沉管基槽开挖对桥墩侧向位移影响的模型试验

谷任国， 梁建勋

(华南理工大学土木与交通学院, 亚热带建筑科学国家重点实验室, 广州 510641)

在城市隧道的建设中,因受场地条件和交通规划的限制,所以在既有桥梁附近新建隧道的情况越来越多。而近间距施工可能会造成土体的扰动,引起既有桥梁产生侧向位移和附加内力,甚至导致桥梁坍塌。所以如何确保在既有桥梁紧邻位置修建隧道期间周围土工环境的安全,已经成为重要的研究课题,引起了相关单位的关注。目前研究该问题常用的方法是利用有限元软件进行数值分析研究[1-5]。但是对于海底隧道基槽开挖来说,罕有现成的工程案例,海底基槽开挖对既有桥梁的影响相对于岸上的来说可能会有所不同,因此对于比较少见的水下基槽开挖情况,采用数值分析研究方法难以得到有效结果。而对于海底基槽开挖,采取现场试验存在经济和技术上困难。为了得到水下基槽开挖对桥梁影响的相对有效结果,确保水下基槽顺利开挖,同时为了保证研究方便可行,可采用大型缩尺模型试验,因为模型试验能较好地模拟实际现象,并可以对多组工况进行研究,还能较为直观的发现问题所在。至今,已有学者成功采用模型试验进行基坑开挖对邻近建筑影响研究的案例[6-8]。为了研究水下基槽开挖对桥梁桥墩侧向位移的影响,在前人的基础上,以澳门嘉乐庇海底沉管隧道为背景,采用模型试验的方法,对不同工况条件下,沉管基槽开挖所引起既有桥梁桥墩的侧向位移进行研究，以期为类似工程安全施工提供思路和参考。

1 工程概况

嘉乐庇大桥,是澳门第一条连接澳门半岛和氹仔的跨海桥,桥长2 549.8 m,宽9.2 m。拟建嘉乐庇隧道与嘉乐庇大桥基本平行,距离为153～185 m,采用沉管法,沉管长1 100 m,基槽开挖深度为13～20 m,开挖坡度较缓,坡率为1∶6,嘉乐庇大桥通航处距沉管基槽坡顶线约26 m。拟建隧道始于澳门半岛新城填海区,地势平坦,终于氹仔岛北侧平地区域,因为受到航道开挖影响,终点处的高程较起点处高程要高,海水较深。实际工程中沉管基槽开挖深度约为20 m,隧道穿越地层以软土为主,地层利于施工。工程地质剖面如图1所示。

图1 工程地质剖面图Fig.1 Section of engineering geological

2 模型试验

2.1 相似关系

结合工程实际,选取几何相似系数Ch=1/20,桥面分布荷载相似系数Cq=1/20,坡率相似系数Ca=1,弹性模量相似关系以CE表示,由量纲分析法推出的π定理适用于物理现象机理与规律尚未清楚情况[9—11],选择影响桥梁结构位移的重要物理变量:①基槽开挖深度H；②基槽开挖宽度B；③基槽开挖中线与桥梁的距离d；④基槽开挖坡度a；⑤桥梁所受均布荷载q；⑥桥梁混凝土的弹性模量E；⑦海水深度Hw；⑧基槽每层开挖厚度H△。可有相似系数关系如表1所示。由于试验条件限制,试验没有严格按照相似理论进行,只是采取定性方式,选取与实际工程地质情况相似的南沙区场地进行模型试验,旨在研究水下基槽开挖对既有桥梁桥墩侧向变形的影响规律,并提供一些相应的安全施工建议。

