樁板式道路施工監(jiān)控方案探討

袁 瑞，郭慶超

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

目前樁板式道路已成功開發(fā)并應用于省內(nèi)德州至上饒高速公路合肥至樅陽段等新建高等級公路工程中。實踐表明，樁板式道路在減少占壓永久基本農(nóng)田、合理控制平原區(qū)高速公路填挖平衡、降低造價、控制工期及保護生態(tài)環(huán)境等方面優(yōu)勢明顯。[1-3]

樁板式道路作為新型道路結(jié)構(gòu)體系，施工工藝具有典型工業(yè)化建造特性，要求精細化施工組織、精準化施工控制，但目前施工及過程監(jiān)控經(jīng)驗較少。實際施工過程中，區(qū)域地質(zhì)情況、施工方案及施工環(huán)境等對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形存在隨機影響，特別是PRC管樁偏位及沉降、板梁安裝誤差、混凝土結(jié)構(gòu)收縮徐變、施工臨時荷載、溫度氣候等因素，將不同程度影響施工過程精度及質(zhì)量控制。因此，針對樁板式道路這種新結(jié)構(gòu)體系，探索一套安全適用的施工監(jiān)控方案十分必要。[4-7]

1 樁板式道路設計方案

德州至上饒高速公路合肥至樅陽段為交通部工業(yè)化建造示范項目，樁板式道路為德州至上饒高速公路合肥至樅陽段新建工程中的重要組成部分。

樁板式路基由上部板式結(jié)構(gòu)與下部樁基結(jié)構(gòu)組成，上下部結(jié)構(gòu)采用預埋鋼筋灌漿固結(jié)方式連接。樁板式路基標準橫斷面如圖1所示。

圖1 標準橫斷面(單位：cm)

上部板式結(jié)構(gòu)標準跨徑為6 m，按多孔連續(xù)方式布置，最多孔數(shù)控制為15，最大聯(lián)長為90 m。預制面板按縱向劃分，分為A、B、C三類, 板厚26～50 cm，以適應邊跨及中跨現(xiàn)場裝配。預制面板之間采用現(xiàn)澆濕接縫進行連接，濕接縫寬度0.3 m。

樁板式路基下部結(jié)構(gòu)采用PRC(500型)管樁基礎[8-9]，與傳統(tǒng)鉆孔灌注樁相比，具有采用工業(yè)化定制、現(xiàn)場靜壓法施工速度快、經(jīng)濟效益顯著等特點。

2 樁板式道路施工方案

樁板式道路施工工藝具有典型工業(yè)化建造特性，要求精細化施工組織、精準化施工控制，施工過程中主要工序及相應措施如下：

(1) 首先整理好場地，施工下部結(jié)構(gòu)PRC(500型)管樁，結(jié)合施工監(jiān)控采用全站儀對PRC(500型)管樁空間位置進行精確定位，然后按設計圖紙實施樁基頂部連接鋼筋，依次澆筑樁基頂部連接部C50補償收縮混凝土、定位并安放高彈性聚合物墊片。

(2) 對于中跨，按設計圖紙分別先吊裝A板后吊裝B板，吊裝過程需要結(jié)合施工監(jiān)控合理調(diào)整A板空間位置，使PRC(500型)管樁準確對接板預留孔，校核定位完成后，灌注混凝土形成固結(jié)體系。然后吊裝B板，以A板為參照結(jié)合施工監(jiān)控合理調(diào)整B板空間位置，校核定位完成后，現(xiàn)澆濕接縫形成固結(jié)體系。

(3) 結(jié)合施工監(jiān)控校核空間位置后，現(xiàn)澆板間濕接縫混凝土。

(4) 待濕接縫現(xiàn)澆混凝土達到設計強度，同時施工監(jiān)控復核各板空間位置無誤后，參考第2、3步安裝實施邊跨預制A板、B板及C板安裝。

(5) 整聯(lián)上下部結(jié)構(gòu)安裝完成后，依次現(xiàn)澆橋面鋪裝及其他附屬設施[6]。

3 施工監(jiān)控方案

3.1 施工監(jiān)控目的

樁板式路基施工監(jiān)控的目的，主要是結(jié)合體系結(jié)構(gòu)特性，根據(jù)各構(gòu)件施工安裝工序，以及現(xiàn)場地質(zhì)條件等，對施工安裝全過程進行監(jiān)測和監(jiān)控，并根據(jù)設計文件、監(jiān)控過程數(shù)據(jù)和參數(shù)等，對各構(gòu)件進行實時仿真分析和結(jié)構(gòu)驗算；根據(jù)驗算結(jié)果分析，采用應力和變位預警體系對施工狀態(tài)進行安全評估、過程糾偏及風險控制，保證體系在施工安裝過程中受力和變形始終處于安全范圍內(nèi)，確保形成體系后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及線形符合設計要求。[10]

