厦门第二东通道现浇隧道结构托换运营BRT桥桩受力体系转换研究

林立华

(厦门路桥工程投资发展有限公司, 福建 厦门 361000)

0 引言

隧道建设穿越既有建(构)筑物基础时,常采用桩基托换技术。如深圳地铁下穿百货广场工程[1]、广州地铁5号线杨箕—珠江新城区间托换工程[2]、湖南树木岭隧道暗挖下穿高升酒店托换工程[3],上述案例主要以施工工艺研究为主。

随着桩基托换技术进一步发展[4-8],更多学者在托换机制、托换体系设计方法等方面进行深入研究。例如: 周冠南等[9]研究了盾构穿越施工和荷载转移措施对结构及桩基的影响;徐前卫等[10]对桩基托换施工过程中桩基合理开挖暴露长度、桩-筏体系受力转换机制以及盾构切桩对上部结构的影响进行分析;邓涛等[11]提出了利用顶升点上下结构刚度比来计算主动托换中顶升荷载的一种简化方法;王献伟[12]分析了托换结构的抗剪承载力的影响因素,建立了托换结构的正截面和斜截面剪切破坏受力模型;还有一些学者对于特定的工程开展了数值模拟研究[13-18],主要是对托换结构体系的安全性进行评估并针对相关影响因素进行分析。上述研究或案例多采用新建托换梁、托换桩-梁、筏板-梁等方式,但目前利用现浇明挖隧道依次托换正常运营桥梁受影响的2个桥墩未见相关报道,相关的转换规律研究也尚未得到有效揭示。

本文建立桥墩竖向位移、隧道结构及桩基钢筋应力的自动化监测系统,提出考虑预应力的荷载-结构简化计算模型,揭示下穿BRT桥桩基托换过程中桥墩沉降和下部隧道结构荷载传递特征。

1 工程概况

厦门第二东通道(翔安大桥)枋钟路明挖隧道基坑工程在K22+925～+985段下穿BRT高架桥,隧道断面为矩形框架结构,按双向6车道设计,明挖隧道基坑宽约32.7 m,开挖深度约15.93 m。下穿区域高架桥由17#～20#桥墩共同组成BRT桥梁第七联,为跨径(26.4+26.7+28.1) m的现浇连续箱梁结构,现状BRT桥平面位于半径为300 m的圆曲线上,桥梁横断面为双向2车道。18#、19#桥墩台桩基位置与隧道结构冲突,19#桥墩为固定支座,其余均为滑动支座。18#桥墩高度为9.2 m,其下承台尺寸为5.9 m×6.8 m×2.0 m(长×宽×高);19#桥墩高度为9 m,其下承台尺寸为5.9 m×5.9 m×2.0 m(长×宽×高)。18#、19#桥墩承台下各布置4根直径1.2 m的灌注桩,18#桥墩承台桩长47.5 m,19#桥墩承台桩长40 m,桩底均嵌入中风化岩超过2 m。工程总平面见图1。隧道与BRT桥梁位置关系如图2所示。隧道与BRT桥相交区域范围托换桩基下部地质主要为素填土、砂质黏土、全风化花岗岩及中风化花岗岩,各土层厚度见图2。

图1 工程总平面图

2 托换方案

枋钟路隧道与BRT桥相交区域范围18#和19#桥墩桩基位于隧道基坑内,需进行桩基托换。隧道结构与桥梁承台相互位置关系如图3所示。设计阶段充分比选了整体拆除再复建BRT桥梁、新建托换梁及利用隧道结构托换3种方案,最终确定利用隧道结构托换桥梁荷载的方案,具体方案比选见文献[19]。

2.1 冲突段托换隧道结构设计

对托换桥墩10 m范围内隧道结构进行加强,顶板厚度为2.5 m,侧墙和底板厚度为1.8 m;相同埋深下,标准段隧道顶、底板及侧墙厚度为1.2 m。中墙厚度未加强,标准段和加强段均采用0.8 m厚度。混凝土强度等级为C40,钢筋等级为HRB400。加强段顶板、侧墙、中墙及底板配筋如图4所示。

图2 隧道与BRT桥梁位置关系图(单位: m)

图3 隧道结构与桥梁承台相互位置关系平面图(单位: m)

