沉管基槽開挖對橋墩側向位移影響的模型試驗

谷任國， 梁建勛

(華南理工大學土木與交通學院, 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室, 廣州 510641)

在城市隧道的建設中,因受場地條件和交通規劃的限制,所以在既有橋梁附近新建隧道的情況越來越多。而近間距施工可能會造成土體的擾動,引起既有橋梁產生側向位移和附加內力,甚至導致橋梁坍塌。所以如何確保在既有橋梁緊鄰位置修建隧道期間周圍土工環境的安全,已經成為重要的研究課題,引起了相關單位的關注。目前研究該問題常用的方法是利用有限元軟件進行數值分析研究[1-5]。但是對于海底隧道基槽開挖來說,罕有現成的工程案例,海底基槽開挖對既有橋梁的影響相對于岸上的來說可能會有所不同,因此對于比較少見的水下基槽開挖情況,采用數值分析研究方法難以得到有效結果。而對于海底基槽開挖,采取現場試驗存在經濟和技術上困難。為了得到水下基槽開挖對橋梁影響的相對有效結果,確保水下基槽順利開挖,同時為了保證研究方便可行,可采用大型縮尺模型試驗,因為模型試驗能較好地模擬實際現象,并可以對多組工況進行研究,還能較為直觀的發現問題所在。至今,已有學者成功采用模型試驗進行基坑開挖對鄰近建筑影響研究的案例[6-8]。為了研究水下基槽開挖對橋梁橋墩側向位移的影響,在前人的基礎上,以澳門嘉樂庇海底沉管隧道為背景,采用模型試驗的方法,對不同工況條件下,沉管基槽開挖所引起既有橋梁橋墩的側向位移進行研究，以期為類似工程安全施工提供思路和參考。

1 工程概況

嘉樂庇大橋,是澳門第一條連接澳門半島和氹仔的跨海橋,橋長2 549.8 m,寬9.2 m。擬建嘉樂庇隧道與嘉樂庇大橋基本平行,距離為153～185 m,采用沉管法,沉管長1 100 m,基槽開挖深度為13～20 m,開挖坡度較緩,坡率為1∶6,嘉樂庇大橋通航處距沉管基槽坡頂線約26 m。擬建隧道始于澳門半島新城填海區,地勢平坦,終于氹仔島北側平地區域,因為受到航道開挖影響,終點處的高程較起點處高程要高,海水較深。實際工程中沉管基槽開挖深度約為20 m,隧道穿越地層以軟土為主,地層利于施工。工程地質剖面如圖1所示。

圖1 工程地質剖面圖Fig.1 Section of engineering geological

2 模型試驗

2.1 相似關系

結合工程實際,選取幾何相似系數Ch=1/20,橋面分布荷載相似系數Cq=1/20,坡率相似系數Ca=1,彈性模量相似關系以CE表示,由量綱分析法推出的π定理適用于物理現象機理與規律尚未清楚情況[9—11],選擇影響橋梁結構位移的重要物理變量:①基槽開挖深度H；②基槽開挖寬度B；③基槽開挖中線與橋梁的距離d；④基槽開挖坡度a；⑤橋梁所受均布荷載q；⑥橋梁混凝土的彈性模量E；⑦海水深度Hw；⑧基槽每層開挖厚度H△。可有相似系數關系如表1所示。由于試驗條件限制,試驗沒有嚴格按照相似理論進行,只是采取定性方式,選取與實際工程地質情況相似的南沙區場地進行模型試驗,旨在研究水下基槽開挖對既有橋梁橋墩側向變形的影響規律,并提供一些相應的安全施工建議。