3.2 線形監(jiān)控

樁板式道路作為多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，體系線形控制對體系內(nèi)力影響較大。因此，變形控制在各構(gòu)件施工安裝過程中十分重要。變形監(jiān)測主要包括對PRC管樁偏位及沉降、PRC管樁及板梁線形等進行監(jiān)測。

3.2.1 PRC管樁偏位及沉降監(jiān)控

根據(jù)總體施工安裝工序，首先進行PRC管樁施工，現(xiàn)場根據(jù)地質(zhì)條件采用靜壓法、錘擊法及植入法。然后依次安裝PRC管樁頂部連接鋼筋、現(xiàn)澆孔內(nèi)C50混凝土等，整個階段需進行PRC管樁偏位及沉降監(jiān)控，以保證PRC管樁精確定位。由于PRC管樁為預制樁，可在距頂面20 cm處進行標記，全過程采用全站儀進行關(guān)鍵工序監(jiān)測。PRC管樁樁頂標記布設如圖2所示。

圖2 PRC管樁樁頂標記布置(單位：mm)

3.2.2 板梁線形監(jiān)控

PRC管樁及其附屬構(gòu)件施工完成后，進行板梁安裝，依次吊裝板梁、調(diào)整板梁位置，結(jié)合施工監(jiān)控校核空間位置后現(xiàn)澆板間的濕接縫混凝土。整聯(lián)上下部結(jié)構(gòu)安裝完成后，依次現(xiàn)澆橋面鋪裝及其他附屬設施。整個階段需進行板梁各控制階段關(guān)鍵部位及截面空間位置監(jiān)測，以保證成體系線形控制的準確性及各構(gòu)件安裝精度。

主要測點布置于板梁頂面。其中標準板頂面橫向布置兩處，采用標記鋼筋進行預埋安裝，鋼筋頭通常距頂板面約5 cm處。橋面板測點鋼筋及安裝大樣如圖3及圖4所示。

圖3 橋面板測點鋼筋安裝示意圖(單位：mm)

圖4 鋼筋頭安裝大樣(單位：mm)

3.2.3 線形監(jiān)控精度

預制管樁施工控制精度為：平面中心誤差≤1.5 cm，豎向沉降≤2 cm。

體系梁板及臺帽安裝過程中施工控制精度為：平面中心誤差≤1.5 cm

結(jié)構(gòu)變形測量精度：±2 mm。

3.3 應力監(jiān)控

結(jié)構(gòu)關(guān)鍵截面應力監(jiān)測是樁板式道路施工監(jiān)測的重要內(nèi)容之一，樁板式路基體系本身為多次超靜定結(jié)構(gòu)。PRC管樁樁頂部位及體系梁板等構(gòu)件，在不同施工階段應力發(fā)生變化，因此通過應力監(jiān)測可以對各構(gòu)件關(guān)鍵截面進行應力監(jiān)測及風險控制。

根據(jù)樁板式道路結(jié)構(gòu)受力特點，樁板式道路上部結(jié)構(gòu)選取每聯(lián)第一、二跨板梁中間為應力監(jiān)測關(guān)鍵截面。板梁應力測點布置如圖5所示。

圖5 板梁應力監(jiān)測布置示意圖(單位：mm)

PRC管樁在每聯(lián)梁端墩柱，中間墩柱間隔布置PRC管樁應力測點。主要監(jiān)測施工過程中，溫度、管樁沉降等作用影響產(chǎn)生的管樁內(nèi)力變化。PRC管樁應力測點布置如圖6所示。

圖6 PRC管樁應力測點布置圖(單位：mm)

3.4 溫度監(jiān)測

由于樁板式道路整聯(lián)為多跨超靜定結(jié)構(gòu)，對于溫度影響相對敏感，施工過程中溫度是線形及結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力控制的關(guān)鍵因素，在施工監(jiān)控過程中應重點考慮。本項目采用的溫度傳感器耦合在應力監(jiān)測在應變計中，可以作為采集溫度數(shù)據(jù)的測量元件，斷面測點布置可以與應力監(jiān)測相同，供全程采集、分析溫度場對施工精度、結(jié)構(gòu)線形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，分析應力隨溫度的變化規(guī)律，提出應對措施。

4 施工全過程的結(jié)構(gòu)計算分析

4.1 施工監(jiān)控結(jié)構(gòu)計算分析內(nèi)容

樁板式道路施工監(jiān)控的結(jié)構(gòu)技術(shù)分析主要包括：與設計計算成果進行校核及對比；結(jié)合結(jié)構(gòu)計算分析，優(yōu)選施工方案并建議各施工階段理想狀態(tài)線形及內(nèi)力數(shù)據(jù)；通過各階段實測值與理論值對比分析，對成體系狀態(tài)進行預測與反饋控制分析。

施工階段計算是按照施工順序和工藝、施工臨時載荷，對每一階段施工過程進行計算。樁板式道路結(jié)構(gòu)監(jiān)控計算主要采用MIDAS及橋梁博士等軟件對各施工階段的進行分析。其目的是使計算結(jié)果準確可信。

