某橋梁樁基托換工程變形控制探索與實踐

侯偉清

(福州地鐵集團(tuán)有限公司 福建福州 350000)

0 引言

橋梁的換托是一個動態(tài)過程，核心在于新樁和原樁荷載轉(zhuǎn)換。托換中，橋梁的縱向偏差、立柱傾斜率、板梁間隙等都會發(fā)生較大變化，特別是支承點的相對變化，將導(dǎo)致橋梁受力狀態(tài)發(fā)生變化，這就要求換托的過程中橋梁上部結(jié)構(gòu)的變形必須在允許的范圍之內(nèi)[1]。因此，在施工過程中，對橋梁結(jié)構(gòu)和臨時構(gòu)件的變形和關(guān)鍵部位的內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)控，非常必要。需要建立一整套的監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)定必要的預(yù)警值和極限值，控制指標(biāo)必須精準(zhǔn)，才能確保托換工藝成功實施。

1 工程概況

福州軌道交通某區(qū)間隧道范圍內(nèi)立交橋墩樁基侵入、須采用新建樁基、承臺、橋墩來替換原舊橋下部結(jié)構(gòu)。隧道頂埋深約14 m，托換的橋墩所在上部結(jié)構(gòu)為3 m×15.75 m鋼筋砼連續(xù)箱梁，橋墩下部結(jié)構(gòu)為薄壁墩配承臺預(yù)制方樁基礎(chǔ)，墩高11.714 m，預(yù)制方樁的截面尺寸為40 cm×40 cm，樁長32 m，橋址地質(zhì)條件差、地下1.5 m左右即見軟土，且地下水位高。該工程采用主動換托技術(shù)，即在原有樁基截除之前，在新樁和托換結(jié)構(gòu)之間利用千斤頂施加荷載，消除部分新樁和托換結(jié)構(gòu)的變形。其步驟分別為：施工新橋墩樁基-澆筑新橋墩兩側(cè)承臺-安裝臨時支撐架及千斤頂-拆除舊橋墩及承臺[2]，拔除舊橋墩樁基-澆筑后澆承臺-澆筑新橋墩-拆除臨時支撐架-恢復(fù)路面并開始盾構(gòu)施工，施工流程如圖1所示。

該項目采用信息化施工技術(shù)，以信息指導(dǎo)施工，對托換過程中，對每個環(huán)節(jié)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析，并第一時間反饋至各參建方、對有關(guān)托換頂升參數(shù)進(jìn)行修正。在托換或頂升過程中，須對原樁的位移、沉降和托換新樁的沉降情況、蓋梁的變形進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測。

(a)步驟一 (b)步驟二

(c)步驟三 (d)步驟四

(e)步驟五 (f)步驟六

(g)步驟七 (h)步驟八

2 最不利工況分析

根據(jù)設(shè)計圖紙，所檢橋梁上部結(jié)構(gòu)分析計算，采用橋梁專用程序MIDAS/Civil進(jìn)行空間建模分析。其中上部結(jié)構(gòu)為3 m×15.75 m鋼筋砼連續(xù)箱梁，采用桿系模型，主梁混凝土C30，Ⅱ級鋼，結(jié)構(gòu)內(nèi)力按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTJ 023-85)進(jìn)行荷載組合驗算，采用桿系模型。本文以第22聯(lián)141#橋墩、18聯(lián)112#為例進(jìn)行模擬，采用參數(shù)為：上部結(jié)構(gòu)為3 m×15.75 m鋼筋砼連續(xù)箱梁，墩承臺厚度320 cm，相應(yīng)樁徑180 cm，橋?qū)? m，普通鋼筋配筋率0.56%。有限元模型如圖2～圖3所示。

圖2 D匝道第22聯(lián)有限元模型示意圖

圖3 E匝道第18聯(lián)有限元模型示意圖

根據(jù)有限元模型分析結(jié)果，D匝道第22聯(lián)141#墩在千斤頂從0 mm頂升至6.83 mm時，D匝道主梁存在應(yīng)變150με的點，達(dá)到混凝土的開裂應(yīng)變。故D匝道第22聯(lián)頂升位移極限值設(shè)定為6.83 mm。根據(jù)有限元模型分析結(jié)果，E匝道第18聯(lián)112#墩在千斤頂從0 mm頂升至5.87 mm時，D匝道主梁存在應(yīng)變150με的點，該應(yīng)變達(dá)到了混凝土的開裂應(yīng)變。故E匝道第18聯(lián)頂升位移極限值設(shè)定為5.87 mm。

