海底基槽開挖對(duì)既有橋梁的影響相對(duì)于岸上的來說可能會(huì)有所不同,因此對(duì)于比較少見的水下基槽開挖情況,采用數(shù)值分析研究方法難以得到有效結(jié)果。而對(duì)于海底基槽開挖,采取現(xiàn)場試驗(yàn)存在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上困難。為了得到水下基槽開挖對(duì)橋梁影響的相對(duì)有效結(jié)果,確保水下基槽順利開挖,同時(shí)為了保證研究方便可行,可采用大型縮尺模型試驗(yàn),因?yàn)槟Ｐ驮囼?yàn)?zāi)茌^好地模擬實(shí)際現(xiàn)象,并可以對(duì)多組工況進(jìn)行研究,還能較為直觀的發(fā)現(xiàn)問題所在。至今,已有學(xué)者成功采用模型試驗(yàn)進(jìn)行基坑開挖對(duì)鄰近建筑影響研究的案例[6-8]。為了研究水下基槽開挖對(duì)橋梁橋墩側(cè)向位移的影響,在前人的基礎(chǔ)上,以澳門嘉樂庇海底沉管隧道為背景,采用模型試驗(yàn)的方法,對(duì)不同工況條件下,沉管基槽開挖所引起既有橋梁橋墩的側(cè)向位移進(jìn)行研究，以期為類似工程安全施工提供思路和參考。

1 工程概況

嘉樂庇大橋,是澳門第一條連接澳門半島和氹仔的跨海橋,橋長2 549.8 m,寬9.2 m。擬建嘉樂庇隧道與嘉樂庇大橋基本平行,距離為153～185 m,采用沉管法,沉管長1 100 m,基槽開挖深度為13～20 m,開挖坡度較緩,坡率為1∶6,嘉樂庇大橋通航處距沉管基槽坡頂線約26 m。擬建隧道始于澳門半島新城填海區(qū),地勢(shì)平坦,終于氹仔島北側(cè)平地區(qū)域,因?yàn)槭艿胶降篱_挖影響,終點(diǎn)處的高程較起點(diǎn)處高程要高,海水較深。實(shí)際工程中沉管基槽開挖深度約為20 m,隧道穿越地層以軟土為主,地層利于施工。工程地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Section of engineering geological

2 模型試驗(yàn)

2.1 相似關(guān)系

結(jié)合工程實(shí)際,選取幾何相似系數(shù)Ch=1/20,橋面分布荷載相似系數(shù)Cq=1/20,坡率相似系數(shù)Ca=1,彈性模量相似關(guān)系以CE表示,由量綱分析法推出的π定理適用于物理現(xiàn)象機(jī)理與規(guī)律尚未清楚情況[9—11],選擇影響橋梁結(jié)構(gòu)位移的重要物理變量:①基槽開挖深度H；②基槽開挖寬度B；③基槽開挖中線與橋梁的距離d；④基槽開挖坡度a；⑤橋梁所受均布荷載q；⑥橋梁混凝土的彈性模量E；⑦海水深度Hw；⑧基槽每層開挖厚度H△?？捎邢嗨葡禂?shù)關(guān)系如表1所示。由于試驗(yàn)條件限制,試驗(yàn)沒有嚴(yán)格按照相似理論進(jìn)行,只是采取定性方式,選取與實(shí)際工程地質(zhì)情況相似的南沙區(qū)場地進(jìn)行模型試驗(yàn),旨在研究水下基槽開挖對(duì)既有橋梁橋墩側(cè)向變形的影響規(guī)律,并提供一些相應(yīng)的安全施工建議。

