頂管下穿高鐵橋梁對橋墩的變形影響監(jiān)測★

王 浩 蔣廣勝 王崇旭

(1.北方工業(yè)大學土木工程學院，北京 100144； 2.濟南鐵路局涉鐵辦，山東 濟南 250000)

0 引言

2020年年底，我國高鐵營業(yè)里程將近4萬km，占世界高鐵里程的2/3[1]。隨著高鐵的發(fā)展，越來越多的下穿高鐵的工程開始出現(xiàn)，在施工過程中會對高鐵橋梁產(chǎn)生擾動，嚴重時將會影響高鐵的正常運營[2]。在頂管施工的過程中，掘進機的推進使周圍土體產(chǎn)生位移，從而發(fā)生卸荷或加載等復雜的力學行為，使其應力狀態(tài)發(fā)生改變，因此為了確保高鐵的運營安全，需要對施工產(chǎn)生的橋墩變形加以監(jiān)測與分析[3]。

1 工程概況

“引邱入城”引水管線防護涵于津秦高鐵北營陡河1號特大橋37號墩～38號墩間穿過，交叉里程為K151+737.3，交角為47.3°。

橋梁上部結(jié)構(gòu)為60 m+100 m+60 m雙線連續(xù)箱梁，橋墩形式為雙線圓端型實體橋墩，基礎均采用鉆孔灌注樁基礎，橋下凈空為11.28 m。

本工程采用微型盾構(gòu)法施工，共頂進43管節(jié)，頂程為129 m。防護涵采用外徑2.35 m預制混凝土管，最小埋深5.50 m，防護涵選用φ 1950-T8-S鐵路頂管。接口采用雙插口接口，密封膠應粘結(jié)在鋼套環(huán)上，與管材配套供應。頂管內(nèi)直徑1 950 mm，壁厚200 mm，每節(jié)管長度3 000 mm。

2 分析過程

2.1 影響機理

在施工時可以將周圍土體劃為七個主要的擾動分區(qū)，如圖1，圖2所示。頂管施工中掘進機對土體的擾動會通過向前運動產(chǎn)生的附加應力對土體產(chǎn)生作用[4]。各個擾動分區(qū)范圍內(nèi)土體應力應變狀態(tài)不同，受到的影響也不同。

掘進機頂端的傾角約為(45°-φ/2)，同被動土壓力角；側(cè)方卸荷擾動區(qū)③與固結(jié)區(qū)⑦邊線傾角與掘進機外壁夾角為(45°+φ/2)，如圖2所示。其中，φ為土的內(nèi)摩擦角。

周圍土體在同一水平面上的變形是呈正態(tài)分布的，其中受擾動范圍內(nèi)的②③區(qū)是產(chǎn)生沉降的主要區(qū)域，且管節(jié)水平距離最小的位置豎向變形最大[5]，而④區(qū)的應力狀態(tài)幾乎保持不變。除此之外，頂管周圍受影響土體的土壓力、孔隙水壓力和地下水位都會改變，但本工程這方面受影響較小，因此只考慮頂管周圍土體的變形。

2.2 數(shù)值模擬

為了保證施工過程中頂管兩側(cè)高鐵橋墩的變形在安全范圍內(nèi)，采用有限元軟件MIDAS-GTS進行有限元分析。

2.2.1 現(xiàn)場土層劃分

施工地點位于唐山市豐潤區(qū)，主要土層為粉質(zhì)黏土、粉土、細砂和圓礫等地層，最上層有0.6 m厚的素填土層。頂管從37號，38號橋墩之間穿過，與37號、38號橋墩的順橋向距離分別為12.99 m和10.56 m，頂管所在土層為粉質(zhì)黏土層。

2.2.2 建立模型

圖3為施加完自重與邊界條件的模型概況。為保證精度，整個模型采用了4 249個單元，4 224個節(jié)點。

模型選用的本構(gòu)模型為修正摩爾—庫侖模型，相比于傳統(tǒng)的摩爾—庫侖模型，在加載和卸荷方面的區(qū)分更為清晰。

施工階段的模擬計算選用的是LDF荷載釋放系數(shù)為0.3和0.7，土層參數(shù)根據(jù)已有地質(zhì)資料并結(jié)合以往數(shù)值計算經(jīng)驗進行取值。

2.2.3 計算分析

計算得到的變形曲線如圖4，圖5所示。

由圖4可以看出施工中38號橋墩的豎向變形較大。由圖5可以看出由于頂管施工造成的水平變形較豎向變形而言更明顯。計算結(jié)果為37號橋墩位移是0.27 mm，38號橋墩水平變形是0.39 mm。由于38號橋墩距離頂管的距離較近，38號橋墩的兩種變形均比37號橋墩變形要大。

