橋梁頂推施工對既有線高鐵橋墩變位影響及沉降預測分析

朱傳忠,金增祿,劉彥浩,李賢鋒,石學坤,王邢宇,崔鳳坤

(1.中鐵十局集團青島工程公司,山東 青島 266600;2.山東交通學院,山東 濟南 250357)

1 工程概況

鄭濟鐵路跨京滬高鐵特大橋151#～154#墩采用(50+85+50)m鋼箱連續梁,起始里程DIK13+484.78～DIK13+671.38。在左線跨京滬高鐵特大橋DK13+577、DK13+588、DK13+591處跨越既有京滬高鐵下行、上行和津浦上行線,交角分別為140°、139°、49°。線路縱坡度-17‰,位于半徑R=950 m曲線上。新建152#墩距離京滬高鐵接觸網AF線32.12 m,距離水白下行側接觸網回流線22.83 m,153#墩距離京滬高鐵接觸網AF線12.51 m,距離京滬上行側接觸網回流線17.18 m。

2 施工方案及關鍵施工工況

2.1 施工方案

在大里程側158#墩與160#墩之間設置拼裝支架,作為拼裝作業區,151#～160#墩之間作為頂推作業區。在153#～154#墩之間增加臨時墩L1,將邊跨由50 m 縮短跨度為(32+18)m;151#墩小里程側增加臨時墩L2,用于導梁的拆除;在151#～154#墩及L1墩的墩頂增加加高塊用于調整支撐高度,加高塊上安裝頂推千斤頂。

在鋼箱梁頂推過程中,采用“邊拼邊頂”的方法完成鋼箱的拼裝。將前5節鋼箱梁吊裝至拼裝作業平臺,焊接完成后進行試頂推,再將其余8節鋼箱梁依次吊裝、拼裝及頂推。導梁總長85 m,約195 t,采用1 250 t履帶吊一次性吊裝就位,并與鋼箱梁在153#墩完成焊接后,再進行跨線頂推作業。

頂推完成后,通過千斤頂交替下落梁,落梁完成。

2.2 關鍵施工工況

根據結構特點和施工工藝,對新建橋梁施工過程中8個關鍵工況對既有線高鐵橋墩的影響進行分析。關鍵工況見表1。

表1 關鍵施工工況匯總

3 頂推施工對既有高鐵橋墩的影響

3.1 對既有橋墩變位的影響

新建橋梁施工導致既有線路變形的影響因素眾多,主要包括:既有線路與新建線路的相對位置關系、周邊土體的位移及既有橋梁的結構形式等。

鄰近既有線路施工時,新建線路施工會導致周圍土體產生位移,包括豎直方向的位移及水平方向的位移。其中,水平方向位移包括順軌道方向位移及垂直于軌道方向的位移。豎向位移和水平位移的大小與采用的施工工藝、土層深度及土質等有關。土體的水平位移將引起既有結構發生受拉或受壓變形。土體的豎向位移可能會導致既有線路產生不均勻沉降,引起既有橋梁結構發生彎曲變形及剪切變形,從而對既有線路的安全運營造成影響。因此,亟待對新建線路施工對既有線高鐵橋墩變位影響及沉降預測開展研究。

根據施工方提供的資料,選取鄰近既有京滬高鐵最不利橋墩101#墩和102#墩,通過分析既有高鐵橋墩在頂推施工關鍵工況下的橋墩變位及沉降,研究橋梁頂推施工對既有高鐵線路的影響。以新建鄭濟高鐵153#墩為例,分析施工過程中樁基施工、承臺施工及橋墩施工對既有高鐵線路的影響。

3.2 各施工階段橋墩位移分析

圖1為既有橋墩位移方向示意圖,京滬高鐵101#墩和102#墩U1為x方向(水平面內垂直軌道的方向)水平位移,U2為y方向(水平面內順軌道方向)水平位移,U3為z方向(豎直方向)位移。U1、U2及U3如圖1中箭頭所示方向為正方向。