表1 相似系數(shù)Table 1 Similarity coefficient

2.2 相似材料

相似試驗(yàn)一般采取定性形式,相似材料并不能完全與工程實(shí)際情況一一對(duì)應(yīng),所得結(jié)果只反映某些現(xiàn)象趨勢(shì)[12]。程嵩等[13]直接選用與依托工程土層相似的潮白河砂質(zhì)粉土作為地基土,不僅省去了配制相似土層的復(fù)雜工藝,并較好地反映了地下水開采對(duì)橋梁樁基的影響。所以在模型試驗(yàn)中,選取研究問題中所需要的主要參數(shù),能反映出實(shí)際工程的現(xiàn)象即可。因?yàn)殡y以在嘉樂庇總督大橋相應(yīng)位置進(jìn)行模型試驗(yàn),模型試驗(yàn)場地選在與要建海底隧道場地地質(zhì)情況相似的南沙區(qū)場地,南沙區(qū)場地地質(zhì)分布多為軟土,模擬基槽開挖區(qū)域處于軟土范圍,模型試驗(yàn)可在一定程度反映實(shí)際橋墩側(cè)向變形的變化情況。另外用C30素混凝土的彈性模量近似等效于原橋的彈性模量,彈性模量為3×104N·mm-2。因?yàn)榭s尺模型橋樁截面約18×18 mm2,難以采用鋼筋混凝土材料,所以通過比較可模擬橋梁結(jié)構(gòu)的材料(微?；炷痢⒔饘?、有機(jī)玻璃、南方松等)[14—16],模型試驗(yàn)最終選用南方松材料,該木材彈性模量為2.7 GPa,即2.7×103N·mm-2,與混凝土彈性模量比為1/11.1。

2.3 橋梁模型安裝

結(jié)合工程實(shí)際情況,因?yàn)樗淼琅c橋梁基本平行,所以在隧道最低點(diǎn)處的位置,基槽開挖的坡頂線將與橋梁距離最近,此處橋梁受到基槽開挖影響最大。因此選相應(yīng)區(qū)域,進(jìn)行模型試驗(yàn),所選范圍包含P20～P27橋墩,P表示橋墩代號(hào),如圖2所示。

因試驗(yàn)場地條件限制,模型試驗(yàn)的范圍僅包括P20～P27橋墩區(qū)段,其中P23～P24區(qū)段的橋梁跨徑最長,達(dá)到73 m,該處為通航水域；另外6跨的長度均為25 m。據(jù)2.1節(jié)的幾何尺寸相似關(guān)系,可得P20～ P27的模型尺寸參數(shù)如表2所示。

圖2 橋梁模型選取區(qū)域示意圖Fig.2 Schematic diagram of the selected area of the bridge model

橋梁模型所用材料均為南方松木,橋梁各部件由專門的木工進(jìn)行加工,橋樁與承臺(tái)通過打榫連接,然后用白乳膠與氣壓釘進(jìn)行加固,以保證節(jié)點(diǎn)連接處穩(wěn)固。橋梁模型安裝流程如圖3所示,相對(duì)應(yīng)的實(shí)物圖如圖4所示。

2.4 測量系統(tǒng)介紹與測點(diǎn)布置

試驗(yàn)運(yùn)用了兩套測量系統(tǒng),分別是鋼尺測量系統(tǒng)和全站儀測量系統(tǒng),主要用于測量橋墩的側(cè)向位移,重點(diǎn)對(duì)P22～P26這5個(gè)橋墩進(jìn)行測量。

圖3 橋梁模型安裝流程示意圖Fig.3 Flowchart of the bridge model installation

鋼尺測量系統(tǒng)主要由鐵絲、鋼尺、三腳架組成。根據(jù)試驗(yàn)場地的范圍要求,在距離試驗(yàn)區(qū)域各5 m處設(shè)置三腳架作為鋼尺測量的基準(zhǔn)桿。在距離右側(cè)橋墩5 cm處布設(shè)鐵絲,將鐵絲綁在兩端的三角架上,確保鐵絲一直保持拉緊的狀態(tài)；然后在該鐵絲上綁扎長度大約5 cm的細(xì)鐵絲,使其鉛錘向下,作為測量讀數(shù)的標(biāo)尺。

