桥梁顶推施工对既有线高铁桥墩变位影响及沉降预测分析

朱传忠,金增禄,刘彦浩,李贤锋,石学坤,王邢宇,崔凤坤

(1.中铁十局集团青岛工程公司,山东 青岛 266600;2.山东交通学院,山东 济南 250357)

1 工程概况

郑济铁路跨京沪高铁特大桥151#～154#墩采用(50+85+50)m钢箱连续梁,起始里程DIK13+484.78～DIK13+671.38。在左线跨京沪高铁特大桥DK13+577、DK13+588、DK13+591处跨越既有京沪高铁下行、上行和津浦上行线,交角分别为140°、139°、49°。线路纵坡度-17‰,位于半径R=950 m曲线上。新建152#墩距离京沪高铁接触网AF线32.12 m,距离水白下行侧接触网回流线22.83 m,153#墩距离京沪高铁接触网AF线12.51 m,距离京沪上行侧接触网回流线17.18 m。

2 施工方案及关键施工工况

2.1 施工方案

在大里程侧158#墩与160#墩之间设置拼装支架,作为拼装作业区,151#～160#墩之间作为顶推作业区。在153#～154#墩之间增加临时墩L1,将边跨由50 m 缩短跨度为(32+18)m;151#墩小里程侧增加临时墩L2,用于导梁的拆除;在151#～154#墩及L1墩的墩顶增加加高块用于调整支撑高度,加高块上安装顶推千斤顶。

在钢箱梁顶推过程中,采用“边拼边顶”的方法完成钢箱的拼装。将前5节钢箱梁吊装至拼装作业平台,焊接完成后进行试顶推,再将其余8节钢箱梁依次吊装、拼装及顶推。导梁总长85 m,约195 t,采用1 250 t履带吊一次性吊装就位,并与钢箱梁在153#墩完成焊接后,再进行跨线顶推作业。

顶推完成后,通过千斤顶交替下落梁,落梁完成。

2.2 关键施工工况

根据结构特点和施工工艺,对新建桥梁施工过程中8个关键工况对既有线高铁桥墩的影响进行分析。关键工况见表1。

表1 关键施工工况汇总

3 顶推施工对既有高铁桥墩的影响

3.1 对既有桥墩变位的影响

新建桥梁施工导致既有线路变形的影响因素众多,主要包括:既有线路与新建线路的相对位置关系、周边土体的位移及既有桥梁的结构形式等。

邻近既有线路施工时,新建线路施工会导致周围土体产生位移,包括竖直方向的位移及水平方向的位移。其中,水平方向位移包括顺轨道方向位移及垂直于轨道方向的位移。竖向位移和水平位移的大小与采用的施工工艺、土层深度及土质等有关。土体的水平位移将引起既有结构发生受拉或受压变形。土体的竖向位移可能会导致既有线路产生不均匀沉降,引起既有桥梁结构发生弯曲变形及剪切变形,从而对既有线路的安全运营造成影响。因此,亟待对新建线路施工对既有线高铁桥墩变位影响及沉降预测开展研究。

根据施工方提供的资料,选取邻近既有京沪高铁最不利桥墩101#墩和102#墩,通过分析既有高铁桥墩在顶推施工关键工况下的桥墩变位及沉降,研究桥梁顶推施工对既有高铁线路的影响。以新建郑济高铁153#墩为例,分析施工过程中桩基施工、承台施工及桥墩施工对既有高铁线路的影响。

3.2 各施工阶段桥墩位移分析

图1为既有桥墩位移方向示意图,京沪高铁101#墩和102#墩U1为x方向(水平面内垂直轨道的方向)水平位移,U2为y方向(水平面内顺轨道方向)水平位移,U3为z方向(竖直方向)位移。U1、U2及U3如图1中箭头所示方向为正方向。

图1 既有桥墩位移方向示意

既有京沪高铁101#墩和102#墩在新建郑济高铁桥墩施工过程中,U1方向、U2方向及U3方向的位移变化如图2、图3和图4所示。以新建郑济高铁153#墩施工过程中,既有京沪高铁101#墩和102#墩的水平位移变化,分析桩基施工、承台施工及桥墩施工对既有高铁桥墩的影响。

图2 101#墩、102#墩U1方向位移累计变化

图3 101#墩、102#墩U2方向位移累计变化

图4 101#墩、102#墩竖向位移累计变化

(1)桩基施工。

桩基施工使得既有高铁桥墩发生沉降,并向U1及U2的负方向移动。

桩基施工时,向桩孔内浇筑混凝土相当于对土体加载,使得周围土体向孔内移动并出现下沉,土体带动既有桥墩向桩基施工方向移动,并产生沉降。

(2)承台施工。

承台施工使得既有高铁桥墩略微抬升,并向U1及U2的负方向移动。

基坑开挖对原有土体卸载,导致坑边土体向坑内位移,进而引起既有桥墩向承台施工方向移动;同时,基坑开挖所引起的竖向转动效应,使得既有桥墩略有抬升。

101#墩最大竖向位移为-0.07 mm,102#墩最大竖向位移为-0.52 mm,但均为负值,表明承台施工阶段导致既有桥墩产生的隆起小于之前沉降累计。

(3)桥墩施工及临时墩、作业平台搭设施工工况。

桥墩施工及临时墩、作业平台搭设施工均使得既有高铁桥墩发生沉降,并向U1及U2的负方向移动。

桥墩施工及临时墩、作业平台搭设施工都属于加载过程,土体受加载效应会带动周边土体下沉并在水平方向向加载方向移动,从而带动既有桥墩产生沉降并向U1及U2的负方向移动。

