臨近既有線鋼桁梁高空橫移施工臨時支墩安全性分析

沈惠軍，王 浩，荀智翔，王飛球，朱克宏

(1.東南大學(xué)混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，南京 210096；2.中鐵二十四局集團(tuán)有限公司，上海 200071)

隨著我國城市化進(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，也必然伴隨著新舊結(jié)構(gòu)的相互穿越，臨近既有路線的施工日益增多[1-6]。尤其是在建筑物相對集中、臨近結(jié)構(gòu)變形控制嚴(yán)格、地下管道分布密集復(fù)雜等交通要道，降低臨近既有線施工對既有線造成的不利影響變得尤為重要[7-10]。

為了降低既有線施工對既有線產(chǎn)生的不利影響，橫向頂推施工法開始在很多特定的施工環(huán)境中被加以采用，其原因主要是與傳統(tǒng)的施工工法相比，橫向頂推施工法具有如下幾個優(yōu)點：頂推周期短，通常一天內(nèi)即可完成頂推工作；頂推時受力狀態(tài)與成橋狀態(tài)基本一致，方便進(jìn)行施工驗收；主梁與墩的施工可同步進(jìn)行，進(jìn)一步縮短了工期。對于橫向頂推施工，一些學(xué)者已做過相關(guān)研究，如郭瑞等結(jié)合實際工程對橫移施工工藝進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并總結(jié)歸納了施工過程中應(yīng)特別注意的幾個問題[11]。王曉敬研究了臨時支墩在大跨度鋼桁拱橋梁架設(shè)中的應(yīng)用，解決了支墩法架設(shè)大跨度鋼桁拱的關(guān)鍵施工技術(shù)問題[12]。陳紅柳采用橫移和縱移相結(jié)合的技術(shù)，完成了大型預(yù)制箱梁的頂升與移運(yùn)，該施工技術(shù)的成功實踐，為進(jìn)一步實現(xiàn)預(yù)制梁頂升移運(yùn)受力均勻和移運(yùn)過程的安全提供了借鑒[13]。李傳習(xí)等對斜交頂推施工中臨時支墩的受力進(jìn)行了分析，闡述了斜交頂推中臨時墩的受力特點及變化規(guī)律，對斜交頂推施工的其他橋梁具有一定的借鑒意義[14]。李宗平以上海長江大橋為背景，分析了大跨度斜拉橋臨時墩的設(shè)置機(jī)理，通過對關(guān)鍵受力工況進(jìn)行仿真分析研究，首次提出并成功應(yīng)用了承插式同步液壓提升臨時墩的施工技術(shù)思路[15]。曹權(quán)等基于三維數(shù)值法和自動化監(jiān)測，研究了基坑群開挖對臨近既有地鐵隧道影響，對復(fù)雜條件下基坑群的信息化施工、確保隧道的安全運(yùn)營具有重要的指導(dǎo)意義[16]。孫連勇對大跨度鋼桁梁橫移架設(shè)技術(shù)進(jìn)行了探討，并就橫移體系中臨時支墩構(gòu)件進(jìn)行了局部建模分析[17]。可見，雖然目前已開展了系列橫移施工相關(guān)研究，但針對橫移施工體系中臨時支墩的安全性所進(jìn)行的研究工作仍不多見。

為此，基于“寧和城際涉鐵”工程，建立了考慮樁土共同作用的臨時支墩的整體有限元模型，據(jù)此對施工全過程進(jìn)行了模擬計算，并將其分析結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析及相互驗證，最后基于驗證后的模型，分析了內(nèi)摩擦系數(shù)和樁長對臨時支墩安全性的影響，以期為今后類似橫移工程的設(shè)計與施工提供參考價值。

1 工程概況

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)，其相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 施工平面位置關(guān)系示意(單位：m)

本工程中，新建橋墩與既有高鐵橋墩之間間距最近不足10 m，為減小施工對既有線的影響，左右線鋼桁梁段均采用橫向頂推法施工。其簡要的施工流程為：首先進(jìn)行鋼桁梁橋兩端樁基和雙柱式永久墩的施工，待其完成后在橋位旁建立三柱式臨時支墩，然后在臨時支墩上面搭設(shè)膺架和貝雷片，形成鋼桁梁拼裝平臺，用千斤頂將分節(jié)間對稱拼裝好的鋼桁梁通過橫移系統(tǒng)頂推到既定位置，橫移路徑如圖2所示。鋼桁梁橫移系統(tǒng)包括滑道、NGE滑板、千斤頂、油泵及操作臺，滑道底部嵌入3 cm厚高強(qiáng)度NGE滑板。千斤頂作用于橫移小車上，由兩端滑道上的橫移小車承載著鋼桁梁頂推前進(jìn)，每個滑道上各安裝2臺橫移小車，小車間距為8 m(鋼桁梁的寬度)。

