王飛球,荀智翔,王 浩,朱克宏

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075； 2.中鐵二十四局集團(tuán)有限公司，上海 200071；3.東南大學(xué) 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

0 引 言

重型施工機(jī)械是中國大型工程建設(shè)因施工需求而專門設(shè)計(jì)開發(fā)的一類專用施工機(jī)械設(shè)備，具有大推力、高負(fù)載的工作特性和優(yōu)勢，在工程建設(shè)中起著舉足輕重的作用，是國家重大工程建設(shè)成功與否的關(guān)鍵裝備[1]。重型施工機(jī)械體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且施工環(huán)境比較惡劣，一旦發(fā)生安全問題，小則影響施工進(jìn)度、工程質(zhì)量，大則危害到施工人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，甚至帶來災(zāi)難性的后果[2-3]。

目前，隨著中國城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，高鐵與城市地鐵的路線網(wǎng)絡(luò)化在方便廣大市民出行、緩解市內(nèi)交通的同時(shí)，也必然伴隨著新舊結(jié)構(gòu)的相互穿越，鄰近既有路線的施工日益增多，所造成的鄰近結(jié)構(gòu)變形問題已成為項(xiàng)目建設(shè)的重點(diǎn)難點(diǎn)問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者均對此做了深入研究[4-7]。禚一等[8]通過數(shù)值仿真分析的手段研究了軟土地區(qū)基坑開挖對鄰近高鐵的影響。張學(xué)鋼等[9]通過數(shù)值模擬研究了隧道施工對鄰近既有鐵路橋樁基的擾動(dòng)規(guī)律。田雨等[10]對鄰近并行的高鐵橋梁與高速公路相互影響性進(jìn)行了安全風(fēng)險(xiǎn)評估，提出了多種有效措施來降低高鐵橋梁與高速公路鄰近所帶來的不利影響。于廷新[11]針對軟土地區(qū)某鄰近高鐵基坑進(jìn)行了支護(hù)設(shè)計(jì)及監(jiān)測分析，提出了預(yù)警、調(diào)整施工方案，保證了基坑開挖安全、高鐵正常運(yùn)營。曹權(quán)等[12]基于三維數(shù)值法和自動(dòng)化監(jiān)測研究了基坑群開挖對鄰近既有地鐵隧道影響，對復(fù)雜條件下基坑群的信息化施工、確保隧道的安全運(yùn)營具有重要的指導(dǎo)意義。Sharma等[13]研究了大面積開挖對鄰近隧道變形的影響，發(fā)現(xiàn)隧道襯砌的剛度對開挖引起的隧道位移和變形具有重要的影響。Hu等[14]通過研究上海地鐵隧道附近的軟土深層開挖施工，提出了一種簡化的理論方法來估計(jì)由于泵送固結(jié)而導(dǎo)致的軟黏土層中不排水剪切強(qiáng)度的增加，并采用傳統(tǒng)的有限元方法預(yù)測挖掘引起的土體垂直和水平位移。Cao等[15]提出了一種鄰近高速鐵路基礎(chǔ)施工對現(xiàn)有高速線路運(yùn)行安全性和乘坐舒適性影響的預(yù)測方法。以上針對鄰近既有工程施工的安全性與影響性均開展了有效的研究，但通過實(shí)時(shí)監(jiān)測的手段對重型機(jī)械鄰近高鐵線施工過程的定性理論研究仍不多見。

為此，本文基于寧和城際涉鐵工程，通過數(shù)值計(jì)算預(yù)測重型機(jī)械設(shè)備施工時(shí)的安全隱患，并對重型施工機(jī)械施工過程中土體應(yīng)力變化以及鄰近高鐵橋墩的變位情況進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)為施工過程的安全性提供了真實(shí)基礎(chǔ)資料，對今后類似工程具有重要的參考價(jià)值。

1 工程背景

寧和城際軌道交通一期工程位于京滬高鐵與滬蓉鐵路兩側(cè)，板橋河段涉鐵工程分為左、右兩線，左線位于滬蓉鐵路左側(cè)，右線位于京滬高鐵右側(cè)。本工程中，新建橋墩與既有高鐵橋墩的間距最近不足10 m，故鄰近既有線的樁基施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大，為減少因鉆孔樁對地層的擾動(dòng)而造成既有線樁基位移或沉降，鄰近高鐵橋墩的SBY020，SBY021墩的樁基均采用全套管工法逐樁、逐墩施工，鋼護(hù)筒跟進(jìn)至樁底，具體見圖1。