擬定對(duì)P22～P26共5個(gè)橋墩進(jìn)行側(cè)向位移的測試,每個(gè)橋墩布設(shè)4個(gè)測點(diǎn)。在每個(gè)測點(diǎn)處放置一根長為20 cm的鋼尺,用來測試部分的長度是15 cm。根據(jù)測點(diǎn)要求,在測點(diǎn)上方2 cm處布設(shè)鐵絲,共需4根鐵絲。分別在4個(gè)橋墩對(duì)應(yīng)的鐵絲處

表2 橋梁模型細(xì)部結(jié)構(gòu)尺寸Table 2 Detail structural size of the bridge model

圖4 橋梁模型安裝流程實(shí)物圖Fig.4 Installation physical objects of the bridge model

掛細(xì)鐵絲,確保水平鐵絲與鉛錘鐵絲剛性連接,減少因鉛錘鐵絲晃動(dòng)而引起的實(shí)驗(yàn)誤差。在距離鋼尺前方15 cm處插入木樁,木樁高度大于剛尺綁扎的高度,以木樁為標(biāo)準(zhǔn),確保每次讀數(shù)時(shí)從同一個(gè)方向獲得鋼尺上的數(shù)值,減小視線偏差而引起的試驗(yàn)誤差。鋼尺布置實(shí)物圖如圖5所示,測量系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

圖5 鋼尺布置實(shí)物圖Fig.5 Physical objects of the steel ruler layout

圖6 鋼尺測量系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the steel ruler measurement system

全站儀測量系統(tǒng)用到的主要儀器是全站儀,用全站儀測量橋墩頂部的側(cè)向位移。在監(jiān)測的過程中,也要對(duì)測量系統(tǒng)中的兩個(gè)基準(zhǔn)桿進(jìn)行觀測,對(duì)基準(zhǔn)桿進(jìn)行校準(zhǔn),減小測量誤差。并在P22～P26橋墩頂部的蓋梁以及三腳架的中部粘貼反光片,以便用全站儀觀測時(shí)能快速找到觀測點(diǎn),并能準(zhǔn)確清晰地對(duì)準(zhǔn)反光片上的十字絲,精準(zhǔn)讀數(shù)。測量系統(tǒng)如圖7所示,觀測點(diǎn)實(shí)物圖如圖8所示。

圖7 全站儀測量系統(tǒng)示意Fig.7 Schematic diagram of the total station measurement system

圖8 全站儀測點(diǎn)實(shí)物Fig.8 Physical object of the total station measurement point

2.5 模型基槽開挖試驗(yàn)

根據(jù)前面提到的相似關(guān)系,可以得到模型試驗(yàn)時(shí)基槽開挖平面圖如圖9所示。依據(jù)JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》取汽車荷載為550 kN,車長為15 m,所以半橋豎向荷載為2.3 kPa,根據(jù)相似關(guān)系,可求得對(duì)橋梁模型所施加的豎向荷載,用沙袋均勻鋪放的方式來模擬豎向荷載,如圖10所示。

圖9 基槽開挖坡平面圖Fig.9 Plan view of excavation slope of the foundation trench

圖10 施加半橋荷載實(shí)物圖Fig.10 The half-bridge loading

在半橋面鋪滿荷載并達(dá)到穩(wěn)定以后,測量人員需記錄鋼尺上的初始讀數(shù)以及全站儀的初始讀數(shù),如圖11所示。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),沉管基槽開挖順序應(yīng)按分段、分層來進(jìn)行,并為了與實(shí)際工程對(duì)應(yīng),按前面所述幾何相似比劃分開挖區(qū),可將試驗(yàn)場地分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū),如圖12所示。每區(qū)分三層開挖,分別是0.3、0.3、0.4 m,模擬6個(gè)開挖工況,給6個(gè)工況進(jìn)行編號(hào)①～⑥,I-①表示Ⅰ區(qū)工況1,Ⅱ-⑥表示Ⅱ區(qū)工況6,依次輪流開挖,如圖13所示。先以挖機(jī)進(jìn)行初挖,接著進(jìn)行人工補(bǔ)挖及測量相關(guān)高程,確保基槽開挖的準(zhǔn)確性。并且每一工況開挖結(jié)束后,在所有監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后拍下鋼尺上的數(shù)值并記錄全站儀的讀數(shù)。在進(jìn)行下一工況開挖前,先安排專人下水測量開挖區(qū)域深度和水面高程,確保所挖深度在計(jì)劃中。Ⅰ區(qū)開挖結(jié)束后,操作人員將挖掘機(jī)開行至Ⅱ區(qū)作業(yè)平面,開行的路線應(yīng)在試驗(yàn)場地之外,盡量減少機(jī)械震動(dòng)對(duì)橋梁位移造成的影響,開挖如圖14所示。

