滿堂支架施工對鄰近高鐵橋墩位移影響探究

虞 子 龍

(中鐵二十四局集團(tuán)有限公司,上海 200070)

0 引言

我國東部沿海地區(qū)高速鐵路的建設(shè)密度較大，易出現(xiàn)多條路線并行的情況[1]。由于區(qū)域內(nèi)大多為軟土地基，因而既有高鐵的高鐵橋墩易受到鄰近堆載作用影響，導(dǎo)致橋梁軌道的平順性發(fā)生改變[2]。采用掛籃施工是高鐵工程中的傳統(tǒng)施工方式，其施工過程中無需建立落地支架，無需大型起重機(jī)械及運(yùn)輸機(jī)具，主要設(shè)備是一對能行走的掛籃[3]。完成本段施工后，掛籃對稱向前各移動(dòng)一節(jié)段，進(jìn)行下一對稱梁段施工，如此循序施工，直至懸臂梁澆筑完成[4]。該工法將現(xiàn)澆軌道梁以及施工機(jī)械設(shè)備的所有荷載都集中到了橋梁墩體上，對周邊既有建構(gòu)筑物的影響較小，但施工速度慢、造價(jià)高[5]。而連續(xù)滿堂支架施工工藝則是通過滿堂支架將現(xiàn)澆軌道梁的荷重直接作用于地基，整個(gè)橋段同時(shí)施工，這樣可以克服掛籃施工的不足，在工期嚴(yán)重短缺的情況下加快工程進(jìn)度[6]。然而，該施工方案將施工荷載直接傳遞到地基，會(huì)引起地基土體的變形和應(yīng)力改變，尤其是對周邊既有建構(gòu)筑物產(chǎn)生不利的影響[7]。

研究表明[8]：軟土層在施工荷載等鄰近堆載作用下會(huì)產(chǎn)生豎向變形和側(cè)向擠出變形，土體的水平方向位移會(huì)對鄰近的既有橋梁樁基產(chǎn)生附加應(yīng)力。基礎(chǔ)在垂直—水平組合荷載作用下會(huì)產(chǎn)生附加彎矩，導(dǎo)致基礎(chǔ)的樁身發(fā)生撓曲變形，并造成既有橋梁墩臺發(fā)生水平位移從而影響軌道平順性[9]。對于群樁承臺基礎(chǔ)，存在土拱效應(yīng)與遮攔效應(yīng)，高鐵橋墩無論是下沉還是上升，都會(huì)導(dǎo)致既有橋墩臺頂發(fā)生轉(zhuǎn)角位移[10]。

針對高速鐵路線路并行工程實(shí)際，并結(jié)合既有高鐵軌道運(yùn)行平順性的控制要求，本文將通過開展現(xiàn)場支架預(yù)加載試驗(yàn)測試高鐵橋墩鄰近土體的沉降、深層水平位移、孔隙水壓力等受力特性，并分析堆載作用下高鐵橋墩的位移變化情況。

1 工程概況

浙江省某既有高鐵客運(yùn)專線全長149.89 km，是我國“四縱四橫”鐵路客運(yùn)專線網(wǎng)絡(luò)中滬深客運(yùn)專線的重要組成部分。雙線鋪設(shè)CRTS Ⅱ型板式無碴軌道；設(shè)計(jì)速度為350 km/h；正線線間距：5.0 m；設(shè)計(jì)活載：ZK活載。梁部及墊石采用C50混凝土澆筑，墩臺身及基礎(chǔ)采用C35混凝土澆筑。

新建城際鐵路線全長20.3 km，地下線長度9.87 km，高架線長度7.34 km，過渡段長度0.67 km，山嶺隧道長度2.03 km。工程重要性等級為一級，項(xiàng)目主要位于農(nóng)田上，局部分布民居及廠房，周圍為市政道路及既有高速鐵路。擬建場地位于蕭紹虞甬平原區(qū)西部，為海積湖沼積平原，地勢開闊，地形平坦，溝渠密布，自然地面標(biāo)高一般為1.7 m～7.5 m左右。

2 試驗(yàn)方案

選取新建城際鐵路現(xiàn)澆箱梁兩跨開展現(xiàn)場試驗(yàn)，現(xiàn)場試驗(yàn)場地位于高鐵橋基與現(xiàn)澆軌道梁滿堂支架施工區(qū)域之間。為了更好地探究鄰近滿堂支架施工對既有高鐵橋基影響，設(shè)計(jì)了支架預(yù)壓試驗(yàn)。預(yù)估新建城際鐵路30 m簡支梁荷重為320 t，試驗(yàn)中采用分級加載，按照50%，80%，110%箱梁荷載三級進(jìn)行加載，滿堂腳手架荷重不計(jì)。連續(xù)滿堂腳手架搭設(shè)長度為30 m，寬度為8 m，腳手架邊界與鄰近既有高鐵橋基的凈距約為24 m。