考虑上部桥梁结构对竖向变形的严格控制要求,顶板加强段局部采用预应力混凝土结构。浇筑时预留预应力管道,预应力管道采用直径100 mm厚2 mm无缝密封钢管,采用真空吸浆工艺填充预应力管道。顶板内设置15组预应力钢束,钢束间距为0.4 m,钢绞线直径φs=15.2 mm,抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa,钢束弹性模量E=1.95×105MPa,张拉控制应力σcon=0.72fpk,单股张拉控制力p=187.5 kN,预应力钢束控制张拉力为4 125 kN,锚具采用特制密封锚具,耐压0.3 MPa,采用后张拉法1次施工完成。张拉过程预应力钢绞线布置如图5所示。隧道结构采用高性能混凝土及全包防水设计提高整体耐久性能。为控制隧道整体沉降,结构底板侧墙和中墙底分别布置直径1.2 m间距10 m的端承桩进入中风化花岗岩2 m(见图2)。

图4 顶板、侧墙、中墙及底板配筋图(单位: cm)

(a) 隧道加强段纵剖面

(b) 18#桥墩处预应力筋布置横断面

(c) 19#桥墩处预应力筋布置横断面

18#、19#桥墩原承台尺寸(长×宽×高)分别为5.9 m×6.8 m×2.0 m和5.9 m×5.9 m×2.0 m,既有承台底面与隧道顶板的距离分别为1.03 m和1.51 m,通过现浇C40混凝土扩大既有承台基础的底面及侧面与隧道相连,表面凿毛,采用直径25 mm、间距300 mm的钢筋植筋,植筋深度35 cm,植筋孔与钢筋间的孔隙采用植筋胶充填,18#、19#桥墩承台扩大基础尺寸(长×宽×高)分别为7.5 m×8.8 m×3.03 m和7.5 m×7.5 m×3.51 m,如图6所示。

(a) 18#桥墩

(b) 19#桥墩

2.2 桩基托换工艺

基坑开挖前做好场地平整并对地下管线做出迁改。施工围护结构为支护桩和立柱桩,隧道中墙、外墙施作钻孔灌注嵌岩桩作为结构基础。基坑土方开挖暴露既有桩基过程中先后施作混凝土支撑和架设钢支撑,以保持后续桩基托换过程中的整体结构应力变形稳定并做好前置准备。基坑开挖时做好对既有桩基暴露部分的加固,采用上下2层5.4 m×5.2 m(长×宽)、厚0.5 m的C30钢筋混凝土板将4根桩基连成整体,减少桩基的临空自由长度。

桩基托换工艺[20]如下: 1)施作桩基托换支护结构的垫层、底板,并在底板处做好防水层,预留既有桩基穿越隧道底板孔洞;2)逐层拆除钢支撑,同时在步骤1)基础上继续施作桩基支护结构剩余部分的侧墙和顶板,并注意施作防水层,在桥桩所在隧道顶板加强区段预留预应力管道,预留桩基穿越隧道顶板孔洞;3)通过先前预留的预应力管道进行预应力张拉,张拉参数如2.1节所示;4)通过植筋对承台进行扩大,使现浇后的承台底直接作用于隧道结构顶板,技术参数如2.1节所示;5)沿对角线依次截断18#桥墩和19#桥墩下4根桩,采用绳锯截除穿过隧道结构顶板内边缘至底板既有桩基,桥梁上部荷载通过隧道结构传递至隧道下桩基,完成受力体系转换,并灌注混凝土对隧道顶底板预留孔洞进行封堵。桩基托换施工工序如图7所示。

(a) 工序1 底板等及侧墙施作

(b) 工序2 逐步拆除支撑并施作剩余侧墙等

(d) 工序4 切割桩基,完成受力体系转换

3 实测数据分析

3.1 测点布置

除布点监测承台(CT1-1—3、CT2-1—3)和桥墩(QD-1、QD-2)竖向位移外,还在隧道结构布置4个监测断面(1-1—4-4),见图3,在各断面顶板、侧墙、中墙及底板埋设钢筋应力计进行内力监测。在2-2和3-3断面中墙下灌注桩内埋设钢筋应力计,监测桩身轴力;在3-3断面底板下跨中安装土压力盒,监测隧道底板土反力。隧道结构内力监测布置如图8所示,监测仪器参数如表1所示。

在桩基托换前,已按设计要求完成植筋及扩大承台浇筑,并对隧道顶板预应力索进行张拉。因现场施工原因,导致19#桥墩附近部分内力监测元件及土压力盒损坏,因此分析力学行为以18#桥墩监测断面(2-2)的监测数据为主,将截桩前结构产生的应力清零,分析截桩过程中结构应力增量变化,结合2个断面监测数据总体上可以反映桩基托换变形与受力体系转换的规律。钢筋应力监测频率为1 h/次;桥墩及承台竖向位移施工期监测频率为2 h/次。