圖2 鋼桁梁橫移路徑(單位：mm)

右線鋼桁梁為86 m跨下承式簡支鋼桁梁，質(zhì)量達(dá)600 t，橫移過程中將會對臨時支墩產(chǎn)生巨大的水平推力，從而對臨時支墩的安全性構(gòu)成較大的威脅。本文將對右線一側(cè)鋼桁梁橫移頂推施工進(jìn)行全過程模擬，并結(jié)合實測數(shù)據(jù)對臨時支墩的安全性進(jìn)行分析。

2 臨時支墩數(shù)值模擬分析

2.1 臨時支墩有限元模型的建立

通常情況下，土體模型區(qū)域選取越大，計算精度越高，計算需要的時間也會越長，所以選取適當(dāng)?shù)哪Ｐ统叽缡种匾１疚慕?jīng)過試算，最終選取土體模型尺寸的長、寬、高分別為60、40 m和70 m，外側(cè)土體的邊界條件均采用固結(jié)。

2.1.1 土體本構(gòu)模型

圖3 臨時支墩有限元模型

土體的本構(gòu)模型采用適應(yīng)于混凝土類顆粒狀材料的彈塑性Drucker-Prager模型。該模型是對Mohr-Coulumb屈服準(zhǔn)則的近似，在Von Mises公式中增加一附加項用以修正Von Mises屈服準(zhǔn)則，它的屈服強(qiáng)度隨著側(cè)限壓力的增加而增大，其塑性行為被假定為理想彈塑性。D-P準(zhǔn)則可表示為[18]

(1)

材料常數(shù)β和屈服強(qiáng)度σy的表達(dá)式如下

(2)

(3)

式中，φ為材料的內(nèi)摩擦角；c為材料的黏聚力。

由式(1)～式(3)可知，D-P準(zhǔn)則所涉及的主要參數(shù)有內(nèi)摩擦角和黏聚力，土層和樁墩相關(guān)參數(shù)信息分別如表1和表2所示。

表1 土層參數(shù)

表2 樁墩參數(shù)

2.1.2 樁土接觸單元

模型中，土體和樁墩分別采用SOLID45實體單元和SOLID65實體單元。由于土體結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的材料特性相差很大，其接觸面很容易在外來荷載的作用下產(chǎn)生開裂和滑移，利用ANSYS軟件自身提供的剛?cè)崦?面接觸單元來解決這個問題[18]。其中，相對剛性的樁體目標(biāo)面用TARGE170單元模擬，相對柔性的土體接觸面用CONTA173單元模擬，兩者共同形成一個“接觸對”。最終建立的臨時支墩實體模型如圖3所示。

2.2 臨時支墩施工全過程模擬分析

基于臨時支墩實體有限元模型，對施工全過程進(jìn)行了模擬分析，從模擬結(jié)果來看，鋼桁梁在橫向千斤頂作用下剛開始移動的時刻臨時支墩的水平應(yīng)變值較大。經(jīng)過思考發(fā)現(xiàn)，模擬時采用的靜摩擦系數(shù)為施工允許的最大摩擦系數(shù)0.08，而動摩擦系數(shù)為0.06，剛開始運(yùn)動的時刻摩擦系數(shù)最大。因此，傳遞給臨時支墩的水平推力在整個頂推過程中也最大，此時刻即為施工全過程受力最不利的時刻。本文以此時刻作為最不利工況，對臨時支墩沉降和樁頂應(yīng)變進(jìn)行分析，此工況下臨時支墩主要受橫移小車和滑道之間的水平摩擦力和通過橫移小車傳遞的鋼桁梁自重的豎向荷載的作用，其中，單側(cè)臨時支墩水平摩擦力的大小為240kN，單個橫移小車傳遞的豎向荷載為1 500kN。樁頂沉降位移和樁頂應(yīng)變結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4 臨時支墩沉降云圖(單位:mm)