鉆機(jī)選用徐州景安重工的JAR200H全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，鉆機(jī)主機(jī)外形尺寸為4 800 mm×3 285 mm×4 020 mm，主機(jī)質(zhì)量達(dá)46 t。吊裝設(shè)備選用日本住友LS248RH5型號履帶吊，主臂長為18.3 m，最小工作半徑為5 m，全面配重可達(dá)180 t。由于機(jī)械自身配重大，施工周期長且施工鄰近運(yùn)營的高鐵線，故有必要研究重型機(jī)械施工對鄰近高鐵橋墩的影響，為今后類似工程的安全施工提供可靠參考。

2 重型機(jī)械荷載作用下鄰近高鐵橋墩的數(shù)值分析

2.1 有限元建模

結(jié)合本工程實(shí)際，采用有限元軟件PLAXIS 3D

對重型機(jī)械荷載作用下鄰近高鐵橋墩的擾動(dòng)性進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，土層材料本構(gòu)為摩爾-庫侖模型，模型中橋梁承臺和橋墩采用線彈性的鋼筋混凝土實(shí)體單元模擬，高鐵樁基采用樁單元模擬。模型底部施加完全固定約束，取X方向?yàn)轫槝蛳?，Y方向?yàn)闄M橋向，Z方向?yàn)樨Q向?？紤]到各高鐵橋墩受施工影響大小不一，選取受影響較大的J18，J19橋墩為主要分析對象。京滬高鐵橋墩結(jié)構(gòu)參數(shù)及地基土物理力學(xué)參數(shù)分別如表1，2所示。

經(jīng)試算，選取有限元模型尺寸為60 m×60 m×70 m，可避免邊界約束問題的影響，全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)及履帶吊荷載等效為面荷載，如圖2所示。數(shù)值計(jì)算具體分為3個(gè)施工步，以清晰模擬重型機(jī)械施工過程中周圍土體變形、應(yīng)力變化及其對鄰近高鐵橋墩的影響。工況1：初始應(yīng)力場計(jì)算，分析模型中巖土體由于受自重形成的應(yīng)力場，位移清零。工況2：在地層中建立樁基及上部高鐵橋墩，位移清零。工況3：施加重型機(jī)械荷載并讀取土體應(yīng)力變化值及鄰近高鐵橋墩變位。

表1 京滬高鐵橋墩結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural Parameters of Beijing-Shanghai High-speed Railway Bridge Piers

表2 地基土物理力學(xué)指標(biāo)Tab.2 Physical and Mechanical Indexes of Foundation Soils

2.2 數(shù)值計(jì)算及分析

讀取重型機(jī)械荷載作用下周圍土體不同方向的變形位移等值線，見圖3。同時(shí)，讀取J18，J19橋墩頂部所有單元節(jié)點(diǎn)位移值，并求出均值以反映橋墩墩頂位移變化，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

由表3及圖3可知：①J18與J19橋墩在順橋向、橫橋向、豎向均在重型機(jī)械作用的影響范圍內(nèi)，其中順橋向橋墩周圍土體變形范圍為0～0.5 mm，橫橋向?yàn)?0.8～-0.4 mm，豎向位移為-1～0 mm；②J18與J19橋墩豎向位移極小，不超過0.1 mm，表明橋墩周圍土體雖有變形，但橋墩自身豎向位移幾乎不受重型機(jī)械作用的影響；③橋墩水平位移受重型機(jī)械作用的影響較為明顯，其中J18與J19橋墩水平位移分別為0.888，0.929 mm，均已超越預(yù)警值0.8 mm。基于橋墩墩頂水平位移超越預(yù)警值計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)場采取土地硬化、鋪設(shè)鋼板等方式，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，以保證施工過程中高鐵的運(yùn)營安全。

表3 鄰近高鐵橋墩頂部位移模擬結(jié)果Tab.3 Simulation Results of Top Displacements of Closed High-speed Railway Piers

3 履帶吊靜置前后土體側(cè)向應(yīng)力實(shí)測分析

從數(shù)值模擬結(jié)果來看，因履帶吊及全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)質(zhì)量大，在京滬高鐵J18，J19高鐵橋墩旁施工或長時(shí)間停放時(shí)對橋臺造成較大的側(cè)向壓力，從而使橋臺變位，鄰近橋墩水平位移均超越預(yù)警值，極易造成安全隱患。因此，在周邊距橋墩一定距離處進(jìn)行荷載試驗(yàn)，主要測試履帶吊靜置前后周圍土體應(yīng)力的變化情況。