(a) 2-2断面

(b) 3-3断面

表1 监测仪器参数表

3.2 承台及桥墩沉降

18#桥墩桩的截除持续时间约2 d,从9月16日下午开始截桩,当天截除1根桥桩,17日累计截除3根桥桩,18日上午完成对18#桥墩的截桩施工。19#桥桩的截除仅持续1.5 d,20日下午开始截桩,当日截除3根桥桩,21日上午完成对19#桥墩的截桩施工。图9为2个桥墩及承台对应的测点竖向位移时程曲线。18#桥墩沉降为3.30 mm,19#桥墩沉降为4.22 mm,均小于竖向位移累计控制值为8 mm[20],对比其他采用托换梁承载时,桥墩沉降为0.5～4.8 mm[21-24],实测沉降值相当。从竖向位移发展全过程曲线可以看出,桩基托换过程中托换结构沉降可分为3个阶段: 截桩沉降阶段、持续沉降阶段、沉降稳定阶段。现有桩基托换工程相关研究文献中,常常只给出托换完成后的沉降变形值,而忽视了沉降的继续发展。本次研究中,截桩完成后持续沉降约发展2 d,18#桥墩托换处持续沉降值(0.7 mm)约占截桩沉降值(2.4 mm)的29.1%,19#桥墩托换处持续沉降值(1.02 mm)约占截桩沉降值(2.2 mm)的46.4%,持续沉降值占比较大。

图9 桩基托换过程桥梁墩台竖向位移时程曲线(2022年)

3.3 隧道顶板受力

图10为桩基托换过程中隧道结构顶板内外侧的钢筋应力时程曲线(正值表示受拉,负值表示受压)。截桩过程中,顶板上下层受力筋应力变化呈基本对称分布。承台位置处顶板跨中位置上截面钢筋受压,下截面钢筋受拉(JGL2-13/JGL2-14、JGL2-15/JGL2-16),产生正弯矩,远离截桩一侧反之(JGL2-17/JGL2-18、JGL3-13/JGL3-14),顶板产生负弯矩。

18#桥墩截第1根桩时,各测点应力无变化,随着截桩根数的增加,承台沉降迅速增大,钢筋应力也快速增大,在截除3根桥桩以后,最后1根桩截除,应力略有增大,此时各测点应力达到最大值,顶板钢筋最大拉、压应力增量分别为8.71、-13.39 MPa。随后承台沉降仍在缓慢增大,桥梁结构内力重分布,钢筋应力略有变小。19#桥墩台桩基础截断过程结构应力及沉降发展规律与18#桥墩台桩基托换过程相同,见图10(b)。

3.4 隧道中侧墙受力

图11为托换过程中2个断面隧道中、侧墙的钢筋应力时程曲线。18#桥墩桩基截除过程中,中墙钢筋应力监测点JGL2-9和JGL2-10最大压应力增加量分别为3.05、2.83 MPa,应力差值相差不大,中墙主要承受压力,弯矩变化较小。邻近侧墙测点JGL2-8压应力增加2.54 MPa,JGL2-7压应力增加0.72 MPa,邻近侧墙除承担一定的桥墩桩基托换产生的压应力外,还承受一定的弯矩。远离承台一侧隧道侧墙钢筋应力监测点JGL2-11压应力增加0.24 MPa,JGL2-12拉应力增加0.18 MPa,应力增加值较小。对比邻近侧墙、中墙及远离一侧侧墙钢筋应力变化,桩基托换转换至隧道顶板上荷载,主要由临近侧墙和中墙承担,隧道结构受力特性呈现偏压特点,远离一侧侧墙几乎不承担新增荷载。19#桥墩桩基截除过程隧道中、侧墙也表现出类似规律,同时由图11(a)所示,19#桥墩桩基截除时,对18#桥墩对应的断面钢筋应力没有影响。

(a) 18#桥墩处2-2断面

(b) 19#桥墩处3-3断面

(a) 18#桥墩处2-2断面

(b) 19#桥墩处3-3断面

3.5 隧道底板受力

图12为托换过程中2个断面隧道结构底板内外侧的钢筋应力时程曲线。18#桥墩桩基托换期间,托换部位下方底板(JGL2-1/JGL2-2)钢筋应力几乎未有变化,托换侧底板不参与托换荷载传递。中墙位置处底板处钢筋应力JGL2-3未有明显增加,JGL2-4产生拉应力,因底部端承桩的存在,产生负弯矩。远离托换一侧底板(JGL2-5/JGL2-6)钢筋应力上部受拉,下部受压,对称分布,为负弯矩,19#桥墩断面远离托换一侧隧道底板钢筋应力(JGL3-1/JGL3-2)呈现类似规律。