表1 相似系数Table 1 Similarity coefficient

2.2 相似材料

相似试验一般采取定性形式,相似材料并不能完全与工程实际情况一一对应,所得结果只反映某些现象趋势[12]。程嵩等[13]直接选用与依托工程土层相似的潮白河砂质粉土作为地基土,不仅省去了配制相似土层的复杂工艺,并较好地反映了地下水开采对桥梁桩基的影响。所以在模型试验中,选取研究问题中所需要的主要参数,能反映出实际工程的现象即可。因为难以在嘉乐庇总督大桥相应位置进行模型试验,模型试验场地选在与要建海底隧道场地地质情况相似的南沙区场地,南沙区场地地质分布多为软土,模拟基槽开挖区域处于软土范围,模型试验可在一定程度反映实际桥墩侧向变形的变化情况。另外用C30素混凝土的弹性模量近似等效于原桥的弹性模量,弹性模量为3×104N·mm-2。因为缩尺模型桥桩截面约18×18 mm2,难以采用钢筋混凝土材料,所以通过比较可模拟桥梁结构的材料(微粒混凝土、金属、有机玻璃、南方松等)[14—16],模型试验最终选用南方松材料,该木材弹性模量为2.7 GPa,即2.7×103N·mm-2,与混凝土弹性模量比为1/11.1。

2.3 桥梁模型安装

结合工程实际情况,因为隧道与桥梁基本平行,所以在隧道最低点处的位置,基槽开挖的坡顶线将与桥梁距离最近,此处桥梁受到基槽开挖影响最大。因此选相应区域,进行模型试验,所选范围包含P20～P27桥墩,P表示桥墩代号,如图2所示。

因试验场地条件限制,模型试验的范围仅包括P20～P27桥墩区段,其中P23～P24区段的桥梁跨径最长,达到73 m,该处为通航水域；另外6跨的长度均为25 m。据2.1节的几何尺寸相似关系,可得P20～ P27的模型尺寸参数如表2所示。

图2 桥梁模型选取区域示意图Fig.2 Schematic diagram of the selected area of the bridge model

桥梁模型所用材料均为南方松木,桥梁各部件由专门的木工进行加工,桥桩与承台通过打榫连接,然后用白乳胶与气压钉进行加固,以保证节点连接处稳固。桥梁模型安装流程如图3所示,相对应的实物图如图4所示。

2.4 测量系统介绍与测点布置

试验运用了两套测量系统,分别是钢尺测量系统和全站仪测量系统,主要用于测量桥墩的侧向位移,重点对P22～P26这5个桥墩进行测量。

图3 桥梁模型安装流程示意图Fig.3 Flowchart of the bridge model installation

钢尺测量系统主要由铁丝、钢尺、三脚架组成。根据试验场地的范围要求,在距离试验区域各5 m处设置三脚架作为钢尺测量的基准杆。在距离右侧桥墩5 cm处布设铁丝,将铁丝绑在两端的三角架上,确保铁丝一直保持拉紧的状态；然后在该铁丝上绑扎长度大约5 cm的细铁丝,使其铅锤向下,作为测量读数的标尺。

拟定对P22～P26共5个桥墩进行侧向位移的测试,每个桥墩布设4个测点。在每个测点处放置一根长为20 cm的钢尺,用来测试部分的长度是15 cm。根据测点要求,在测点上方2 cm处布设铁丝,共需4根铁丝。分别在4个桥墩对应的铁丝处

表2 桥梁模型细部结构尺寸Table 2 Detail structural size of the bridge model

图4 桥梁模型安装流程实物图Fig.4 Installation physical objects of the bridge model

挂细铁丝,确保水平铁丝与铅锤铁丝刚性连接,减少因铅锤铁丝晃动而引起的实验误差。在距离钢尺前方15 cm处插入木桩,木桩高度大于刚尺绑扎的高度,以木桩为标准,确保每次读数时从同一个方向获得钢尺上的数值,减小视线偏差而引起的试验误差。钢尺布置实物图如图5所示,测量系统示意图如图6所示。

图5 钢尺布置实物图Fig.5 Physical objects of the steel ruler layout

图6 钢尺测量系统示意图Fig.6 Schematic diagram of the steel ruler measurement system

全站仪测量系统用到的主要仪器是全站仪,用全站仪测量桥墩顶部的侧向位移。在监测的过程中,也要对测量系统中的两个基准杆进行观测,对基准杆进行校准,减小测量误差。并在P22～P26桥墩顶部的盖梁以及三脚架的中部粘贴反光片,以便用全站仪观测时能快速找到观测点,并能准确清晰地对准反光片上的十字丝,精准读数。测量系统如图7所示,观测点实物图如图8所示。