3.1 測點(diǎn)布置

選擇與現(xiàn)場土質(zhì)相似的空曠地段，開挖長2 m、寬1.5 m、深1.5 m的土坑，立模澆筑混凝土，并將土壓力盒埋設(shè)入內(nèi)，最終使用場地土進(jìn)行回填并壓實(shí)。其中土壓力盒的布設(shè)測點(diǎn)數(shù)為4個(gè)，測點(diǎn)編號分別為T1，T2，T3，T4，布置方案如圖4所示。

采集土壓力盒初始數(shù)據(jù)，并按照履帶吊的可行走軌跡，調(diào)整履帶吊朝向，使其沿模擬混凝土承臺的邊緣行走，直至其中心線與承臺中心線平齊，并靜置30 min，隨后測試承臺測點(diǎn)處的土壓力，其中履帶吊行走軌跡如圖5所示。

3.2 測試結(jié)果及分析

試驗(yàn)于2016年6月11晚8時(shí)15分進(jìn)行，初始數(shù)據(jù)、履帶吊靜壓下測試數(shù)據(jù)及土體殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)見表4。

由表4可知：①同一土層高度上土壓力值基本相同，履帶吊靜壓后，測點(diǎn)處土壓力明顯增大，且表層測點(diǎn)T1與T3附加應(yīng)力(均值0.048 MPa)遠(yuǎn)大于下層測點(diǎn)T2與T4土體附加應(yīng)力(均值0.013MPa)；②對比T1與T3和T2與T4測點(diǎn)結(jié)果，上下2層土體之間的高度差僅為0.5 m，而土壓力值的下降卻超過了2/3，故可認(rèn)為靜載壓力的傳遞深度較淺，衰減較快，對深層土無明顯影響，與已有研究結(jié)果一致[16]；③實(shí)測附加應(yīng)力值均小于模擬值，這可能是由于現(xiàn)場土壓力盒埋設(shè)時(shí)需回填覆土，而回填土的密實(shí)度無法達(dá)到其初始密實(shí)狀態(tài)所致。

表4 測試數(shù)據(jù)Tab.4 Test Data

4 鄰近高鐵橋墩土體應(yīng)力的實(shí)測分析

為掌握履帶吊就位后鄰近高鐵橋墩附近土體的應(yīng)力變化情況，在土壓力測點(diǎn)采用鉆機(jī)成孔，將預(yù)先焊接在鋼筋架固定位置處的土壓力盒埋設(shè)在孔內(nèi)3，6，9 m深度處。埋設(shè)時(shí)，保證承受土壓力的土面嚴(yán)格整平，回填與周圍土料相同的土料，小心用人工分層夯實(shí)，保證了土壓力盒與周圍土體緊密接觸。同時(shí)將引出電纜埋設(shè)在預(yù)留溝中以防止碾壓而損壞。當(dāng)土體內(nèi)測點(diǎn)土應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，即可測出土體的壓應(yīng)力值，具體測點(diǎn)布置如圖6所示。本測試團(tuán)隊(duì)于2016年6月13日之前在J18，J19號讀取橋墩附近土壓力測點(diǎn)土體初始應(yīng)力值。14日凌晨1點(diǎn)，履帶吊啟動(dòng)并從橋墩下方鋼筋混凝土加固路基通過，在履帶吊就位后，即對履帶吊與高鐵橋墩之間土體應(yīng)力進(jìn)行了測試。15～17日履帶吊與全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)配合進(jìn)行樁基施工。全過程土壓力測試結(jié)果如表5所示。

由表5可知：①履帶吊就位后大多數(shù)測點(diǎn)的土壓力值均沒有發(fā)生變化，只有AT1(3 m)，AT1(6 m)，AT2(3 m)，AT2(6 m)，BT1(3 m)，BT1(6 m)這6個(gè)測點(diǎn)處的土壓力發(fā)生了小幅度的增長，其中AT1(3 m)與BT1(3 m)測點(diǎn)處的增幅最大，分別為0.005 MPa和0.007 MPa，這主要是由于兩測點(diǎn)距離履帶吊最近且埋置深度最淺，受履帶吊自重影響相對較大；②土體的附加應(yīng)力隨著深度的增加而迅速衰減，6 m深度處的土壓力增幅最大僅為0.003 MPa，9 m深度處的土壓力增幅為0.001 MPa；③土體附加應(yīng)力的水平擴(kuò)展范圍也很小，AT3與BT3測點(diǎn)基本不受影響，表明影響范圍不足20 m；④全套管樁基施工期間測點(diǎn)應(yīng)力幾乎不變，與數(shù)值模擬結(jié)果較為一致，表明該工法對周圍土體的擾動(dòng)較小，適合鄰近既有線樁基施工[15]。

