公路下穿橋梁安全性評(píng)估研究

李花磊

（山東金衢設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司 山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，公路與鐵路發(fā)展迅速，出現(xiàn)了較多鐵路與公路互相交叉穿越的情況，通常情況下，為了確保鐵路的正常使用和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，大部分公路以下穿鐵路的形式進(jìn)行修建[1]。與此同時(shí)，鐵路作為我國(guó)重要交通工程，承擔(dān)著絕大部分的貨物運(yùn)輸和人們出行工作，促進(jìn)了城市之間的交流和發(fā)展，所以為了保證鐵路運(yùn)行通暢和穩(wěn)定，對(duì)鐵路橋梁的變形有十分嚴(yán)格的要求，尤其是下穿工程對(duì)臨近鐵路的影響更是重中之重[2-3]。很多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行深入研究。孫宗磊[4]以石家莊到濟(jì)南客運(yùn)專(zhuān)線為研究對(duì)象，對(duì)橋梁變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和臨近高鐵線間距的選擇進(jìn)行研究，給臨近既有鐵路的建設(shè)提供指導(dǎo)。姜海君等通過(guò)建立有限元模型，對(duì)既有高鐵線路受到下穿工程的影響進(jìn)行精確計(jì)算。

基于此，為了進(jìn)一步掌握下穿現(xiàn)有高鐵橋梁工程施工對(duì)現(xiàn)有橋梁的穩(wěn)定性的影響，通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算的方式對(duì)橋墩豎向變形值進(jìn)行計(jì)算，評(píng)估了施工過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演調(diào)整模型，提高預(yù)測(cè)精度，同時(shí)根據(jù)配重調(diào)控法對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，給相關(guān)工程提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

380km/h 為某高鐵橋梁設(shè)計(jì)速度，上部結(jié)構(gòu)選擇了30m 的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，設(shè)計(jì)類(lèi)型為無(wú)砟軌道，高14m 的雙線圓端形實(shí)體墩為橋墩類(lèi)型。樁基礎(chǔ)我為基礎(chǔ)類(lèi)型，8m×12m×3m 為其128~130 號(hào)墩承臺(tái)的尺寸，12m為其埋深，各墩都使用了9 根長(zhǎng)度為40m 的鉆孔樁；7.2m×10.2m×2.6m為125~127、131~133號(hào)墩承臺(tái)尺寸，1.9m為其埋深，各墩都使用了9 根長(zhǎng)度為38m 的鉆孔樁。

擬在橋梁下部建造一條高速公路，與現(xiàn)有橋梁程62°斜交，擬選則2 孔框構(gòu)分幅斜交下穿。20.4m 為單幅框構(gòu)總寬，9.5m 和1m 分別為側(cè)墻高度與厚度，0.7m 為其和橋墩最小凈距。施工進(jìn)程共有5 個(gè)階段，依次為開(kāi)挖南側(cè)工作坑→框構(gòu)主體的澆筑→附加壓重荷載→頂進(jìn)框構(gòu)→施工開(kāi)挖北側(cè)引道，在施工時(shí)下穿工程土方開(kāi)挖量為1×106m3，最大挖掘深度和最大影響范圍分別為10m 和250m。因?yàn)楣こ涕_(kāi)挖量和影響范圍均較大，有可能會(huì)對(duì)現(xiàn)有高鐵橋梁的穩(wěn)定性和安全性造成影響，所以要對(duì)其施工安全性進(jìn)行評(píng)估，保障工程安全。

2 評(píng)估技術(shù)

在識(shí)別安全風(fēng)險(xiǎn)的過(guò)程中，采用專(zhuān)家調(diào)查法、風(fēng)險(xiǎn)交流法進(jìn)行定性分析，再通過(guò)數(shù)值仿真分析法對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)估。同時(shí)通過(guò)專(zhuān)家調(diào)查法、風(fēng)險(xiǎn)交流法得出現(xiàn)有高鐵橋梁受下穿工程施工過(guò)程里可能存在3 項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)，分別為頂進(jìn)路徑?jīng)_突風(fēng)險(xiǎn)、框構(gòu)姿態(tài)失控風(fēng)險(xiǎn)以及基坑坍塌風(fēng)險(xiǎn)，定性分析這3 項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)提出防治措施。

2.1 評(píng)估結(jié)構(gòu)安全性的方法

為了得出現(xiàn)有高鐵橋梁受下穿工程的影響程度，通過(guò)數(shù)值仿真分析法對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)估，樁基承載力、變位變形以及基本構(gòu)造為具體評(píng)估內(nèi)容。