(a) 18#桥墩处2-2断面

(b) 19#桥墩处3-3断面

3.6 隧道中墙处端承桩受力

图13为托换过程中18#桥墩断面隧道中墙下部端承桩的轴力变化时程曲线,其与顶板、侧墙、底板及沉降曲线形态发展规律一致,截桩初期托换荷载仍由桥梁桩基承担,在截除3根桥桩后,托换荷载通过顶板传递给临近侧墙和中墙,依据3.5节分析,底板未参与托换荷载传递,临近侧墙和中墙直接将荷载传递至端承桩。

图13 2-2断面隧道下部端承桩轴力时程曲线(2022年)

4 考虑预应力的荷载-结构简化计算模型

由实测数据分析可知,桥梁托换荷载主要由托换侧隧道顶板承担,并通过中墙和邻近侧墙传递至桩基上,底板不承担主要荷载,远离侧侧墙也不分担主要荷载。为进一步分析受力转换规律及预应力贡献,建立考虑预应力的荷载-结构简化计算模型,以求定量计算在隧道结构上的托换荷载作用、受力体系转换规律及预应力作用。

4.1 预应力张拉简化计算

荷载平衡法由林同炎教授于1963年在美国著文提出,将预应力作用采用等效荷载代替,现行《预应力混凝土结构设计规范》[25]也采用了这种方法,桥墩托换至隧道顶板一部分荷载由预应力索产生的反向荷载抵消。当外荷载为均布荷载,则预应力索的线形可取抛物线;当外荷载为集中荷载,预应力索可为折线形[26]。以18#桥墩断面为例,隧道顶板预埋的预应力筋由3段折线段组成,弯折点分别为C1、C2。隧道预应力筋等效计算如图14所示。

图14 预应力筋等效计算图(单位: m)

以隧道顶板形心线作为计算轴线,按照力的平移原理,预应力筋锚固点顶板形心位置承受集中力Np1、Vp1、Np2、Vp2及锚具偏心引起的集中力矩Mp1Mp2,弯折点C1、C2位置承受折点力Vc1、Vc2。

顶板端部集中力Np1、Vp1、Np2、Vp2及集中力矩Mp1、Mp2,计算公式如下:

Mp1=pe1cosθ1

;

(1)

Mp2=pe2cosθ2

;

(2)

Np1=pcosθ1

;

(3)

Np2=pcosθ2

;

(4)

Vp1=psinθ1

;

(5)

Vp2=psinθ2。

(6)

式(1)—(6)中:e1、e2为端部偏心距,e1=0.05 m,e2=0.15 m;θ1、θ2为端部倾角,θ1=14.3°,θ2=6.8°;p为有效拉力,p=4 125 kN。

由静力平衡,计算出作用于C1、C2处的集中力Vc1、Vc2,预应力张拉等效荷载如图15所示。

图15 预应力张拉等效荷载图 (单位: m)

4.2 荷载-结构简化计算模型

考虑预应力的隧道荷载-结构简化计算模型遵循以下假定: 1)结构假定为线弹性材料;2)地层采用地基弹簧模拟,地层变形遵从温克尔假定;3)侧向压力计算采用水土合算原则;4)模型节点取横断面梁的形心位置。根据前面监测分析,除因桥梁结构因沉降应力重分布外,截桩过程中桥墩承台作用在隧道结构上产生的应力不相互影响,因此取宽度7.5 m(扩大承台范围)建立二维双跨矩形框架结构,结构顶板、侧墙边界自由,在隧道底板下分别设置桩基弹簧和地基弹簧。计算模型如图16所示,图中隧道结构尺寸与实际尺寸一致。

图16 荷载-结构简化计算模型图

桥梁荷载包括桥梁及路面自重、汽车荷载,汽车荷载包含车道荷载和汽车冲击荷载,以及汽车制动荷载。根据《公路桥涵设计通用规范》[27],计算得到桥墩上部承受的水平荷载为41 kN,竖向荷载为9 645 kN,桥墩自重荷载为1 248 kN,水平荷载可忽略不计,最终作用在隧道结构上的单个桥墩竖向荷载为10 893 kN。

《建筑桩基技术规范》[28]采用嵌固点法用于对考虑承台、桩基协同工作与土弹性抗力作用的桩基的计算,通过对桩顶施加单位位移计算其所需的荷载作为桩基的轴向刚度,简化隧道下部嵌岩抗拔桩为弹簧支座,求得下部端承桩等效弹簧竖向刚度为2 175 200 kN/m,等效弹簧水平刚度为1 173 000 kN/m。