5 鄰近高鐵橋墩的變位實(shí)測分析

為實(shí)時(shí)掌握施工全過程中鄰近高鐵橋墩的變位動(dòng)態(tài)，以確保高鐵的運(yùn)營安全，在測點(diǎn)埋設(shè)、履帶吊進(jìn)場以及全套管樁基施工階段均對鄰近J18，J19高鐵橋墩的豎向位移、水平位移、傾斜度進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測頻率為間隔2 h，其變位情況如圖7～9所示。

表5 鄰近高鐵橋墩土壓力測試結(jié)果Tab.5 Earth Pressure Test Results near High-speed Rail Pier

由圖7～9可知：①在履帶吊與全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)配合施工期間，J18，J19高鐵橋墩的豎向位移、水平位移及傾斜度的變化均在預(yù)警值范圍[17]之內(nèi)，不影響正常高鐵運(yùn)營的行車安全，其中橋墩順、橫橋向豎向位移變化均基本穩(wěn)定，在預(yù)警值±0.8 mm范圍內(nèi)上下波動(dòng)；②橋墩的順橋向水平位移整體變化較小，波動(dòng)相對平穩(wěn)，而橫橋向水平位移均為負(fù)值，但均在預(yù)警值±0.8 mm范圍，說明由于重型機(jī)械的施工造成鄰近高鐵橋墩有微小的偏移，但影響程度極小；③橋墩傾斜度的順、橫橋向監(jiān)測結(jié)果較為平穩(wěn)，且遠(yuǎn)小于預(yù)警值。

為更好掌握重型機(jī)械施工期間鄰近高鐵橋墩的變位情況，從上述監(jiān)測結(jié)果中提取最值，并計(jì)算均值與標(biāo)準(zhǔn)差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。

表6 監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.6 Statistics of Measured Results

注：豎向位移，正表示測點(diǎn)上升，負(fù)表示測點(diǎn)下沉；水平位移，順橋向正表示測點(diǎn)朝向上海方向，負(fù)表示測點(diǎn)背離上海方向；傾斜度，橫橋向正表示測點(diǎn)朝向西南方向，負(fù)表示測點(diǎn)朝向東北方向。

由表6可知：①橋墩實(shí)測豎向位移最值為0.6 mm，且均值最大值僅為0.06 mm，J18與J19橋墩模擬值分別為-0.074 mm和-0.069 mm，均表明鄰近高鐵橋墩豎向位移受重型機(jī)械的施工影響極小；②橋墩的實(shí)測水平位移最值為0.7 mm，接近預(yù)警值0.8 mm，且橫橋向J18與J19橋墩水平位移均值為負(fù)值，與橋墩橫橋向模擬值相吻合，表明橋墩測點(diǎn)處受施工影響向背離上海方向(面向施工機(jī)械場地)有極小的水平位移，受重型機(jī)械的施工影響相對較大；③橋墩傾斜度最值為18.4″，遠(yuǎn)小于預(yù)警值30″，且施工過程中均值不超過5″，表明橋墩幾乎沒有傾斜變形。

6 結(jié) 語

(1)履帶吊靜壓后，測試點(diǎn)處側(cè)向土壓力明顯增大，且表層附加應(yīng)力值遠(yuǎn)大于下層土體附加應(yīng)力，同時(shí)壓力的傳遞深度較淺，對深層土層無明顯影響。

(2)履帶吊就位后測點(diǎn)土壓力值均沒有明顯變化，相對而言，距離履帶吊較近且埋置深度較淺的測點(diǎn)受其自重影響相對較大，且土體應(yīng)力變化隨著深度的增加而迅速衰減。土體附加應(yīng)力的水平擴(kuò)展范圍也較小，AT3與BT3測點(diǎn)(距重型機(jī)械施工位置20 m)基本不受影響。

(3)在履帶吊與全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)配合施工期間，J18，J19高鐵橋墩的豎向位移與傾斜度波動(dòng)變化穩(wěn)定，其中橫橋向橋墩水平位移均值為負(fù)值，表明橋墩測點(diǎn)處受施工影響向施工機(jī)械場地方向有極小的水平位移，但均在預(yù)警值之內(nèi)，不影響正常高鐵運(yùn)營的行車安全。

(4)實(shí)測與數(shù)值模擬結(jié)果均表明，鄰近高鐵橋墩的豎向位移極小，受重型機(jī)械施工影響相對較小，而水平位移接近預(yù)警值，受其影響相對較大。