圖1 既有橋墩位移方向示意

既有京滬高鐵101#墩和102#墩在新建鄭濟高鐵橋墩施工過程中,U1方向、U2方向及U3方向的位移變化如圖2、圖3和圖4所示。以新建鄭濟高鐵153#墩施工過程中,既有京滬高鐵101#墩和102#墩的水平位移變化,分析樁基施工、承臺施工及橋墩施工對既有高鐵橋墩的影響。

圖2 101#墩、102#墩U1方向位移累計變化

圖3 101#墩、102#墩U2方向位移累計變化

圖4 101#墩、102#墩豎向位移累計變化

(1)樁基施工。

樁基施工使得既有高鐵橋墩發生沉降,并向U1及U2的負方向移動。

樁基施工時,向樁孔內澆筑混凝土相當于對土體加載,使得周圍土體向孔內移動并出現下沉,土體帶動既有橋墩向樁基施工方向移動,并產生沉降。

(2)承臺施工。

承臺施工使得既有高鐵橋墩略微抬升,并向U1及U2的負方向移動。

基坑開挖對原有土體卸載,導致坑邊土體向坑內位移,進而引起既有橋墩向承臺施工方向移動;同時,基坑開挖所引起的豎向轉動效應,使得既有橋墩略有抬升。

101#墩最大豎向位移為-0.07 mm,102#墩最大豎向位移為-0.52 mm,但均為負值,表明承臺施工階段導致既有橋墩產生的隆起小于之前沉降累計。

(3)橋墩施工及臨時墩、作業平臺搭設施工工況。

橋墩施工及臨時墩、作業平臺搭設施工均使得既有高鐵橋墩發生沉降,并向U1及U2的負方向移動。

橋墩施工及臨時墩、作業平臺搭設施工都屬于加載過程,土體受加載效應會帶動周邊土體下沉并在水平方向向加載方向移動,從而帶動既有橋墩產生沉降并向U1及U2的負方向移動。

(4)導梁吊裝及焊接。

導梁吊裝使得既有高鐵橋墩發生沉降,并向U1及U2的負方向移動。

在主梁跨越主跨前,先將導梁拼裝成整體,然后采用大型吊機整體吊裝至主跨上方,并支撐在152#、153#橋墩上。隨著鋼導梁吊裝完成,對新建橋墩施加向下的豎向荷載,通過橋墩傳遞到土體,土體受到擠壓,帶動周圍土體下沉并向加載方向移動,使得既有橋墩發生沉降,并向U1及U2的負方向移動。

(5)連續梁頂推施工。

頂推施工使得既有高鐵橋墩向U1及U2的正方向移動,對既有橋墩U3方向位移影響相對較小。

連續梁采用多點頂推,14個水平千斤頂同時頂進,在水平千斤頂的推力下,滑塊與梁體通過滑板與滑道上的不銹鋼板進行滑移,梁體頂推前進,每一頂推行程75 cm,行程結束后,固定千斤頂升起并按設定頂力接觸梁體,移動千斤頂下降,梁體與移動頂分離,滑塊與水平千斤頂回到初始位置,移動頂升,固定頂落,梁體支撐在移動頂上,水平千斤頂進行下一行程頂進。依次循環頂推至設計位置。

鋼箱梁頂推的過程中會對橋墩產生沿頂推方向的附加內力,使得新建橋墩沿頂推方向移動并對土體造成擠壓,土體帶動既有高鐵橋墩向U1及U2的正方向移動。

目前國內橋梁較常用的頂推施工工藝一般采用多點拖拉式連續頂推法,拖拉法通過張拉千斤頂牽拉鋼絞線,拖動梁段在臨時支墩頂設置的滑道上滑移,牽引梁體安裝就位。頂推過程中,后面的橋墩作為反力架,推動梁體向前移動時,需要克服由梁體自重作用產生的摩擦阻力,對橋墩底部產生較大的反力,使土體產生較大的變形,從而影響鄰近既有橋墩。而步履式頂推過程中,由豎向千斤頂支撐主梁,未與橋墩直接接觸,所以頂推過程中對橋墩影響較小,使得周圍土體幾乎不產生變形。因此,步履式頂推對鄰近既有橋墩變位影響較小。