表1 相似系數Table 1 Similarity coefficient

2.2 相似材料

相似試驗一般采取定性形式,相似材料并不能完全與工程實際情況一一對應,所得結果只反映某些現象趨勢[12]。程嵩等[13]直接選用與依托工程土層相似的潮白河砂質粉土作為地基土,不僅省去了配制相似土層的復雜工藝,并較好地反映了地下水開采對橋梁樁基的影響。所以在模型試驗中,選取研究問題中所需要的主要參數,能反映出實際工程的現象即可。因為難以在嘉樂庇總督大橋相應位置進行模型試驗,模型試驗場地選在與要建海底隧道場地地質情況相似的南沙區場地,南沙區場地地質分布多為軟土,模擬基槽開挖區域處于軟土范圍,模型試驗可在一定程度反映實際橋墩側向變形的變化情況。另外用C30素混凝土的彈性模量近似等效于原橋的彈性模量,彈性模量為3×104N·mm-2。因為縮尺模型橋樁截面約18×18 mm2,難以采用鋼筋混凝土材料,所以通過比較可模擬橋梁結構的材料(微粒混凝土、金屬、有機玻璃、南方松等)[14—16],模型試驗最終選用南方松材料,該木材彈性模量為2.7 GPa,即2.7×103N·mm-2,與混凝土彈性模量比為1/11.1。

2.3 橋梁模型安裝

結合工程實際情況,因為隧道與橋梁基本平行,所以在隧道最低點處的位置,基槽開挖的坡頂線將與橋梁距離最近,此處橋梁受到基槽開挖影響最大。因此選相應區域,進行模型試驗,所選范圍包含P20～P27橋墩,P表示橋墩代號,如圖2所示。

因試驗場地條件限制,模型試驗的范圍僅包括P20～P27橋墩區段,其中P23～P24區段的橋梁跨徑最長,達到73 m,該處為通航水域；另外6跨的長度均為25 m。據2.1節的幾何尺寸相似關系,可得P20～ P27的模型尺寸參數如表2所示。

圖2 橋梁模型選取區域示意圖Fig.2 Schematic diagram of the selected area of the bridge model

橋梁模型所用材料均為南方松木,橋梁各部件由專門的木工進行加工,橋樁與承臺通過打榫連接,然后用白乳膠與氣壓釘進行加固,以保證節點連接處穩固。橋梁模型安裝流程如圖3所示,相對應的實物圖如圖4所示。

2.4 測量系統介紹與測點布置

試驗運用了兩套測量系統,分別是鋼尺測量系統和全站儀測量系統,主要用于測量橋墩的側向位移,重點對P22～P26這5個橋墩進行測量。

圖3 橋梁模型安裝流程示意圖Fig.3 Flowchart of the bridge model installation

鋼尺測量系統主要由鐵絲、鋼尺、三腳架組成。根據試驗場地的范圍要求,在距離試驗區域各5 m處設置三腳架作為鋼尺測量的基準桿。在距離右側橋墩5 cm處布設鐵絲,將鐵絲綁在兩端的三角架上,確保鐵絲一直保持拉緊的狀態；然后在該鐵絲上綁扎長度大約5 cm的細鐵絲,使其鉛錘向下,作為測量讀數的標尺。

擬定對P22～P26共5個橋墩進行側向位移的測試,每個橋墩布設4個測點。在每個測點處放置一根長為20 cm的鋼尺,用來測試部分的長度是15 cm。根據測點要求,在測點上方2 cm處布設鐵絲,共需4根鐵絲。分別在4個橋墩對應的鐵絲處

表2 橋梁模型細部結構尺寸Table 2 Detail structural size of the bridge model

圖4 橋梁模型安裝流程實物圖Fig.4 Installation physical objects of the bridge model

掛細鐵絲,確保水平鐵絲與鉛錘鐵絲剛性連接,減少因鉛錘鐵絲晃動而引起的實驗誤差。在距離鋼尺前方15 cm處插入木樁,木樁高度大于剛尺綁扎的高度,以木樁為標準,確保每次讀數時從同一個方向獲得鋼尺上的數值,減小視線偏差而引起的試驗誤差。鋼尺布置實物圖如圖5所示,測量系統示意圖如圖6所示。

圖5 鋼尺布置實物圖Fig.5 Physical objects of the steel ruler layout

圖6 鋼尺測量系統示意圖Fig.6 Schematic diagram of the steel ruler measurement system

全站儀測量系統用到的主要儀器是全站儀,用全站儀測量橋墩頂部的側向位移。在監測的過程中,也要對測量系統中的兩個基準桿進行觀測,對基準桿進行校準,減小測量誤差。并在P22～P26橋墩頂部的蓋梁以及三腳架的中部粘貼反光片,以便用全站儀觀測時能快速找到觀測點,并能準確清晰地對準反光片上的十字絲,精準讀數。測量系統如圖7所示,觀測點實物圖如圖8所示。