圖5 臨時支墩樁頂應(yīng)變云圖(單位:ε)

由圖4可知，整個區(qū)域沉降最大值為1.85mm，位于臨時支墩所在處，周圍土體沉降從樁體附近向外圍逐漸變小，且減小的速度越來越快。整個臨時支墩沉降值基本保持一致，沒有出現(xiàn)傾斜沉降的情況，這與現(xiàn)場實測結(jié)果相吻合。

由圖5可知，樁身的應(yīng)變值變化幅度較小，最大值為2 310με，小于C30混凝土的極限壓應(yīng)變3 500με[19]，整體處于安全狀態(tài)。應(yīng)變值較大區(qū)域主要位于樁身的上半部分。3根樁的最大應(yīng)變值從左到右逐漸變小，出現(xiàn)的位置距離地面也越來越遠(yuǎn)。

3 臨時支墩實測與對比分析

為了保證整個施工安全進(jìn)行，對臨時支墩沉降、墩頂水平位移和樁頂應(yīng)變進(jìn)行了施工全過程監(jiān)測。分別在1～3號樁樁體布置1個位移監(jiān)測點和1個應(yīng)變監(jiān)測點，其中位移測點位于墩頂部位，通過全站儀進(jìn)行監(jiān)測；應(yīng)變測點位于樁頂部位，采用的應(yīng)變計為JMZX-212型表面智能數(shù)碼弦式應(yīng)變計，所有測點的具體布置位置如圖6所示。

圖6 臨時支墩測點布置(單位:m)

3.1 墩頂水平位移及沉降結(jié)果分析

頂推法施工過程中下部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響到上部結(jié)構(gòu)的整體受力情況和線形高程的控制，為了保證整個施工過程的安全，對臨時支墩1～3號樁對應(yīng)的墩的墩頂斜距、平距、高程和水平角進(jìn)行了頂推施工全過程監(jiān)測，得到的1～3號樁的監(jiān)測數(shù)據(jù)的差異性甚小，表明臨時支墩沉降呈現(xiàn)出整體性，沒有發(fā)生傾斜沉降，這與模擬結(jié)果保持高度一致。單樁的實測結(jié)果如表3所示。

表3 臨時支墩沉降和墩頂水平位移監(jiān)測值

由表3可知，施工全過程中，臨時支墩沉降值在2mm范圍內(nèi)上下波動，墩頂水平位移監(jiān)測值沒有發(fā)生任何變化，說明鋼桁梁橫移過程中埋深35m的臨時支墩承載能力完全可以承擔(dān)鋼桁梁頂推橫移的施工荷載，能有效保證施工的安全性。另外也可以看出，該實測結(jié)果與模擬結(jié)果吻合良好，從而很好地驗證了考慮樁土共同作用的臨時支墩有限元模型的正確性。

3.2 樁頂應(yīng)變結(jié)果分析

鋼桁梁橫移過程由于摩阻力的存在必然會對墩頂部產(chǎn)生水平推力，從而易引起樁身開裂變形等，故在樁頂進(jìn)行了應(yīng)變監(jiān)測，以掌握水平推力引起臨時支墩底部樁體變形情況，并以10min為周期記錄了3根樁在整個橫移施工中的樁頂應(yīng)變值。由于數(shù)據(jù)較多，表4僅列舉了部分代表性監(jiān)測結(jié)果。

表4 應(yīng)變計監(jiān)測數(shù)據(jù)

由表4可知，在整個施工過程中，1～3號樁的樁頂應(yīng)變實測值都比較穩(wěn)定，但是與臨時墩頂沉降和墩頂水平位移的監(jiān)測結(jié)果不同的是3根樁的應(yīng)變實測結(jié)果不再相等，而是有一個較大的且基本保持不變的差值，這種差異與模擬的結(jié)果保持一致，于是考慮樁土共同作用的臨時支墩有限元模型再一次得到驗證。

4 臨時支墩安全性影響因素分析

已有研究結(jié)果表明，鋼桁梁與滑道之間的內(nèi)摩擦系數(shù)和樁長是影響臨時支墩安全最重要的兩個因素[20]。為此，基于上述經(jīng)過驗證的臨時支墩有限元模型，對這兩種因素的具體影響規(guī)律進(jìn)行模擬分析。