圖11 獲取鋼尺及全站儀數(shù)據(jù)Fig.11 Data acquisition from the steel ruler and total station

圖12 基槽開挖分區(qū)Fig.12 Division of the base trench excavation

圖13 基槽開挖工況示意圖Fig.13 Schematic diagram of the foundation trench excavation

圖14 挖機(jī)開挖實(shí)物Fig.14 The excavation operation

圖15 模型試驗(yàn)過程中墩頂側(cè)向位移Fig.15 Lateral displacement of the pier top in the model test

3 模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

在不同工況下,墩頂?shù)膫?cè)向位移分布曲線如圖15所示。鋼尺測量的最大側(cè)向位移是2.5 mm,發(fā)生在工況6結(jié)束以后的P24橋墩頂部,全站儀測量的最大側(cè)向位移是2 mm。在施工期間,橋墩頂部向基槽方向會(huì)產(chǎn)生0～2.5 mm不等的側(cè)向位移。由圖15可知，兩套測量系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的曲線較吻合,說明測試數(shù)據(jù)受偶然誤差的影響較小,測試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

由于全站儀測量數(shù)據(jù)的最小精度是1 mm,而鋼尺測量的精度可達(dá)到0.2 mm；所以,工況側(cè)向位移分布曲線以鋼尺測量的數(shù)據(jù)為依據(jù)。為了更好地表示橋墩頂部的側(cè)向位移與施工工況之間的關(guān)系,據(jù)鋼尺測量結(jié)果,可以繪制工況側(cè)向位移分布曲線圖,見圖16。

由圖16可知,整體上,橋梁的側(cè)向位移隨著開挖深度的增大而增大,所以在施工期間,需要合理控制開挖的深度,以免對(duì)近接既有橋梁的結(jié)構(gòu)安全造成不利影響。而從工況1到工況3,橋墩頂部的側(cè)向位移大致呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。但P26的曲線在工況4突然下降,其余墩號(hào)的曲線在工況5突然下降,主要原因是在工況4和工況5試驗(yàn)期間,試驗(yàn)現(xiàn)場出現(xiàn)下雨和刮風(fēng)情況,風(fēng)從基槽一側(cè)吹向橋梁方向,使得測量系統(tǒng)所測側(cè)向位移值突然下降。工況5開挖后,現(xiàn)場環(huán)境較好,曲線基本又呈上升趨勢(shì)。圖16可知,中間橋墩即P23和P24的位移最大,P24位移是工況6下橋墩P22、P26和P25的2倍、2.25倍和1.45倍；P23位移是P22、P26和P25的1.73倍、1.9倍和1.22倍,其中P24最大位移可達(dá)2.5 mm。兩側(cè)橋墩的位移較小,分析認(rèn)為P23～P24橋跨長是邊跨長的3倍左右,側(cè)向位移受到相鄰橋墩約束較小,所以變形較大,并且進(jìn)行試驗(yàn)選取的模型僅為P20～P27段,邊跨橋墩靠近岸邊,因?yàn)槭艿铰访孢吔绲南拗?所以邊跨橋墩的位移相對(duì)較小。

圖16 墩頂側(cè)向位移隨工況變化分布曲線Fig.16 Distribution curves of the lateral displacement of the pier top with condition change