3 監(jiān)測項目及控制值

監(jiān)測內(nèi)容包括：①橋梁線型，用以反應(yīng)橋梁下部結(jié)構(gòu)土體穩(wěn)定狀況和整體橋梁結(jié)構(gòu)的平動、轉(zhuǎn)動和傾斜情況；②上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變，用以監(jiān)測梁體因施工擾動引起的附加內(nèi)力；③裂縫監(jiān)測，對橋梁的裂縫狀況進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集；④箱梁支點豎向絕對位移，用以驗證托換結(jié)構(gòu)實施后受力轉(zhuǎn)換的可靠性，并對橋梁安全狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評估；⑤臨時支撐架傾斜、沉降，用以監(jiān)測新建樁基與承臺周圍的土體穩(wěn)定性；⑥新、舊墩應(yīng)力應(yīng)變，用以反應(yīng)箱梁在頂升施工過程中的荷載轉(zhuǎn)移情況；⑦托換完成后新、舊墩傾斜，用以準(zhǔn)確把握地鐵施工期間，盾構(gòu)下穿、土體擾動對匝道橋上部結(jié)構(gòu)的影響?？刂浦导氨O(jiān)測內(nèi)容如表1所示。

表1 控制值及監(jiān)測內(nèi)容一覽表

在托換施工過程中，上部結(jié)構(gòu)不可避免會產(chǎn)生位移，但橋梁結(jié)構(gòu)的變形是有限的。根據(jù)最不利工況分析，梁端位移的極限值設(shè)定為5.87 mm，托換施工過程中必須對該監(jiān)測項目進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控。該指標(biāo)異常時，馬上對其他監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行一次全面測量，確認(rèn)異常原因，采取必要措施，及時反饋至各參建單位。

4 監(jiān)測要點

樁基托換施工工序多，技術(shù)復(fù)雜，每一步疏忽都有可能造成不可挽回的損失。因此，監(jiān)測工作必須貫穿整個樁基托換工程的始終。為此，我們實施樁基托換信息化施工監(jiān)測，其監(jiān)測要點包括：

(1)建立一套完善、先進(jìn)、可靠的監(jiān)控系統(tǒng)，由靜力水準(zhǔn)式沉降儀、美國基康鋼弦式應(yīng)變計等穩(wěn)定性好、精度高的傳感器，先進(jìn)穩(wěn)定的專用模塊設(shè)備及數(shù)據(jù)實時存儲、處理和分析系統(tǒng)等組成。

(2)重點關(guān)注托換新樁施工階段，包括既有橋樁基持力層擾動、地下水位改變，須在周邊建筑物和托換樁布置監(jiān)測點，同時進(jìn)行水位觀察。

(3)重點箱梁頂升施工階段，包括被托換結(jié)構(gòu)的頂升及沉降位移、新樁沉降、支座反力狀態(tài)、箱梁底面絕對標(biāo)高，頂升千斤頂裝置及安全自鎖裝置的同步協(xié)調(diào)等。

5 變形分析

根據(jù)實際施工過程，本次樁基托換過程監(jiān)測結(jié)果分為五個階段，相應(yīng)監(jiān)測成果如下：

(1)第一階段：新承臺開始樁基施工至臨時支撐安裝完成

在第一階段施工期間，監(jiān)測樁基施工對臨近既有橋墩的影響，在施工期間對臨近的5個既有橋墩沉降及傾角進(jìn)行監(jiān)測，樁基施工臨邊既有橋墩均未發(fā)生明顯變位，如表2～表3所示。

表2 D匝道第一階段橋墩沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果

表3 D匝道第一階段橋墩傾角數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果

(2)第二階段：完成上部結(jié)構(gòu)從老橋墩支座受力到臨時支撐受力的托換過程

第二階段施工過程的基本流程為：首先使臨時支撐上的千斤頂對主梁進(jìn)行頂升，使得主梁與141#墩上的舊支座脫離；臨時支座就位，千斤頂卸荷載，使得主梁落于臨時支座處；觀察臨時支撐受力后的變形狀況，待臨時支撐承臺變位，主梁豎向位移均穩(wěn)定后，取出141#墩舊支座開始141#舊墩切除施工。第二階段施工期間，主梁最大頂升高度為7.95 mm，千斤頂回落、主梁轉(zhuǎn)換為臨時支座受力后，主梁141#截面兩側(cè)高程分別為4.99 mm和5.95 mm，說明141#墩舊支座已經(jīng)完全不受力，臨時支座完全受力，頂升后36 h內(nèi)主梁高程基本不變，說明臨時支撐體系較為穩(wěn)定。在托換過程中，主梁梁底應(yīng)變以受壓為主，最大壓應(yīng)變?yōu)?24με，主梁未發(fā)生明顯損傷，如表4～表5所示。