2.2 評(píng)估結(jié)果

根據(jù)相關(guān)規(guī)范評(píng)估基本構(gòu)造：橋墩和下穿公路行車(chē)道最外側(cè)的最小距離為2m，橋墩和框構(gòu)最外側(cè)的凈距最小為0.7m，部分承臺(tái)被框構(gòu)主體占?jí)海?.6m 為占?jí)簩捵畲笾?，?gòu)造物距離達(dá)到了當(dāng)前規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。選擇壓重頂進(jìn)法進(jìn)行施工，無(wú)須搭建大型設(shè)備的臨時(shí)施工措施，達(dá)到鐵路安全要求。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)變位與變形：通過(guò)有限元軟件構(gòu)建道路下穿高鐵橋梁橋墩工程的模型，340m×340m×80m 為模型尺寸，選擇樁單元模擬樁基；選擇板單元模擬圍護(hù)樁和防護(hù)樁；選擇實(shí)體單元模擬高鐵橋梁橋墩；框構(gòu)頂壓重荷載、路面荷載以及橋墩的上部荷載的加載方式均選擇均布荷載的形式進(jìn)行模擬。通過(guò)計(jì)算，能夠得到橋梁橋墩豎向變形受下穿工程的影響程度，如圖1所示。

圖1 橋梁橋墩豎向變形受下穿工程的影響程度

從圖1 中能夠看出，因?yàn)橥馏w卸載后會(huì)出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，下穿工程施工時(shí)開(kāi)挖土體會(huì)造成橋墩處發(fā)生隆起變形。在南側(cè)工作坑施工時(shí)期，隆起變形值達(dá)到0.707 mm；隆起變形在施工壓重荷載施加階段和主體框構(gòu)澆筑階段有所減少，但是幅度不大；隆起變形值在施工進(jìn)行框構(gòu)頂進(jìn)階段時(shí)，快速提高到3.186 mm，并在施工進(jìn)行到北側(cè)引道開(kāi)挖階段時(shí)增加到最大值，為5.484 mm，隆起變形最大處為129 號(hào)墩。-11 mm 為原設(shè)計(jì)中此處橋墩的沉降值，疊加經(jīng)過(guò)下穿工程后的沉降值后為-5.518 mm，符合《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》里要求的沉降值不超過(guò)20 mm 的要求。

表1 為疊加原設(shè)計(jì)中相鄰橋墩的沉降差異值與經(jīng)過(guò)下穿工程后相鄰橋墩變形差異值后的結(jié)果。從表1 中能夠看出，因?yàn)橄麓┕こ虒?dǎo)致的橋梁豎向變形最大差異的部位為130-131 墩號(hào)之間，達(dá)到-2.997 mm，處在《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》里要求的-5 mm~5 mm。通過(guò)同樣的方法對(duì)橫向與縱向變形進(jìn)行評(píng)估，得出的結(jié)果都達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

表1 評(píng)估后差異沉降值

根據(jù)相關(guān)規(guī)范評(píng)估樁基承載力：表2 為下穿施工影響橋梁樁基承載力疊加后的評(píng)估結(jié)果。從表2 中能夠看出，考慮了下穿施工所產(chǎn)生的影響，已有高鐵橋梁?jiǎn)螛冻休d力最大值是7773 kN，處于容許承載力以下，因此樁基承載力達(dá)到了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

表2 評(píng)估后橋梁樁基承載力

3 施工過(guò)程中變形動(dòng)態(tài)控制技術(shù)

3.1 自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

完成施工精細(xì)化監(jiān)控的前提是具有高精度、高頻次的自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)算系統(tǒng)。這次研究中通過(guò)自制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)主要包括布設(shè)底層傳感器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集、儲(chǔ)存、傳輸和可視化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查詢(xún)，同時(shí)能夠自動(dòng)形成監(jiān)測(cè)報(bào)告，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行安全評(píng)估和管理，能夠監(jiān)測(cè)鐵路橋涵等工程的變形。其中，選擇50 mm 量程的振弦式靜力水準(zhǔn)儀作為傳感器，±0.05 mm 為其測(cè)試精度，測(cè)試前要調(diào)整傳感器信號(hào)并轉(zhuǎn)換其模數(shù)，通過(guò)以太網(wǎng)將信號(hào)輸送至中心服務(wù)器，讓使用者可以通過(guò)手機(jī)、電腦等設(shè)備進(jìn)入系統(tǒng)來(lái)查看現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。

3.2 變形動(dòng)態(tài)控制方法

在設(shè)計(jì)階段建立下穿工程與已有高鐵橋梁的分析模型，并對(duì)高鐵橋梁受到下穿工程的影響而出現(xiàn)的變形進(jìn)行計(jì)算，確保已有高鐵橋梁在下穿工程施工時(shí)和施工完畢后所產(chǎn)生的變形在合理范圍內(nèi)。

施工下穿工程期間，當(dāng)施工到某個(gè)階段時(shí)，要評(píng)價(jià)其施工狀態(tài)和安全性。評(píng)價(jià)時(shí)主要包括2 個(gè)方面：第一個(gè)方面，對(duì)比控制值和監(jiān)測(cè)值，保證監(jiān)測(cè)值處于控制值范圍內(nèi)；第二個(gè)方面，對(duì)比該施工階段內(nèi)的理論值和檢測(cè)值，計(jì)算理論值和檢測(cè)值間的誤差，另外，從測(cè)量、施工、管理、模型等方面來(lái)分析對(duì)產(chǎn)生誤差的原因。