(6)導梁拆除、落梁。

拆除前后導梁,安裝永久支座,通過豎向千斤頂的交替下落將鋼箱梁落梁至設計位置。落梁過程中會使得橋墩發生輕微抖動,擠壓周圍土體,對既有橋墩變位產生影響。

4 基于BP神經網絡的橋墩工后沉降預測

4.1 BP神經網絡基本原理

BP神經網絡采用的誤差反饋學習算法,通過比較實際輸出值與期望輸出值的差值變化,進而調整網絡節點的連接權值,直至收斂。實質是利用梯度最大下降法,使權值沿誤差函數的負梯度方向改變。通過對網絡進行訓練后,使得BP神經網絡的輸入輸出關系形成一個高度的非線性關系。通過調整網絡的規模、網絡中的連接權值,可實現非線性的分類、預測等[6]。

BP神經網絡預測在MATLAB軟件中的實現可以通過創建BP神經網絡預測的MATLAB程序或直接用MATLAB神經網絡工具箱。基于施工過程中及施工后約兩個月既有橋墩沉降的監測數據,采用MATLAB神經網絡工具箱,實現對既有京滬高鐵101#墩和102#墩的工后沉降預測。BP神經網絡參數設置見表2。

采用Levenberg-Marquardt算法對構建的BP神經網絡進行訓練,得到訓練結果相關性曲線,見圖5。

圖5 BP神經網絡訓練結果相關性曲線

圖中橫坐標為每個集合實際輸出值,縱坐標為每個集合對應的預測輸出值。實線表示實際輸出值與預測輸出值線性回歸方程對應的函數圖像,虛線表示相關系數R=1時所對應的函數圖像。相關系數R越接近于1表示預測精度越高。由圖5可知,構建的BP神經網絡相關系數R=0.991 76,預測精度較高,因此,BP神經網絡非常適合對既有線高鐵橋墩的工后沉降進行預測分析。

由圖6和圖7可知,沉降實測值與預測值基本吻合。說明采用BP神經網絡對既有橋墩進行沉降預測,效果良好。

圖6 101#墩沉降實測值與預測值對比

圖7 102#墩沉降實測值與預測值對比

既有京滬高鐵101#墩在新建鄭濟高鐵樁基施工開始后的第390 d,橋墩沉降值趨于穩定,沉降值為-2.060 7 mm;既有京滬高鐵102#墩在新建鄭濟高鐵樁基施工的開始后的第400 d,橋墩沉降值趨于穩定,沉降值為-2.549 7 mm。

4.2 橋墩工后沉降預測

以新建鄭濟高鐵153#墩樁基施工的開始時間為起始時刻,研究既有京滬高鐵101#墩和102#墩的工后沉降規律。沉降實測值與預測值對比見圖6和圖7。

5 結 語

(1)101#墩豎向位移累計值最大為-1.910 8 mm;102#墩沿豎向位移累計值最大為-2.419 7 mm。位移值均為負值,說明既有高鐵橋墩在施工完成后發生沉降。

(2)在頂推施工完成后,既有京滬高鐵101#墩沿U1方向位移累計值為-1.61 mm,102#墩沿U1方向位移累計值為-1.86 mm;既有京滬高鐵101#墩U2方向位移累計值為-1.77 mm,102#墩U2方向位移累計值為-2.08 mm。累計位移值均為負值,說明既有高鐵橋墩水平移動方向與頂推方向相反。

(3)既有京滬高鐵101#墩和102#墩的水平位移及豎向位移均從近施工側到遠離施工側呈遞減規律。

(4)采用BP神經網絡對既有橋墩進行沉降預測,既有高鐵橋墩沉降的實測值與預測值基本吻合,預測較為準確。