3 監(jiān)測方案

方案采取的大地監(jiān)測法主要利用橋墩的測邊角與水準網(wǎng)，對橋墩的變形情況進行分析。

在對津秦高鐵進行現(xiàn)場監(jiān)測過程中，關鍵的測量目標就是事先設置好的基準點間的角度與水平距離[6]，當監(jiān)測得到所需的基準點坐標后，就可以憑借著監(jiān)測數(shù)據(jù)計算出橋墩監(jiān)測點發(fā)生的沉降與水平變形情況，進而判斷橋墩的變形情況是否處于正常的范圍內(nèi)，從而采取相應措施。

施工過程中對津秦高速鐵路北營陡河1號特大橋的4個橋墩(36號～39號橋墩)進行監(jiān)測。墩身處垂直線路兩側(cè)各布置一個測點，共計8個監(jiān)測點；施工影響范圍外的2個橋墩(34號墩，41號墩)各布設2個監(jiān)測基點，合計12個測點。

圖6是大地測量法變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，在正式頂進管節(jié)前就先通過外業(yè)監(jiān)測一段時間施工影響范圍內(nèi)津秦高鐵北營陡河1號特大橋橋墩的變形，建立監(jiān)測點數(shù)據(jù)庫，給施工過程中的監(jiān)測結(jié)果提供可靠的對照組數(shù)據(jù)。

3.1 沉降監(jiān)測點的布設

根據(jù)數(shù)值計算的結(jié)果可知，頂管兩側(cè)的橋墩變形在安全范圍內(nèi)，因此只需要對影響范圍內(nèi)的津秦高速鐵路北營陡河1號特大橋的4個橋墩的(36號～39號橋墩)進行沉降和水平變形監(jiān)測。沉降監(jiān)測時在墩身處垂直線路兩側(cè)各布置一個測點；水平變形監(jiān)測時在每個橋墩墩頂布設2個水平觀測點。施工影響范圍外的34號墩、41號墩各布設2個監(jiān)測基點，共12個測點，測點布置于墩身距離地面2 m以下。

3.2 觀測方法

通過距離檢核后，在如圖7中KZ1，KZ2，KZ3，KZ4處用多測回[7]測角的方法進行觀測，采用平差軟件計算各監(jiān)測點的平面坐標，兩次觀測后根據(jù)坐標差值計算出該點的傾斜變化量。監(jiān)測采用不等距幾何水準測量方法進行觀測。

3.3 監(jiān)測頻率

施工前監(jiān)測一周，將監(jiān)測標布置完成，開始獲取人工監(jiān)測的橋墩觀測值；重點工程施工階段監(jiān)測20 d；施工后繼續(xù)監(jiān)測30 d；整個監(jiān)測周期持續(xù)2個月。

所有監(jiān)測項目的監(jiān)測頻次如表1所示。

表1 監(jiān)測頻次表

3.4 規(guī)范限制及預警值

本工程在施工過程中，高鐵正常運營，未進行限速設置，且是有砟軌道，因此橋梁墩臺位移限值為3.0 mm。

JGJ 8—2007建筑變形測量規(guī)范規(guī)定，一項工程的預警值分級不宜多，傅志峰等[8]將安全預警級別分為“紅色、橙色和黃色”3個等級。本監(jiān)測項目對橋墩的監(jiān)測按三級預警值進行預警，對監(jiān)測結(jié)果按照藍色、黃色和紅色三級預警進行控制，分別根據(jù)Δ規(guī)范×50%，Δ規(guī)范×70%,Δ規(guī)范×80%確定[9]。具體沉降預警值如表2所示。

表2 橋墩沉降預警值 mm

4 監(jiān)測結(jié)果

4.1 數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)采集完成后，對觀測數(shù)據(jù)進行傳輸整理，計算出各點每次測量的高程，主要可得到：

1)本次沉降量：dhi=hi-hi-1；2)累計沉降量：Dh=(hi-h0)=∑dhi；3)沉降速率：V(mm/d)=Dh/累計天數(shù)。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

監(jiān)測時程及斷面曲線如圖8，圖9所示。由變形曲線可知，沉降量以及水平變形量最大的橋墩是距離防護涵最近的37號橋墩。最大累計沉降量是0.62 mm；最大累計水平變形量為0.23 mm。

5 結(jié)語

本文通過分析頂管工程施工過程中對周圍土體的影響，結(jié)合實際工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

1)所有測點中變形量最大的是38號橋墩測點JQC38-01和JQC38-02，最大沉降為0.62 mm，最大水平變形量為0.23 mm。

2)在施工結(jié)束后30 d內(nèi)，橋墩的變形值仍在持續(xù)變化，說明施工完成時，頂管周圍土體的應力狀態(tài)并未穩(wěn)定，需要一定時間進行恢復。

3)監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相差不大，均在安全范圍內(nèi)，監(jiān)測方案適合本工程的實際情況，可以為類似工程提供借鑒。