图7 全站仪测量系统示意Fig.7 Schematic diagram of the total station measurement system

图8 全站仪测点实物Fig.8 Physical object of the total station measurement point

2.5 模型基槽开挖试验

根据前面提到的相似关系,可以得到模型试验时基槽开挖平面图如图9所示。依据JTG B01—2014《公路工程技术标准》取汽车荷载为550 kN,车长为15 m,所以半桥竖向荷载为2.3 kPa,根据相似关系,可求得对桥梁模型所施加的竖向荷载,用沙袋均匀铺放的方式来模拟竖向荷载,如图10所示。

图9 基槽开挖坡平面图Fig.9 Plan view of excavation slope of the foundation trench

图10 施加半桥荷载实物图Fig.10 The half-bridge loading

在半桥面铺满荷载并达到稳定以后,测量人员需记录钢尺上的初始读数以及全站仪的初始读数,如图11所示。根据工程经验,沉管基槽开挖顺序应按分段、分层来进行,并为了与实际工程对应,按前面所述几何相似比划分开挖区,可将试验场地分为Ⅰ区和Ⅱ区,如图12所示。每区分三层开挖,分别是0.3、0.3、0.4 m,模拟6个开挖工况,给6个工况进行编号①～⑥,I-①表示Ⅰ区工况1,Ⅱ-⑥表示Ⅱ区工况6,依次轮流开挖,如图13所示。先以挖机进行初挖,接着进行人工补挖及测量相关高程,确保基槽开挖的准确性。并且每一工况开挖结束后,在所有监测数据稳定后拍下钢尺上的数值并记录全站仪的读数。在进行下一工况开挖前,先安排专人下水测量开挖区域深度和水面高程,确保所挖深度在计划中。Ⅰ区开挖结束后,操作人员将挖掘机开行至Ⅱ区作业平面,开行的路线应在试验场地之外,尽量减少机械震动对桥梁位移造成的影响,开挖如图14所示。

图11 获取钢尺及全站仪数据Fig.11 Data acquisition from the steel ruler and total station

图12 基槽开挖分区Fig.12 Division of the base trench excavation

图13 基槽开挖工况示意图Fig.13 Schematic diagram of the foundation trench excavation

图14 挖机开挖实物Fig.14 The excavation operation

图15 模型试验过程中墩顶侧向位移Fig.15 Lateral displacement of the pier top in the model test

3 模型试验结果及分析

在不同工况下,墩顶的侧向位移分布曲线如图15所示。钢尺测量的最大侧向位移是2.5 mm,发生在工况6结束以后的P24桥墩顶部,全站仪测量的最大侧向位移是2 mm。在施工期间,桥墩顶部向基槽方向会产生0～2.5 mm不等的侧向位移。由图15可知，两套测量系统对应的曲线较吻合,说明测试数据受偶然误差的影响较小,测试结果准确可靠。

由于全站仪测量数据的最小精度是1 mm,而钢尺测量的精度可达到0.2 mm；所以,工况侧向位移分布曲线以钢尺测量的数据为依据。为了更好地表示桥墩顶部的侧向位移与施工工况之间的关系,据钢尺测量结果,可以绘制工况侧向位移分布曲线图,见图16。

由图16可知,整体上,桥梁的侧向位移随着开挖深度的增大而增大,所以在施工期间,需要合理控制开挖的深度,以免对近接既有桥梁的结构安全造成不利影响。而从工况1到工况3,桥墩顶部的侧向位移大致呈现逐渐升高的趋势。但P26的曲线在工况4突然下降,其余墩号的曲线在工况5突然下降,主要原因是在工况4和工况5试验期间,试验现场出现下雨和刮风情况,风从基槽一侧吹向桥梁方向,使得测量系统所测侧向位移值突然下降。工况5开挖后,现场环境较好,曲线基本又呈上升趋势。图16可知,中间桥墩即P23和P24的位移最大,P24位移是工况6下桥墩P22、P26和P25的2倍、2.25倍和1.45倍；P23位移是P22、P26和P25的1.73倍、1.9倍和1.22倍,其中P24最大位移可达2.5 mm。两侧桥墩的位移较小,分析认为P23～P24桥跨长是边跨长的3倍左右,侧向位移受到相邻桥墩约束较小,所以变形较大,并且进行试验选取的模型仅为P20～P27段,边跨桥墩靠近岸边,因为受到路面边界的限制,所以边跨桥墩的位移相对较小。

