頂管下穿高鐵橋梁對橋墩的變形影響監測★

王 浩 蔣廣勝 王崇旭

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

0 引言

2020年年底，我國高鐵營業里程將近4萬km，占世界高鐵里程的2/3[1]。隨著高鐵的發展，越來越多的下穿高鐵的工程開始出現，在施工過程中會對高鐵橋梁產生擾動，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生位移，從而發生卸荷或加載等復雜的力學行為，使其應力狀態發生改變，因此為了確保高鐵的運營安全，需要對施工產生的橋墩變形加以監測與分析[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°。

橋梁上部結構為60 m+100 m+60 m雙線連續箱梁，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法施工，共頂進43管節，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，密封膠應粘結在鋼套環上，與管材配套供應。頂管內直徑1 950 mm，壁厚200 mm，每節管長度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，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生的附加應力對土體產生作用[4]。各個擾動分區范圍內土體應力應變狀態不同，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；側方卸荷擾動區③與固結區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為土的內摩擦角。

周圍土體在同一水平面上的變形是呈正態分布的，其中受擾動范圍內的②③區是產生沉降的主要區域，且管節水平距離最小的位置豎向變形最大[5]，而④區的應力狀態幾乎保持不變。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 數值模擬

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

2.2.1 現場土層劃分

施工地點位于唐山市豐潤區，主要土層為粉質黏土、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個節點。

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

施工階段的模擬計算選用的是LDF荷載釋放系數為0.3和0.7，土層參數根據已有地質資料并結合以往數值計算經驗進行取值。

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 監測方案

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

在對津秦高鐵進行現場監測過程中，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]，當監測得到所需的基準點坐標后，就可以憑借著監測數據計算出橋墩監測點發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，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)進行監測。墩身處垂直線路兩側各布置一個測點，共計8個監測點；施工影響范圍外的2個橋墩(34號墩，41號墩)各布設2個監測基點，合計12個測點。

圖6是大地測量法變形監測數據處理系統結構示意圖，在正式頂進管節前就先通過外業監測一段時間施工影響范圍內津秦高鐵北營陡河1號特大橋橋墩的變形，建立監測點數據庫，給施工過程中的監測結果提供可靠的對照組數據。

3.1 沉降監測點的布設

根據數值計算的結果可知，頂管兩側的橋墩變形在安全范圍內，因此只需要對影響范圍內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測。沉降監測時在墩身處垂直線路兩側各布置一個測點；水平變形監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測點的平面坐標，兩次觀測后根據坐標差值計算出該點的傾斜變化量。監測采用不等距幾何水準測量方法進行觀測。

3.3 監測頻率

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

所有監測項目的監測頻次如表1所示。

表1 監測頻次表

3.4 規范限制及預警值

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建筑變形測量規范規定，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。本監測項目對橋墩的監測按三級預警值進行預警，對監測結果按照藍色、黃色和紅色三級預警進行控制，分別根據Δ規范×50%，Δ規范×70%,Δ規范×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 監測結果

4.1 數據處理

現場監測數據采集完成后，對觀測數據進行傳輸整理，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。

4.2 監測結果分析

監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，結合實際工程的監測數據，可以得出以下結論：

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)在施工結束后30 d內，橋墩的變形值仍在持續變化，說明施工完成時，頂管周圍土體的應力狀態并未穩定，需要一定時間進行恢復。

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