模型具体计算参数如表2所示。

表2 计算参数

4.3 计算结果

荷载-结构法计算结果为扣除桩基托换前隧道产生的位移及内力,以桩基托换阶段位移、内力增量计算结果与实测值进行对比分析。

以18#桥墩托换处为例,托换阶段隧道结构变形计算结果如图17所示。结果表明: 在单侧偏压托换荷载作用下隧道变形呈现明显的非对称特性。桩基托换位置处隧道顶板沉降最大,达3.47 mm,与实测桥墩沉降值3.3 mm接近。前述实测隧道内力结果表明,桩基托换后荷载主要沿托换一侧侧墙及中墙传递,同时带动底板下沉,托换一侧底板跨中位置沉降小于两侧沉降;并且由于隧道结构整体框架作用,桩基托换一侧框架结构拉动另一侧产生沉降变形,荷载-结构法计算沉降值及变形规律与前述实测结果较为吻合。

图17 桩基托换阶段隧道结构变形

图18为桩基托换阶段隧道结构内力计算结果。由于计算模型做了诸多简化,以及实测结果受诸多现场施工因素影响,计算结果与实测隧道结构内力存在一定偏差,但整体上,计算内力与实测结果分布规律一致。截桩一侧顶板跨中位置产生正弯矩,远离截桩一侧顶板跨中产生负弯矩;临近侧墙弯矩最大,中墙及远离侧侧墙跨中弯矩可忽略不计,中墙及临近侧墙轴力较大,远离侧侧墙轴力可忽略不计,与实测得到的托换荷载主要通过中墙及临近侧墙向下传递的结论一致,托换侧隧道底板整体下沉产生正弯矩,远离侧隧道底板产生负弯矩。根据工程经验,埋深5 m的框架隧道顶板跨中弯矩约1 800 kN·m;截桩后,实测隧道顶板跨中弯矩增加了11 183 kN·m,对结构的安全性不利,对应位置弯矩计算增加量为15 385 kN·m,与实测值接近。

(a) 弯矩分布(单位: kN·m)

(b) 轴力分布(单位: kN)

图19为不考虑预应力作用下桩基托换过程中隧道结构弯矩计算结果。托换侧隧道顶板跨中、中侧墙顶支座弯矩均有所增大,其中,托换侧顶板跨中增大1 742 kN·m、托换侧侧墙顶支座弯矩增大1 130 kN·m、中墙顶支座弯矩增大1 950 kN·m、远离侧侧墙顶支座弯矩增大266 kN·m。隧道顶板在没有施加预应力工况下,隧道结构最大沉降为4.67 mm,预应力索抵抗了约25.7%的沉降。

图19 不考虑预应力作用下托换阶段隧道结构弯矩分布(单位: kN·m)

5 结论与讨论

1)桩基托换过程中桥墩产生一定位移,18#和19#换托桥墩发生沉降,分别为3.30、4.22 mm,其沉降值与采用托换梁的其他工程相当。受桥面刚度的影响,邻近桥墩先于托换桥墩产生沉降;托换后,桥墩会在一定时间内持续产生缓慢沉降并稳定。

2)应力实测数据表明,桥梁托换荷载主要由托换侧隧道顶板承担,顶板钢筋拉、压应力增量最大分别为8.71、13.39 MPa,并通过中墙和邻近侧墙传递至桩基上,中墙钢筋最大压应力增量为3.05 MPa,底板不承担主要荷载,远离侧侧墙也不分担主要荷载。

3)提出考虑预应力的隧道荷载-结构简化计算模型,采用等效荷载代替预应力作用,计算得到隧道顶板沉降为3.47 mm,与实测桥墩沉降值3.3 mm接近。隧道结构受力呈现偏压特点,托换处隧道顶板产生正弯矩,远离侧顶板产生负弯矩,中墙及临近侧墙轴力较大,临近侧墙承担一定的弯矩,远离侧侧墙轴力可忽略不计,计算所得受力变形规律与实测结果基本吻合。对比不考虑预应力时,预应力索抵抗了约25.7%的沉降。

4)本工程将桥梁荷载托换至隧道结构,设计对隧道顶板、侧墙和底板进行了加强,未对中墙进行加强。由实测数据和荷载结构法计算结果可知,中墙承担了主要托换荷载的传递。后续可结合数值模拟,进一步分析和优化隧道结构加强措施,并考虑桥梁动荷载作用下中墙承受长期荷载的能力。