图16 墩顶侧向位移随工况变化分布曲线Fig.16 Distribution curves of the lateral displacement of the pier top with condition change

为了分析桥梁实际位移情况,已知模型与实体存在的应力、应变关系,分别是:①应力相等,即模型和实桥保持应力相等；②当弹性模量一致时,应变相等；③应变或应力保持一定的比例关系。可以导出模型和原型的换算公式,如式(1)～式(4)所示。可将模型试验实测得到的试验结果根据表1的相似关系,结合式(4)可还原成原型中桥墩顶部侧向位移的分布曲线,如图17所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ep、eM分别为原型和模型的应力；qp、qM分别为原型和模型的分布荷载；Xp、XM分别是原型和模型的应变；Hp、HM分别是原型和模型的尺寸；Ep、EM分别是原型和模型的弹性模量；Δp、ΔM分别是原型和模型的侧向位移。

参考规范JTG H10—2009《公路养护技术规范》、CJJ 99—2003《城市桥梁养护技术规范》、GB 50157—2013《地铁设计规范》,考虑到隧道在海洋环境下开挖,以及嘉乐庇大桥距今已有40多年历史,结合专家建议后将由基槽开挖引起的位移控制值按所述规范要求最小值的30%选取,即侧向位移限值取6 mm。由图17可知,最大侧向位移出现在工况6的P24桥墩上,最大值为4.5 mm,所以实际桥梁的侧向位移小于位移控制值6 mm。但考虑模型试验受路面边界限制的影响、南沙区场地与海洋环境的差别和突发天气变化影响等,则实际桥梁桥墩最大侧向位移可能逼近或超过相应位移控制限值,所以建议采取信息化施工方式,及时了解桥梁变形情况,如有必要,采取相应的加固措施。

图17 实际墩顶侧向位移随工况变化分布曲线Fig.17 Distribution curves of the actual lateral displacement of the pier with condition change

4 结论

基于相似理论,通过室外大型缩尺模型试验可得以下结论。

(1)在隧道基槽开挖过程中,近邻桥梁较大跨径所对应的桥墩P23和P24侧向位移较大,P24位移是工况6下桥墩P22、P26和P25的2倍、2.25倍和1.45倍,P23位移为1.73倍、1.9倍和1.22倍,所以P23和P24区段桥梁受到较大的扰动影响,是施工过程中重点监控的对象。

(2)桥梁模型最大侧向位移2.5 mm,利用相似准则换算得到实际桥梁最大位移4.5 mm,所以推测实际桥梁侧向位移小于位移控制值6 mm。

(3)在近邻桥梁的海底隧道施工过程中,桥梁的侧向位移随着开挖深度增大而增大,所以在施工期间,应合理控制开挖深度,以免对近接既有桥梁的结构安全造成不利的影响。

(4)在工况4和工况5期间试验现场出现下雨和刮风情况,导致模型试验所测的侧向位移出现波动情况,建议应保证桥体上所布置测点牢固稳定,降低环境造成的非桥梁本身变形引起的测量数据变动。

(5)所取模型仅为受基槽开挖影响较大的一段,考虑到路面边界对桥墩侧向位移的限制作用、海洋环境较南沙区场地多变的特点和突发天气变化造成的影响等,实际桥梁桥墩的侧向位移会逼近或超过规定的位移控制限值,为了确保基槽开挖安全,建议在基槽开挖过程中加强桥梁结构变形的监测工作,必要时根据监测信息进一步采取相应的加固措施。