表4 D匝道第二階段主梁豎向位移監(jiān)測結(jié)果

表5 D匝道第二階段主梁應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果

(3)第三階段：進(jìn)行中間后澆承臺施工以及新橋墩的施工

113#墩第三階段施工期間，E匝道主梁113#截面梁體高程變化部分?jǐn)?shù)據(jù)，由于地下水變化以及113#墩臨時支撐為摩擦樁基礎(chǔ)等原因的耦合作用，113#截面主梁高程明顯下降，且下降速度較快，主梁左右兩側(cè)高程分別下降為-5.55 mm和-3.98 mm。鑒于此，監(jiān)控單位發(fā)出預(yù)警，施工單位立即對113#截面主梁進(jìn)行二次頂升，頂升后113#主梁兩側(cè)高程恢復(fù)至5.15 mm和5.03 mm，施工期間，施工臨邊橋墩傾角未發(fā)生明顯變化，確保了第三階段施工期間主梁不發(fā)生損傷，如表6所示。

(4)第四階段：完成上部結(jié)構(gòu)從臨時支撐受力到新橋墩受力的托換過程

第四階段施工過程的基本流程為：首先使臨時支撐上的千斤頂對主梁進(jìn)行頂升，使得主梁141#截面與臨時支撐脫空，頂升期間嚴(yán)格控制主梁的位移；141#墩新支座就位，千斤頂卸荷載，使得主梁落于新支座處，注意在主梁就位后盡量保持支座受力均勻；觀察141#新墩受力后橋墩及承臺的變形狀況，待變形穩(wěn)定后，拆除臨時支座及臨時支撐。第四階段施工期間，主梁最大頂升高度為11.35 mm，主梁轉(zhuǎn)換為墩新支座受力后，主梁截面兩側(cè)高程分別為3.24 mm和3.56 mm，頂升后36 h內(nèi)主梁高程基本不變，說明臨時支撐體系較為穩(wěn)定。在托換過程中，主梁梁底應(yīng)變以受壓為主，最大壓應(yīng)變?yōu)?28με，主梁未發(fā)生明顯損傷，位移監(jiān)測結(jié)果如表7～表8所示。

表7 D匝道第四階段主梁豎向位移監(jiān)測結(jié)果

表8 D匝道第四階段主梁應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果

(5)第五階段：拆除臨時支撐恢復(fù)路面至正常上部結(jié)構(gòu)通車正常運營。

通過對E匝道橋墩沉降、傾角及主梁應(yīng)變的監(jiān)測可知，樁基拖換完成后，橋墩沉降及傾角未發(fā)生明顯變化，主梁未發(fā)生新的損傷。

(6)靜載試驗

為確定橋梁結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)，對被托換結(jié)構(gòu)所在聯(lián)進(jìn)行靜載試驗，采用三軸載重汽車加載方式，按荷載效率η范圍進(jìn)行計算，確定采用4部重車進(jìn)行靜載試驗，依據(jù)設(shè)計荷載等級要求，對橋梁結(jié)構(gòu)在最不利荷載組合下產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行詳細(xì)計算，并通過布置荷載工況，使現(xiàn)場加載產(chǎn)生的內(nèi)力與設(shè)計荷載產(chǎn)生的理論內(nèi)力的比值符合橋梁試驗規(guī)范的要求，如表9～表10所示。

表9 加載內(nèi)容及試驗荷載效率一覽表

表10 撓度檢測結(jié)果匯總表

監(jiān)測結(jié)果表明，在托換全過程中，主梁梁底應(yīng)變以受壓為主，最大壓應(yīng)變?yōu)?28με，主梁未發(fā)生明顯損傷。樁基托換完成后，橋墩沉降及傾角未發(fā)生明顯變化，頂升位移未超過極限值，主梁未發(fā)生新的損傷，各階段的主要測點的時程曲線如圖4所示。

(a)第一階段橋墩沉降數(shù)據(jù)

(b)第二階段主梁豎向位移數(shù)據(jù)

(c)第二階段主梁應(yīng)變數(shù)據(jù)

(d)第三階段橋墩沉降數(shù)據(jù)

(e)第四階段主梁豎向位移

(f)第四階段主梁應(yīng)變數(shù)據(jù)

(g)第五階段橋墩沉降數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

該工程證明了主動樁基托換技術(shù)的安全性和可靠性，能有效控制工程風(fēng)險[3]。同時，通過信息化監(jiān)測精準(zhǔn)測量換托各階段橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，可以為施工提供大量重要的控制參數(shù)并予以優(yōu)化，確保樁基托換施工的順利實施，也為后續(xù)同類工程提供借鑒。