圖7 全站儀測量系統示意Fig.7 Schematic diagram of the total station measurement system

圖8 全站儀測點實物Fig.8 Physical object of the total station measurement point

2.5 模型基槽開挖試驗

根據前面提到的相似關系,可以得到模型試驗時基槽開挖平面圖如圖9所示。依據JTG B01—2014《公路工程技術標準》取汽車荷載為550 kN,車長為15 m,所以半橋豎向荷載為2.3 kPa,根據相似關系,可求得對橋梁模型所施加的豎向荷載,用沙袋均勻鋪放的方式來模擬豎向荷載,如圖10所示。

圖9 基槽開挖坡平面圖Fig.9 Plan view of excavation slope of the foundation trench

圖10 施加半橋荷載實物圖Fig.10 The half-bridge loading

在半橋面鋪滿荷載并達到穩定以后,測量人員需記錄鋼尺上的初始讀數以及全站儀的初始讀數,如圖11所示。根據工程經驗,沉管基槽開挖順序應按分段、分層來進行,并為了與實際工程對應,按前面所述幾何相似比劃分開挖區,可將試驗場地分為Ⅰ區和Ⅱ區,如圖12所示。每區分三層開挖,分別是0.3、0.3、0.4 m,模擬6個開挖工況,給6個工況進行編號①～⑥,I-①表示Ⅰ區工況1,Ⅱ-⑥表示Ⅱ區工況6,依次輪流開挖,如圖13所示。先以挖機進行初挖,接著進行人工補挖及測量相關高程,確保基槽開挖的準確性。并且每一工況開挖結束后,在所有監測數據穩定后拍下鋼尺上的數值并記錄全站儀的讀數。在進行下一工況開挖前,先安排專人下水測量開挖區域深度和水面高程,確保所挖深度在計劃中。Ⅰ區開挖結束后,操作人員將挖掘機開行至Ⅱ區作業平面,開行的路線應在試驗場地之外,盡量減少機械震動對橋梁位移造成的影響,開挖如圖14所示。

圖11 獲取鋼尺及全站儀數據Fig.11 Data acquisition from the steel ruler and total station

圖12 基槽開挖分區Fig.12 Division of the base trench excavation

圖13 基槽開挖工況示意圖Fig.13 Schematic diagram of the foundation trench excavation

圖14 挖機開挖實物Fig.14 The excavation operation

圖15 模型試驗過程中墩頂側向位移Fig.15 Lateral displacement of the pier top in the model test

3 模型試驗結果及分析

在不同工況下,墩頂的側向位移分布曲線如圖15所示。鋼尺測量的最大側向位移是2.5 mm,發生在工況6結束以后的P24橋墩頂部,全站儀測量的最大側向位移是2 mm。在施工期間,橋墩頂部向基槽方向會產生0～2.5 mm不等的側向位移。由圖15可知，兩套測量系統對應的曲線較吻合,說明測試數據受偶然誤差的影響較小,測試結果準確可靠。

由于全站儀測量數據的最小精度是1 mm,而鋼尺測量的精度可達到0.2 mm；所以,工況側向位移分布曲線以鋼尺測量的數據為依據。為了更好地表示橋墩頂部的側向位移與施工工況之間的關系,據鋼尺測量結果,可以繪制工況側向位移分布曲線圖,見圖16。

