橋梁頂推施工對(duì)既有線高鐵橋墩變位影響及沉降預(yù)測(cè)分析

朱傳忠,金增祿,劉彥浩,李賢鋒,石學(xué)坤,王邢宇,崔鳳坤

(1.中鐵十局集團(tuán)青島工程公司,山東 青島 266600;2.山東交通學(xué)院,山東 濟(jì)南 250357)

1 工程概況

鄭濟(jì)鐵路跨京滬高鐵特大橋151#～154#墩采用(50+85+50)m鋼箱連續(xù)梁,起始里程DIK13+484.78～DIK13+671.38。在左線跨京滬高鐵特大橋DK13+577、DK13+588、DK13+591處跨越既有京滬高鐵下行、上行和津浦上行線,交角分別為140°、139°、49°。線路縱坡度-17‰,位于半徑R=950 m曲線上。新建152#墩距離京滬高鐵接觸網(wǎng)AF線32.12 m,距離水白下行側(cè)接觸網(wǎng)回流線22.83 m,153#墩距離京滬高鐵接觸網(wǎng)AF線12.51 m,距離京滬上行側(cè)接觸網(wǎng)回流線17.18 m。

2 施工方案及關(guān)鍵施工工況

2.1 施工方案

在大里程側(cè)158#墩與160#墩之間設(shè)置拼裝支架,作為拼裝作業(yè)區(qū),151#～160#墩之間作為頂推作業(yè)區(qū)。在153#～154#墩之間增加臨時(shí)墩L1,將邊跨由50 m 縮短跨度為(32+18)m;151#墩小里程側(cè)增加臨時(shí)墩L2,用于導(dǎo)梁的拆除;在151#～154#墩及L1墩的墩頂增加加高塊用于調(diào)整支撐高度,加高塊上安裝頂推千斤頂。

在鋼箱梁頂推過程中,采用“邊拼邊頂”的方法完成鋼箱的拼裝。將前5節(jié)鋼箱梁吊裝至拼裝作業(yè)平臺(tái),焊接完成后進(jìn)行試頂推,再將其余8節(jié)鋼箱梁依次吊裝、拼裝及頂推。導(dǎo)梁總長(zhǎng)85 m,約195 t,采用1 250 t履帶吊一次性吊裝就位,并與鋼箱梁在153#墩完成焊接后,再進(jìn)行跨線頂推作業(yè)。

頂推完成后,通過千斤頂交替下落梁,落梁完成。

2.2 關(guān)鍵施工工況

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工工藝,對(duì)新建橋梁施工過程中8個(gè)關(guān)鍵工況對(duì)既有線高鐵橋墩的影響進(jìn)行分析。關(guān)鍵工況見表1。

表1 關(guān)鍵施工工況匯總

3 頂推施工對(duì)既有高鐵橋墩的影響

3.1 對(duì)既有橋墩變位的影響

新建橋梁施工導(dǎo)致既有線路變形的影響因素眾多,主要包括:既有線路與新建線路的相對(duì)位置關(guān)系、周邊土體的位移及既有橋梁的結(jié)構(gòu)形式等。

鄰近既有線路施工時(shí),新建線路施工會(huì)導(dǎo)致周圍土體產(chǎn)生位移,包括豎直方向的位移及水平方向的位移。其中,水平方向位移包括順軌道方向位移及垂直于軌道方向的位移。豎向位移和水平位移的大小與采用的施工工藝、土層深度及土質(zhì)等有關(guān)。土體的水平位移將引起既有結(jié)構(gòu)發(fā)生受拉或受壓變形。土體的豎向位移可能會(huì)導(dǎo)致既有線路產(chǎn)生不均勻沉降,引起既有橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形及剪切變形,從而對(duì)既有線路的安全運(yùn)營(yíng)造成影響。因此,亟待對(duì)新建線路施工對(duì)既有線高鐵橋墩變位影響及沉降預(yù)測(cè)開展研究。

根據(jù)施工方提供的資料,選取鄰近既有京滬高鐵最不利橋墩101#墩和102#墩,通過分析既有高鐵橋墩在頂推施工關(guān)鍵工況下的橋墩變位及沉降,研究橋梁頂推施工對(duì)既有高鐵線路的影響。以新建鄭濟(jì)高鐵153#墩為例,分析施工過程中樁基施工、承臺(tái)施工及橋墩施工對(duì)既有高鐵線路的影響。

3.2 各施工階段橋墩位移分析

圖1為既有橋墩位移方向示意圖,京滬高鐵101#墩和102#墩U1為x方向(水平面內(nèi)垂直軌道的方向)水平位移,U2為y方向(水平面內(nèi)順軌道方向)水平位移,U3為z方向(豎直方向)位移。U1、U2及U3如圖1中箭頭所示方向?yàn)檎较颉?/p>