本次現(xiàn)場試驗(yàn)觀測的項(xiàng)目有：地表沉降、土體側(cè)向水平位移、孔隙水壓力(沿深度變化)、高鐵橋墩位移。如圖1所示，本次測量共布設(shè)2個(gè)觀測全斷面，布設(shè)地表豎向位移監(jiān)測點(diǎn)16個(gè)、土體分層豎向位移監(jiān)測點(diǎn)8孔、土體深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)8孔、孔隙水壓力監(jiān)測點(diǎn)10個(gè)，橋基水平位移監(jiān)測點(diǎn)4個(gè)、豎向位移監(jiān)測點(diǎn)4個(gè)。

3 結(jié)果分析

滿堂支架施工時(shí)，地表豎向位移隨時(shí)間、堆載等級變化可分為圖2所示的平緩期、增長期和穩(wěn)定期三個(gè)階段。加載初期地表測點(diǎn)均發(fā)生沉降變形(沉降為正值，隆起為負(fù)值)，速率平緩。加載2步驟后，即第一跨加至80%箱梁荷載，第二跨加至50%箱梁荷載時(shí)，土體豎向位移變化速率增快。由圖3可以看出，測點(diǎn)DH8的豎向位移變化值小于測點(diǎn)DH7，原因是測點(diǎn)DH8與DH16埋設(shè)在既有高鐵橋基附近，群樁存在“遮攔效應(yīng)”減小了土體側(cè)向擠出變形。加載完成之后，樁周土體相對于基樁產(chǎn)生了向上的豎向位移。

測試深層水平位移時(shí)測斜管入土深度20 m，計(jì)算時(shí)以孔底為不動(dòng)點(diǎn)，向遠(yuǎn)離堆載方向位移為正。距堆載邊界1 m，6 m，13 m，23 m土體測斜測試結(jié)果如圖4所示，試驗(yàn)中分級加載過后會(huì)引起土體發(fā)生側(cè)向水平位移，最大水平位移基本出現(xiàn)在地面以下2 m～4 m深度范圍以內(nèi)。當(dāng)加載4步驟完成之后，土體水平位移反而有所減小，原因是：前期加載過程中加載量較大，加載4步驟中僅對第二跨進(jìn)行加載30%箱梁荷載，前期因?yàn)樗矔r(shí)加載引起地基土超靜孔隙水壓力升高，而后期加載過程中引起土體孔隙水壓力升高較小，所以消散較快，此階段土體主要發(fā)生固結(jié)變形，導(dǎo)致水平位移減小，但是并沒有恢復(fù)到初始狀態(tài)。

孔壓的變化和加載間歇過程具有相關(guān)性，在堆載作用下孔隙水壓力存在上升趨勢并且在間歇階段消散較快。如圖5所示，豎向荷載加載完成之后，土體孔隙水壓力會(huì)迅速上升，主要集中在6 m～15 m深部土體，經(jīng)過1 d的時(shí)間間歇，孔隙水壓力就已經(jīng)消散完成。其余時(shí)間階段內(nèi)，孔隙水應(yīng)力變化趨勢則不明顯。

由表1可以看出，堆載主要引起高鐵橋墩發(fā)生橫橋向水平位移(橫橋向正值表示向遠(yuǎn)離堆載方向位移，順橋向正值代表向順里程方向位移)。順橋向水平位移基本無變化，說明施工對順橋向位移影響較小，后期現(xiàn)澆箱梁施工過程中應(yīng)主要觀測其橫橋向水平位移。

表1 高鐵橋墩位移

由于堆載時(shí)間存在差異，高鐵橋墩的兩端豎向位移數(shù)值存在差異，但是規(guī)律基本一致。靠近堆載側(cè)發(fā)生沉降變形，遠(yuǎn)離堆載側(cè)為隆起變形，整體產(chǎn)生靠近堆載方向的輕微轉(zhuǎn)角。由地表豎向位移測試可知，樁周土產(chǎn)生隆起變形，對樁基有正摩阻力的作用，相當(dāng)于會(huì)給樁基向上的拖拽力，而實(shí)測數(shù)據(jù)表明靠近堆載側(cè)樁基產(chǎn)生了沉降變形。豎向位移最大沉降值為0.2 mm，最大隆起值為0.2 mm，豎向位移變化量較小，不會(huì)影響既有高鐵軌道的平順性和安全性。

4 結(jié)語

本文依托于浙江省某新建城際鐵路工程，通過開展現(xiàn)場支架預(yù)加載試驗(yàn)的方法測試了高鐵橋墩鄰近土體的沉降、深層水平位移、孔隙水壓力等受力特性，并分析了其位移變化，最終得出如下結(jié)論：

1)分級加載后，地表沉降出現(xiàn)平緩期、增長期和穩(wěn)定期三個(gè)階段；土體先產(chǎn)生遠(yuǎn)離堆載位置的水平位移，隨后位移量降低；堆載作用下孔隙水壓力持續(xù)緩慢上升。

2)滿堂支架施工荷載主要引起橋墩發(fā)生橫橋向水平位移，順橋向水平位移基本無變化，整體產(chǎn)生靠近堆載方向的輕微轉(zhuǎn)角，說明既有橋基位移值總的變化量較小，該新建城際鐵路工程不會(huì)影響既有高鐵軌道的平順性和安全性要求。