為了分析橋梁實(shí)際位移情況,已知模型與實(shí)體存在的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系,分別是:①應(yīng)力相等,即模型和實(shí)橋保持應(yīng)力相等；②當(dāng)彈性模量一致時(shí),應(yīng)變相等；③應(yīng)變或應(yīng)力保持一定的比例關(guān)系?？梢詫?dǎo)出模型和原型的換算公式,如式(1)～式(4)所示。可將模型試驗(yàn)實(shí)測得到的試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)表1的相似關(guān)系,結(jié)合式(4)可還原成原型中橋墩頂部側(cè)向位移的分布曲線,如圖17所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ep、eM分別為原型和模型的應(yīng)力；qp、qM分別為原型和模型的分布荷載；Xp、XM分別是原型和模型的應(yīng)變；Hp、HM分別是原型和模型的尺寸；Ep、EM分別是原型和模型的彈性模量；Δp、ΔM分別是原型和模型的側(cè)向位移。

參考規(guī)范JTG H10—2009《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》、CJJ 99—2003《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》、GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》,考慮到隧道在海洋環(huán)境下開挖,以及嘉樂庇大橋距今已有40多年歷史,結(jié)合專家建議后將由基槽開挖引起的位移控制值按所述規(guī)范要求最小值的30%選取,即側(cè)向位移限值取6 mm。由圖17可知,最大側(cè)向位移出現(xiàn)在工況6的P24橋墩上,最大值為4.5 mm,所以實(shí)際橋梁的側(cè)向位移小于位移控制值6 mm。但考慮模型試驗(yàn)受路面邊界限制的影響、南沙區(qū)場地與海洋環(huán)境的差別和突發(fā)天氣變化影響等,則實(shí)際橋梁橋墩最大側(cè)向位移可能逼近或超過相應(yīng)位移控制限值,所以建議采取信息化施工方式,及時(shí)了解橋梁變形情況,如有必要,采取相應(yīng)的加固措施。

圖17 實(shí)際墩頂側(cè)向位移隨工況變化分布曲線Fig.17 Distribution curves of the actual lateral displacement of the pier with condition change

4 結(jié)論

基于相似理論,通過室外大型縮尺模型試驗(yàn)可得以下結(jié)論。

(1)在隧道基槽開挖過程中,近鄰橋梁較大跨徑所對(duì)應(yīng)的橋墩P23和P24側(cè)向位移較大,P24位移是工況6下橋墩P22、P26和P25的2倍、2.25倍和1.45倍,P23位移為1.73倍、1.9倍和1.22倍,所以P23和P24區(qū)段橋梁受到較大的擾動(dòng)影響,是施工過程中重點(diǎn)監(jiān)控的對(duì)象。

(2)橋梁模型最大側(cè)向位移2.5 mm,利用相似準(zhǔn)則換算得到實(shí)際橋梁最大位移4.5 mm,所以推測實(shí)際橋梁側(cè)向位移小于位移控制值6 mm。

(3)在近鄰橋梁的海底隧道施工過程中,橋梁的側(cè)向位移隨著開挖深度增大而增大,所以在施工期間,應(yīng)合理控制開挖深度,以免對(duì)近接既有橋梁的結(jié)構(gòu)安全造成不利的影響。

(4)在工況4和工況5期間試驗(yàn)現(xiàn)場出現(xiàn)下雨和刮風(fēng)情況,導(dǎo)致模型試驗(yàn)所測的側(cè)向位移出現(xiàn)波動(dòng)情況,建議應(yīng)保證橋體上所布置測點(diǎn)牢固穩(wěn)定,降低環(huán)境造成的非橋梁本身變形引起的測量數(shù)據(jù)變動(dòng)。

(5)所取模型僅為受基槽開挖影響較大的一段,考慮到路面邊界對(duì)橋墩側(cè)向位移的限制作用、海洋環(huán)境較南沙區(qū)場地多變的特點(diǎn)和突發(fā)天氣變化造成的影響等,實(shí)際橋梁橋墩的側(cè)向位移會(huì)逼近或超過規(guī)定的位移控制限值,為了確?；坶_挖安全,建議在基槽開挖過程中加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測工作,必要時(shí)根據(jù)監(jiān)測信息進(jìn)一步采取相應(yīng)的加固措施。