圖1 既有橋墩位移方向示意

既有京滬高鐵101#墩和102#墩在新建鄭濟(jì)高鐵橋墩施工過程中,U1方向、U2方向及U3方向的位移變化如圖2、圖3和圖4所示。以新建鄭濟(jì)高鐵153#墩施工過程中,既有京滬高鐵101#墩和102#墩的水平位移變化,分析樁基施工、承臺(tái)施工及橋墩施工對(duì)既有高鐵橋墩的影響。

圖2 101#墩、102#墩U1方向位移累計(jì)變化

圖3 101#墩、102#墩U2方向位移累計(jì)變化

圖4 101#墩、102#墩豎向位移累計(jì)變化

(1)樁基施工。

樁基施工使得既有高鐵橋墩發(fā)生沉降,并向U1及U2的負(fù)方向移動(dòng)。

樁基施工時(shí),向樁孔內(nèi)澆筑混凝土相當(dāng)于對(duì)土體加載,使得周圍土體向孔內(nèi)移動(dòng)并出現(xiàn)下沉,土體帶動(dòng)既有橋墩向樁基施工方向移動(dòng),并產(chǎn)生沉降。

(2)承臺(tái)施工。

承臺(tái)施工使得既有高鐵橋墩略微抬升,并向U1及U2的負(fù)方向移動(dòng)。

基坑開挖對(duì)原有土體卸載,導(dǎo)致坑邊土體向坑內(nèi)位移,進(jìn)而引起既有橋墩向承臺(tái)施工方向移動(dòng);同時(shí),基坑開挖所引起的豎向轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng),使得既有橋墩略有抬升。

101#墩最大豎向位移為-0.07 mm,102#墩最大豎向位移為-0.52 mm,但均為負(fù)值,表明承臺(tái)施工階段導(dǎo)致既有橋墩產(chǎn)生的隆起小于之前沉降累計(jì)。

(3)橋墩施工及臨時(shí)墩、作業(yè)平臺(tái)搭設(shè)施工工況。

橋墩施工及臨時(shí)墩、作業(yè)平臺(tái)搭設(shè)施工均使得既有高鐵橋墩發(fā)生沉降,并向U1及U2的負(fù)方向移動(dòng)。

橋墩施工及臨時(shí)墩、作業(yè)平臺(tái)搭設(shè)施工都屬于加載過程,土體受加載效應(yīng)會(huì)帶動(dòng)周邊土體下沉并在水平方向向加載方向移動(dòng),從而帶動(dòng)既有橋墩產(chǎn)生沉降并向U1及U2的負(fù)方向移動(dòng)。

(4)導(dǎo)梁吊裝及焊接。

導(dǎo)梁吊裝使得既有高鐵橋墩發(fā)生沉降,并向U1及U2的負(fù)方向移動(dòng)。

在主梁跨越主跨前,先將導(dǎo)梁拼裝成整體,然后采用大型吊機(jī)整體吊裝至主跨上方,并支撐在152#、153#橋墩上。隨著鋼導(dǎo)梁吊裝完成,對(duì)新建橋墩施加向下的豎向荷載,通過橋墩傳遞到土體,土體受到擠壓,帶動(dòng)周圍土體下沉并向加載方向移動(dòng),使得既有橋墩發(fā)生沉降,并向U1及U2的負(fù)方向移動(dòng)。

(5)連續(xù)梁頂推施工。

頂推施工使得既有高鐵橋墩向U1及U2的正方向移動(dòng),對(duì)既有橋墩U3方向位移影響相對(duì)較小。

連續(xù)梁采用多點(diǎn)頂推,14個(gè)水平千斤頂同時(shí)頂進(jìn),在水平千斤頂?shù)耐屏ο?滑塊與梁體通過滑板與滑道上的不銹鋼板進(jìn)行滑移,梁體頂推前進(jìn),每一頂推行程75 cm,行程結(jié)束后,固定千斤頂升起并按設(shè)定頂力接觸梁體,移動(dòng)千斤頂下降,梁體與移動(dòng)頂分離,滑塊與水平千斤頂回到初始位置,移動(dòng)頂升,固定頂落,梁體支撐在移動(dòng)頂上,水平千斤頂進(jìn)行下一行程頂進(jìn)。依次循環(huán)頂推至設(shè)計(jì)位置。

鋼箱梁頂推的過程中會(huì)對(duì)橋墩產(chǎn)生沿頂推方向的附加內(nèi)力,使得新建橋墩沿頂推方向移動(dòng)并對(duì)土體造成擠壓,土體帶動(dòng)既有高鐵橋墩向U1及U2的正方向移動(dòng)。