由圖16可知,整體上,橋梁的側向位移隨著開挖深度的增大而增大,所以在施工期間,需要合理控制開挖的深度,以免對近接既有橋梁的結構安全造成不利影響。而從工況1到工況3,橋墩頂部的側向位移大致呈現逐漸升高的趨勢。但P26的曲線在工況4突然下降,其余墩號的曲線在工況5突然下降,主要原因是在工況4和工況5試驗期間,試驗現場出現下雨和刮風情況,風從基槽一側吹向橋梁方向,使得測量系統所測側向位移值突然下降。工況5開挖后,現場環境較好,曲線基本又呈上升趨勢。圖16可知,中間橋墩即P23和P24的位移最大,P24位移是工況6下橋墩P22、P26和P25的2倍、2.25倍和1.45倍；P23位移是P22、P26和P25的1.73倍、1.9倍和1.22倍,其中P24最大位移可達2.5 mm。兩側橋墩的位移較小,分析認為P23～P24橋跨長是邊跨長的3倍左右,側向位移受到相鄰橋墩約束較小,所以變形較大,并且進行試驗選取的模型僅為P20～P27段,邊跨橋墩靠近岸邊,因為受到路面邊界的限制,所以邊跨橋墩的位移相對較小。

圖16 墩頂側向位移隨工況變化分布曲線Fig.16 Distribution curves of the lateral displacement of the pier top with condition change

為了分析橋梁實際位移情況,已知模型與實體存在的應力、應變關系,分別是:①應力相等,即模型和實橋保持應力相等；②當彈性模量一致時,應變相等；③應變或應力保持一定的比例關系。可以導出模型和原型的換算公式,如式(1)～式(4)所示。可將模型試驗實測得到的試驗結果根據表1的相似關系,結合式(4)可還原成原型中橋墩頂部側向位移的分布曲線,如圖17所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ep、eM分別為原型和模型的應力；qp、qM分別為原型和模型的分布荷載；Xp、XM分別是原型和模型的應變；Hp、HM分別是原型和模型的尺寸；Ep、EM分別是原型和模型的彈性模量；Δp、ΔM分別是原型和模型的側向位移。

參考規范JTG H10—2009《公路養護技術規范》、CJJ 99—2003《城市橋梁養護技術規范》、GB 50157—2013《地鐵設計規范》,考慮到隧道在海洋環境下開挖,以及嘉樂庇大橋距今已有40多年歷史,結合專家建議后將由基槽開挖引起的位移控制值按所述規范要求最小值的30%選取,即側向位移限值取6 mm。由圖17可知,最大側向位移出現在工況6的P24橋墩上,最大值為4.5 mm,所以實際橋梁的側向位移小于位移控制值6 mm。但考慮模型試驗受路面邊界限制的影響、南沙區場地與海洋環境的差別和突發天氣變化影響等,則實際橋梁橋墩最大側向位移可能逼近或超過相應位移控制限值,所以建議采取信息化施工方式,及時了解橋梁變形情況,如有必要,采取相應的加固措施。

圖17 實際墩頂側向位移隨工況變化分布曲線Fig.17 Distribution curves of the actual lateral displacement of the pier with condition change

4 結論

基于相似理論,通過室外大型縮尺模型試驗可得以下結論。

(1)在隧道基槽開挖過程中,近鄰橋梁較大跨徑所對應的橋墩P23和P24側向位移較大,P24位移是工況6下橋墩P22、P26和P25的2倍、2.25倍和1.45倍,P23位移為1.73倍、1.9倍和1.22倍,所以P23和P24區段橋梁受到較大的擾動影響,是施工過程中重點監控的對象。

(2)橋梁模型最大側向位移2.5 mm,利用相似準則換算得到實際橋梁最大位移4.5 mm,所以推測實際橋梁側向位移小于位移控制值6 mm。

(3)在近鄰橋梁的海底隧道施工過程中,橋梁的側向位移隨著開挖深度增大而增大,所以在施工期間,應合理控制開挖深度,以免對近接既有橋梁的結構安全造成不利的影響。

(4)在工況4和工況5期間試驗現場出現下雨和刮風情況,導致模型試驗所測的側向位移出現波動情況,建議應保證橋體上所布置測點牢固穩定,降低環境造成的非橋梁本身變形引起的測量數據變動。

(5)所取模型僅為受基槽開挖影響較大的一段,考慮到路面邊界對橋墩側向位移的限制作用、海洋環境較南沙區場地多變的特點和突發天氣變化造成的影響等,實際橋梁橋墩的側向位移會逼近或超過規定的位移控制限值,為了確保基槽開挖安全,建議在基槽開挖過程中加強橋梁結構變形的監測工作,必要時根據監測信息進一步采取相應的加固措施。