(4)导梁吊装及焊接。

导梁吊装使得既有高铁桥墩发生沉降,并向U1及U2的负方向移动。

在主梁跨越主跨前,先将导梁拼装成整体,然后采用大型吊机整体吊装至主跨上方,并支撑在152#、153#桥墩上。随着钢导梁吊装完成,对新建桥墩施加向下的竖向荷载,通过桥墩传递到土体,土体受到挤压,带动周围土体下沉并向加载方向移动,使得既有桥墩发生沉降,并向U1及U2的负方向移动。

(5)连续梁顶推施工。

顶推施工使得既有高铁桥墩向U1及U2的正方向移动,对既有桥墩U3方向位移影响相对较小。

连续梁采用多点顶推,14个水平千斤顶同时顶进,在水平千斤顶的推力下,滑块与梁体通过滑板与滑道上的不锈钢板进行滑移,梁体顶推前进,每一顶推行程75 cm,行程结束后,固定千斤顶升起并按设定顶力接触梁体,移动千斤顶下降,梁体与移动顶分离,滑块与水平千斤顶回到初始位置,移动顶升,固定顶落,梁体支撑在移动顶上,水平千斤顶进行下一行程顶进。依次循环顶推至设计位置。

钢箱梁顶推的过程中会对桥墩产生沿顶推方向的附加内力,使得新建桥墩沿顶推方向移动并对土体造成挤压,土体带动既有高铁桥墩向U1及U2的正方向移动。

目前国内桥梁较常用的顶推施工工艺一般采用多点拖拉式连续顶推法,拖拉法通过张拉千斤顶牵拉钢绞线,拖动梁段在临时支墩顶设置的滑道上滑移,牵引梁体安装就位。顶推过程中,后面的桥墩作为反力架,推动梁体向前移动时,需要克服由梁体自重作用产生的摩擦阻力,对桥墩底部产生较大的反力,使土体产生较大的变形,从而影响邻近既有桥墩。而步履式顶推过程中,由竖向千斤顶支撑主梁,未与桥墩直接接触,所以顶推过程中对桥墩影响较小,使得周围土体几乎不产生变形。因此,步履式顶推对邻近既有桥墩变位影响较小。

(6)导梁拆除、落梁。

拆除前后导梁,安装永久支座,通过竖向千斤顶的交替下落将钢箱梁落梁至设计位置。落梁过程中会使得桥墩发生轻微抖动,挤压周围土体,对既有桥墩变位产生影响。

4 基于BP神经网络的桥墩工后沉降预测

4.1 BP神经网络基本原理

BP神经网络采用的误差反馈学习算法,通过比较实际输出值与期望输出值的差值变化,进而调整网络节点的连接权值,直至收敛。实质是利用梯度最大下降法,使权值沿误差函数的负梯度方向改变。通过对网络进行训练后,使得BP神经网络的输入输出关系形成一个高度的非线性关系。通过调整网络的规模、网络中的连接权值,可实现非线性的分类、预测等[6]。

BP神经网络预测在MATLAB软件中的实现可以通过创建BP神经网络预测的MATLAB程序或直接用MATLAB神经网络工具箱。基于施工过程中及施工后约两个月既有桥墩沉降的监测数据,采用MATLAB神经网络工具箱,实现对既有京沪高铁101#墩和102#墩的工后沉降预测。BP神经网络参数设置见表2。

采用Levenberg-Marquardt算法对构建的BP神经网络进行训练,得到训练结果相关性曲线,见图5。

图5 BP神经网络训练结果相关性曲线

图中横坐标为每个集合实际输出值,纵坐标为每个集合对应的预测输出值。实线表示实际输出值与预测输出值线性回归方程对应的函数图像,虚线表示相关系数R=1时所对应的函数图像。相关系数R越接近于1表示预测精度越高。由图5可知,构建的BP神经网络相关系数R=0.991 76,预测精度较高,因此,BP神经网络非常适合对既有线高铁桥墩的工后沉降进行预测分析。

由图6和图7可知,沉降实测值与预测值基本吻合。说明采用BP神经网络对既有桥墩进行沉降预测,效果良好。

图6 101#墩沉降实测值与预测值对比

图7 102#墩沉降实测值与预测值对比

既有京沪高铁101#墩在新建郑济高铁桩基施工开始后的第390 d,桥墩沉降值趋于稳定,沉降值为-2.060 7 mm;既有京沪高铁102#墩在新建郑济高铁桩基施工的开始后的第400 d,桥墩沉降值趋于稳定,沉降值为-2.549 7 mm。

4.2 桥墩工后沉降预测

以新建郑济高铁153#墩桩基施工的开始时间为起始时刻,研究既有京沪高铁101#墩和102#墩的工后沉降规律。沉降实测值与预测值对比见图6和图7。

5 结 语

(1)101#墩竖向位移累计值最大为-1.910 8 mm;102#墩沿竖向位移累计值最大为-2.419 7 mm。位移值均为负值,说明既有高铁桥墩在施工完成后发生沉降。

(2)在顶推施工完成后,既有京沪高铁101#墩沿U1方向位移累计值为-1.61 mm,102#墩沿U1方向位移累计值为-1.86 mm;既有京沪高铁101#墩U2方向位移累计值为-1.77 mm,102#墩U2方向位移累计值为-2.08 mm。累计位移值均为负值,说明既有高铁桥墩水平移动方向与顶推方向相反。

(3)既有京沪高铁101#墩和102#墩的水平位移及竖向位移均从近施工侧到远离施工侧呈递减规律。

(4)采用BP神经网络对既有桥墩进行沉降预测,既有高铁桥墩沉降的实测值与预测值基本吻合,预测较为准确。