以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)計(jì)算模型的參數(shù)進(jìn)行反演和修正，其中可選擇工程類(lèi)比法、最小二乘法和試算法來(lái)對(duì)參數(shù)進(jìn)行反演。

通過(guò)修正后的模型來(lái)預(yù)測(cè)不同施工階段的變形值，當(dāng)所得預(yù)測(cè)值大于控制值時(shí)，要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整，保障施工安全和穩(wěn)定。具體調(diào)整措施可選擇工序調(diào)整法、壓重平衡頂推法和堆載法等。

3.3 變形動(dòng)態(tài)控制技術(shù)

以開(kāi)挖南側(cè)工作坑頂進(jìn)施工為例，以此來(lái)對(duì)變形動(dòng)態(tài)控制技術(shù)進(jìn)行介紹。97.8m×71.7m×10m 為為南側(cè)基坑長(zhǎng)×寬×高。22.64m 和24.72m 分別為現(xiàn)有高鐵橋梁130 號(hào)、131 號(hào)墩承臺(tái)和該基坑的最小凈距。南側(cè)基坑開(kāi)挖工程施工基本結(jié)束時(shí)，2.8mm 和0.72mm 分別為橋墩豎向變形的實(shí)測(cè)值和設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)值，兩者間差距較大，誤差較大。對(duì)此展開(kāi)分析，認(rèn)為造成此誤差的主要原因是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際土體參數(shù)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)出的土體參數(shù)有一定差距。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)計(jì)算模型并對(duì)土體參數(shù)進(jìn)行修正，圖2 為修正后橋墩豎向變形實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的比較結(jié)果。從圖2 中能夠看出，南側(cè)基坑開(kāi)挖施工時(shí)期豎向變形實(shí)測(cè)最大值為2.8mm，模型計(jì)算所得豎向變形最大值為2.63mm，實(shí)測(cè)值和計(jì)算值較為接近。通過(guò)修正后的模型來(lái)預(yù)測(cè)變形值，高鐵橋墩在施工全部橋下堆載配重前后的變形值比較圖如圖3 所示。從圖3 中能夠看出，橋下堆載反壓能夠在一定程度上減少橋墩基礎(chǔ)的隆起值，緩解隆起狀態(tài)，其中最顯著部位位于131 號(hào)墩，處在堆載中心部位，0.96mm 為此處的隆起減小值。

圖2 橋梁130 號(hào)橋墩豎向變形受下穿工程的影響程度

圖3 橋梁131 號(hào)橋墩豎向變形受下穿工程的影響程度

在之后的頂進(jìn)施工階段內(nèi)，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繼續(xù)開(kāi)展參數(shù)反演、修正模型和預(yù)測(cè)工作，根據(jù)配重調(diào)控法對(duì)施工順序進(jìn)行合理地調(diào)整，保障施工過(guò)程安全，保證現(xiàn)有高鐵橋梁的穩(wěn)定性。該下穿工程建成通車(chē)使用3 個(gè)月后，2.71 mm 為相鄰橋墩差異沉降累計(jì)最大值，符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)軌檢車(chē)檢查合格，對(duì)無(wú)砟軌道平順性行進(jìn)檢測(cè)，也已經(jīng)達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

為了掌握下穿現(xiàn)有高鐵橋梁工程施工對(duì)現(xiàn)有橋梁的穩(wěn)定性的影響，通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算的方式對(duì)橋墩豎向變形值進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，主要得出以下2 個(gè)結(jié)論：1）在南側(cè)工作坑開(kāi)挖階段，隆起變形值達(dá)到0.707mm；隆起變形在施工壓重荷載施加階段和主體框構(gòu)澆筑階段時(shí)有所減少；隆起變形值在施工進(jìn)行框構(gòu)頂進(jìn)階段時(shí)，快速提高到3.186mm，并在施工進(jìn)行到北側(cè)引道開(kāi)挖階段時(shí)增加到最大值，為5.484mm，隆起變形最大處為129 號(hào)墩。2）下穿工程導(dǎo)致的橋梁豎向變形最大差異的部位為130-131 墩號(hào)之間，達(dá)到-2.997mm，處在《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》里要求的-5mm~5mm；7773kN 為現(xiàn)有高鐵橋梁?jiǎn)螛冻休d力最高值，未超過(guò)容許承載力，樁基承載力達(dá)到了規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。3）通過(guò)變形動(dòng)態(tài)控制技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，得出南側(cè)基坑開(kāi)挖施工時(shí)期豎向變形實(shí)測(cè)最大值為2.8mm，模型計(jì)算所得豎向變形最大值為2.63mm，實(shí)測(cè)值和計(jì)算值較為接近；在之后的頂進(jìn)施工階段內(nèi)，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繼續(xù)開(kāi)展參數(shù)反演、修正模型和預(yù)測(cè)工作，根據(jù)配重調(diào)控法對(duì)施工順序進(jìn)行合理調(diào)整，保障整個(gè)施工過(guò)程安全，提高現(xiàn)有高鐵橋梁的穩(wěn)定性。