4.1 內(nèi)摩擦系數(shù)對臨時支墩安全性影響分析

鋼桁梁橫向頂推施工中，規(guī)定內(nèi)摩擦系數(shù)取值范圍為0.02～0.08，下面基于驗證后的臨時支墩有限元模型對支墩沉降、墩頂水平位移和樁頂應(yīng)變隨摩擦系數(shù)在此范圍內(nèi)變化的規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 內(nèi)摩擦系數(shù)與臨時支墩沉降關(guān)系曲線

圖8 內(nèi)摩擦系數(shù)與墩頂水平位移關(guān)系曲線

圖9 內(nèi)摩擦系數(shù)與樁頂應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖7～圖9可知，內(nèi)摩擦系數(shù)在規(guī)定取值范圍內(nèi)變化時，支墩沉降值在1.8mm處上下波動，兩者之間沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性；1～3號樁的樁頂應(yīng)變也近似呈一條水平直線，而3根樁之間卻表現(xiàn)出較為恒定的差值，此結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果類似；1～3號樁對應(yīng)墩的墩頂水平位移保持高度一致，其隨內(nèi)摩擦系數(shù)的變化與支墩沉降和樁頂應(yīng)變不同，墩頂水平位移與內(nèi)摩擦系數(shù)呈明顯的正相關(guān)性，近似呈線性變化。

因此，為減小摩擦阻力，施工時要確保滑道與橫梁小車之間保持足夠潤滑，施工中一般應(yīng)將內(nèi)摩擦系數(shù)控制在0.08以下。此外，內(nèi)摩擦系數(shù)過低將會導(dǎo)致頂推時阻力很小，從而使得整個頂推過程難以控制，容易發(fā)生事故，所以通常將其控制在0.02以上。

4.2 樁長對臨時支墩安全性影響分析

臨時支墩的樁長通常由樁的承載力和支墩沉降值決定，本文基于驗證后的臨時支墩有限元模型，在上述工況荷載作用下，對不同樁長(20～50m)下臨時支墩的沉降、墩頂水平位移和樁頂應(yīng)力進(jìn)行了模擬分析，其結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖10 樁長與臨時支墩沉降關(guān)系曲線

圖11 樁長與墩頂水平位移關(guān)系曲線

圖12 樁長與樁頂應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖10～圖12可知，臨時支墩沉降、墩頂水平位移和樁頂應(yīng)變隨樁長的變化呈現(xiàn)不同的變化趨勢。支墩沉降和樁頂應(yīng)變變化比較明顯，而墩頂水平位移比較穩(wěn)定，幾乎沒有發(fā)生變化。

臨時支墩沉降值隨著樁長的增加而減小，但是減小的速度越來越緩慢，當(dāng)樁長達(dá)到35m時，沉降值趨于穩(wěn)定，通過增加樁長來減小支墩沉降已經(jīng)不再可行；墩頂水平位移隨樁長的增加在0.1～0.2mm的范圍內(nèi)上下波動，兩者之間沒有表現(xiàn)出任何的相關(guān)性；1～3號樁之間還是跟之前的分析結(jié)果一樣，保持著一個比較穩(wěn)定的差值，從單根樁來看，樁頂應(yīng)變基本上隨著樁長的增加而減小，但是減小的幅值并不大。

5 結(jié)論

(1)對于橫向頂推施工，必須重點關(guān)注剛開始推動那一刻的受力，因為此時的摩擦系數(shù)最大，整個體系往往處于最不利工況狀態(tài)。

(2)基于考慮樁土共同作用的臨時支墩有限元模型，對臨時支墩沉降、墩頂水平位移和樁頂應(yīng)力的模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果吻合良好，結(jié)果均較小，臨時支墩在施工全過程中始終處于安全狀態(tài)。

(3)內(nèi)摩擦系數(shù)在規(guī)定取值范圍0.02～0.08，對臨時支墩沉降和樁頂應(yīng)力的影響很小，但對墩頂水平位移的影響較為顯著，兩者之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。

(4)樁長變化對墩頂水平位移的影響較小，而臨時支墩沉降和樁頂應(yīng)變隨樁長增加有明顯的下降趨勢，其中臨時支墩沉降減小的速度越來越緩慢，最后趨于穩(wěn)定。由此說明，當(dāng)樁長增加到一定長度后，再采用增加樁長的措施來減小支墩沉降，達(dá)到的效果可能并不理想，也不經(jīng)濟(jì)。