施工監(jiān)控計算考慮的因素主要有以下幾點。

4.1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸

樁板式道路施工過程結(jié)構(gòu)截面尺寸差異，主要包括預制結(jié)構(gòu)定制誤差、結(jié)構(gòu)安裝誤差等。因此，整個施工階段需進行各控制階段關(guān)鍵部位及截面空間位置監(jiān)測，以保證成體系線形控制的準確性及各構(gòu)件安裝精度。

4.1.2 結(jié)構(gòu)材料彈性模量

樁板式道路施工過程中應特別注意混凝土彈性模量的波動。樁板式道路體系各結(jié)構(gòu)的彈性模量直接影響到結(jié)構(gòu)變形，實際上結(jié)構(gòu)材料的彈性模量與設計的材料彈性模量有一定的差別，因此，在施工過程中，將結(jié)合仿真計算，隨機抽取結(jié)構(gòu)材料進行試驗對比，測試其彈性模量，便于對理論模型進行修改，使計算結(jié)果與實際結(jié)構(gòu)相符合。

4.1.3 材料容重

樁板式道路采用多種強度及工藝的鋼筋混凝土材料構(gòu)件，各構(gòu)件的容重差異化明顯，不同構(gòu)件實際容重與設計值間也存在偏差。因此，樁板式道路各構(gòu)件建議結(jié)合現(xiàn)場試驗進行容重修正。

4.1.4 施工方案與施工荷載

由于施工方案往往與理想設計方案差異明顯，施工監(jiān)控計算應嚴格模擬施工方案，同時需深入施工現(xiàn)場，與施工單位共同協(xié)作，精確標定各階段施工荷載。

施工荷載主要包括：施工機具、施工臨時荷載、工作平臺等。

4.1.5 混凝土收縮徐變

施工期間應考慮混凝土收縮徐變的影響，成體系階段應該考慮成體系后運營期混凝土收縮徐變。

4.1.6 溫度變化

由于樁板式道路整聯(lián)為多跨超靜定結(jié)構(gòu)，對于溫度影響相對敏感，施工過程中溫度是線形及結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力控制的關(guān)鍵因素。施工監(jiān)控計算過程各工況溫度模擬應與實際實施溫度狀態(tài)相符，特別要考慮季節(jié)性及晝夜溫度差異。

4.1.7 恒載

(1) 各構(gòu)件自重。

(2) 二期恒載(橋面鋪裝，護欄等)。二恒載主要考慮板面鋪裝、護欄等附屬構(gòu)件的重力荷載，其中防撞護欄(混凝土墻式護欄)取10 kN/m(單側(cè))，瀝青混凝土鋪裝層厚10 cm，重力密度取24 kN/m3。

4.1.8 活載

荷載由車輛荷載和車道荷載組成，樁板結(jié)構(gòu)的整體計算分別采用車道荷載和車輛荷載進行計算。

為了準確計算汽車偏載效應，計算模型中汽車荷載分別按照最少1個車道，最多3個車道布載，橫向車道布載系數(shù)分別為1.2(1車道)、1.0(2車道)、0.78(3車道)。計算結(jié)果包絡了車道荷載的對稱布置與偏載兩種工況。

車輛荷載按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.3.1條規(guī)定執(zhí)行。應分別考慮車輛荷載的對稱布置與偏載兩種工況?？紤]三列55 t車輛荷載作用。

施工過程中的預拱度的設置應該考慮到成體系后活載的影響，其取值應該與設計相同，同時也應該考慮樁板式道路的實際車流量。

以上八點，如果實際參數(shù)與設計參數(shù)不一致，應及時對理論模型進行修正。施工過程中應特別注意預加應力、混凝土容量、混凝土彈性模量及截面尺寸等參數(shù)。

4.2 計算模型

計算模型安裝設計圖紙采用MIDAS進行數(shù)值計算分析。其中上部結(jié)構(gòu)橋面板采用板單元模擬；PRC管樁采用梁單元模擬。仿真計算模型總圖及數(shù)值分析樁板連接如圖7及圖8所示。

圖7 仿真計算模型總圖

圖8 數(shù)值分析中的樁板連接

為了較準確模擬現(xiàn)場地質(zhì)情況對PRC管樁樁基地下部分的作用，通過現(xiàn)場復核地質(zhì)情況后，采用“土彈簧”模擬樁基與現(xiàn)場土體的連接，采用縱橫向支撐連接模擬實際約束剛度。[11]

5 結(jié)束語

本文針對樁板式道路典型工業(yè)化建造特點，結(jié)合工程實例，在總結(jié)設計及施工關(guān)鍵技術(shù)的基礎上，探索性地提出了針對性的施工監(jiān)控方案，以建立應力和變形預警體系對施工狀態(tài)進行安全評估、過程糾偏及風險控制，為今后類似樁板式道路體系全過程精細化施工提供了監(jiān)控思路。