目前國(guó)內(nèi)橋梁較常用的頂推施工工藝一般采用多點(diǎn)拖拉式連續(xù)頂推法,拖拉法通過張拉千斤頂牽拉鋼絞線,拖動(dòng)梁段在臨時(shí)支墩頂設(shè)置的滑道上滑移,牽引梁體安裝就位。頂推過程中,后面的橋墩作為反力架,推動(dòng)梁體向前移動(dòng)時(shí),需要克服由梁體自重作用產(chǎn)生的摩擦阻力,對(duì)橋墩底部產(chǎn)生較大的反力,使土體產(chǎn)生較大的變形,從而影響鄰近既有橋墩。而步履式頂推過程中,由豎向千斤頂支撐主梁,未與橋墩直接接觸,所以頂推過程中對(duì)橋墩影響較小,使得周圍土體幾乎不產(chǎn)生變形。因此,步履式頂推對(duì)鄰近既有橋墩變位影響較小。

(6)導(dǎo)梁拆除、落梁。

拆除前后導(dǎo)梁,安裝永久支座,通過豎向千斤頂?shù)慕惶嫦侣鋵撓淞郝淞褐猎O(shè)計(jì)位置。落梁過程中會(huì)使得橋墩發(fā)生輕微抖動(dòng),擠壓周圍土體,對(duì)既有橋墩變位產(chǎn)生影響。

4 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋墩工后沉降預(yù)測(cè)

4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用的誤差反饋學(xué)習(xí)算法,通過比較實(shí)際輸出值與期望輸出值的差值變化,進(jìn)而調(diào)整網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)值,直至收斂。實(shí)質(zhì)是利用梯度最大下降法,使權(quán)值沿誤差函數(shù)的負(fù)梯度方向改變。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練后,使得BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出關(guān)系形成一個(gè)高度的非線性關(guān)系。通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)中的連接權(quán)值,可實(shí)現(xiàn)非線性的分類、預(yù)測(cè)等[6]。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)在MATLAB軟件中的實(shí)現(xiàn)可以通過創(chuàng)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的MATLAB程序或直接用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱?；谑┕み^程中及施工后約兩個(gè)月既有橋墩沉降的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱,實(shí)現(xiàn)對(duì)既有京滬高鐵101#墩和102#墩的工后沉降預(yù)測(cè)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置見表2。

采用Levenberg-Marquardt算法對(duì)構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,得到訓(xùn)練結(jié)果相關(guān)性曲線,見圖5。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果相關(guān)性曲線

圖中橫坐標(biāo)為每個(gè)集合實(shí)際輸出值,縱坐標(biāo)為每個(gè)集合對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)輸出值。實(shí)線表示實(shí)際輸出值與預(yù)測(cè)輸出值線性回歸方程對(duì)應(yīng)的函數(shù)圖像,虛線表示相關(guān)系數(shù)R=1時(shí)所對(duì)應(yīng)的函數(shù)圖像。相關(guān)系數(shù)R越接近于1表示預(yù)測(cè)精度越高。由圖5可知,構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)系數(shù)R=0.991 76,預(yù)測(cè)精度較高,因此,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非常適合對(duì)既有線高鐵橋墩的工后沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

由圖6和圖7可知,沉降實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值基本吻合。說明采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)既有橋墩進(jìn)行沉降預(yù)測(cè),效果良好。

圖6 101#墩沉降實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

圖7 102#墩沉降實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

既有京滬高鐵101#墩在新建鄭濟(jì)高鐵樁基施工開始后的第390 d,橋墩沉降值趨于穩(wěn)定,沉降值為-2.060 7 mm;既有京滬高鐵102#墩在新建鄭濟(jì)高鐵樁基施工的開始后的第400 d,橋墩沉降值趨于穩(wěn)定,沉降值為-2.549 7 mm。

4.2 橋墩工后沉降預(yù)測(cè)

以新建鄭濟(jì)高鐵153#墩樁基施工的開始時(shí)間為起始時(shí)刻,研究既有京滬高鐵101#墩和102#墩的工后沉降規(guī)律。沉降實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比見圖6和圖7。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)101#墩豎向位移累計(jì)值最大為-1.910 8 mm;102#墩沿豎向位移累計(jì)值最大為-2.419 7 mm。位移值均為負(fù)值,說明既有高鐵橋墩在施工完成后發(fā)生沉降。

(2)在頂推施工完成后,既有京滬高鐵101#墩沿U1方向位移累計(jì)值為-1.61 mm,102#墩沿U1方向位移累計(jì)值為-1.86 mm;既有京滬高鐵101#墩U2方向位移累計(jì)值為-1.77 mm,102#墩U2方向位移累計(jì)值為-2.08 mm。累計(jì)位移值均為負(fù)值,說明既有高鐵橋墩水平移動(dòng)方向與頂推方向相反。

(3)既有京滬高鐵101#墩和102#墩的水平位移及豎向位移均從近施工側(cè)到遠(yuǎn)離施工側(cè)呈遞減規(guī)律。

(4)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)既有橋墩進(jìn)行沉降預(yù)測(cè),既有高鐵橋墩沉降的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值基本吻合,預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確。