延河大橋改造工程新橋關鍵技術研究

陳 泉，王振宇，郭 河

（1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司,湖北 武漢 430023;2.中國路橋工程有限責任公司,北京市 100011; 3.中國路橋工程有限責任公司,北京市 100011）

延河大橋改造工程新橋關鍵技術研究

陳 泉1，王振宇2，郭 河3

（1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司,湖北 武漢 430023;2.中國路橋工程有限責任公司,北京市 100011; 3.中國路橋工程有限責任公司,北京市 100011）

延河大橋新橋采用的井筒式地下連續(xù)墻橋臺基礎，以及混凝土結構表面涂裝調(diào)配體系，是延河大橋保持舊橋風貌的兩個關鍵技術。分析了地連墻的優(yōu)缺點、適用范圍，以有限元分析和試驗驗證相結合的方法，對其受力性能進行研究，并應用于新橋橋臺；通過大量的試驗研究，研制出混凝土結構表面調(diào)配涂裝體系，使混凝土結構實現(xiàn)仿石砌效果，做到“修新如舊，新舊如一”。

延河大橋；關鍵技術；地下連續(xù)墻；涂裝體系

1 概述

延河大橋改造工程包括舊橋改造和擴建新橋兩部分，改造設計的主旨是“兩橋如一橋”。這為新橋的建設提出了一個極為苛刻的前提條件：“修新如舊”。因新建橋梁為滿足城—A的荷載等級需要，新建橋梁放棄舊橋原有的圬工結構形式，而采用了具有更高承載能力的鋼筋混凝土結構，兩者無論在表面材質(zhì)、紋理，還是色澤上，均有很大差異，勢必給新橋建設帶來很大的設計、以及施工方面的困難和挑戰(zhàn)。此外，新建橋梁緊鄰舊橋下游，空間狹小以及地質(zhì)關系極為復雜：（1）兩者橋面凈距僅為2m，兩者下部橋臺基礎凈距更是達到1.1m的超小距離，在如此近距離情況下，開挖深度達23 m的基坑，無疑會使圬工結構的舊橋面臨相當大的坍塌風險；（2）延河兩岸均為接近垂直的堤壩；（3）西岸橋臺臺后約7m處有一地下人防工程；（4）延河大橋位于延安主城區(qū)寶塔區(qū)，地處市區(qū)繁華地段，且延河兩岸均有沿堤道路，不具備自然放坡大開挖的空間條件。

在此背景下，開展了井筒式地下連續(xù)墻橋梁基礎及混凝土結構表面調(diào)配涂裝體系課題的專題研究。

2 井筒式地下連續(xù)墻基礎[1-4]

針對新建橋臺位置空間構筑物關系復雜的特點，因地制宜，創(chuàng)新性地提出了采用地下連續(xù)墻作為橋臺基礎的設計方案。地下連續(xù)墻基礎在房建行業(yè)應用已較為成熟，但對于橋梁結構，國內(nèi)尚無可供參考的工程案例。課題研究從結構仿真計算分析，以及施工全過程監(jiān)測兩個方面著手，理論分析與試驗驗證相結合，深入研究了井筒式地下連續(xù)墻作為橋梁基礎的受力機理、施工工藝等。

井筒式地下連續(xù)墻基礎是利用構造接頭把地下連續(xù)墻的各墻段連接成一個外形為矩形、多邊形或圓形且其內(nèi)部可分為二個或多個空格的整體結構，不用挖除內(nèi)部土芯，直接在墻段頂部設置封口頂板，并與上部結構緊密連接；地下連續(xù)墻和頂板共同構造成井筒狀的基礎形式，它不僅可以承受和傳遞上部的水平及豎向荷載，還兼顧擋土和防水的功能。井筒式地下連續(xù)墻可以采用人工開挖單片墻，然后用專門的接頭連接成既定的形狀，因此可以在工地狹窄的地方施工。也可以進行機械化施工，功效高，成本低，施工噪聲低，振動小，對周圍環(huán)境影響較小。這些優(yōu)點對處于鬧市區(qū)的延河大橋的施工是很有利的。

新橋地下連續(xù)墻基礎的斷面形狀為矩形，外輪廓尺寸為10m×10m，0號橋橋臺地連墻高22.98m，3號橋臺高21.98m，其一般構造見圖1。

采用通用有限元軟件，經(jīng)過初步力學簡化，建立井筒式地下連續(xù)墻橋臺及周圍土體的非線性實體有限元結構模型進行仿真分析。

通過計算，模擬出地連墻在實際豎向和水平荷載共同作用下的受力特性，可以對地連墻的承載特性有直觀的認識。圖2為墻土整體位移圖，圖3為墻身整體位移圖，圖4為墻身位移曲線圖，圖5為墻身順橋向位移曲線圖。墻體最大位移為3.8mm，能很好的滿足工程需要。墻體在順橋向位移最為明顯，整體發(fā)生位移。墻身范圍內(nèi)未出現(xiàn)轉點，墻體位移隨墻高線性減小，表明墻體是整體傾斜變形，且在荷載較小時墻體在墻側主動土壓力作用下發(fā)生脫離土體的位移，荷載較大時發(fā)生壓縮土體的位移。橫橋向在橫向力和彎矩作用下也產(chǎn)生一定位移，且同樣呈現(xiàn)整體傾斜特征。豎向位移為墻身以及墻底土體在荷載作用下產(chǎn)生的壓縮，在墻側摩阻力和墻內(nèi)土芯的作用下豎向位移逐漸減小。

圖1 地下連續(xù)墻構造圖（單位：mm）

圖2 墻土整體位移圖

圖3 墻身整體位移圖

圖4 墻身位移曲線圖

圖5 墻身順橋向位移曲線圖

圖6 為墻土整體應力圖，圖7為墻體整體應力圖。土體應力較小，荷載主要還是由墻體承擔。從墻體應力分布圖可以看出，在荷載傳遞方向墻身應力最大，向兩側遞減，墻身最大應力5.4MPa（局部受壓），大部分所受壓應力約為3MPa，墻身主要部分均未出現(xiàn)拉應力，滿足使用要求。故該地連墻結構滿足作為新橋橋臺基礎的各項要求。

圖6 墻土整體應力圖

圖7 墻體整體應力圖

根據(jù)地下連續(xù)墻的受力特性以及考慮現(xiàn)場的因素，其施工方法采用成槽澆筑和模板澆住相結合的方法。地下連續(xù)墻基礎的施工步驟具體如下：

（1）澆筑W1塊連續(xù)墻，該片墻是靠近岸邊，施工完可以兼具擋土作用；

（2）W1塊連續(xù)墻達到強度后，挖掉橫梁底以上河岸部分土方；

（3）再施工橫梁以下W2塊連續(xù)墻，W1與W2采用剛性接頭連接；

（4）施工橫梁以下W3，W1、W2與W3采用剛性接頭連接；

（5）施工橫梁以下W4；

（6）現(xiàn)澆橫梁鋼筋混凝土，注意與主拱圈一同澆筑；

（7）現(xiàn)澆橫梁以上連續(xù)墻，墻體達到強度后填土壓實。

地下連續(xù)墻接頭施工，也是關鍵施工工藝之一。將地下連續(xù)墻槽段和槽段之間相連的接頭稱為施工接頭，施工接頭按受力條件可分為柔性和剛性兩種。如果地下連續(xù)墻僅作為基坑圍護結構時，柔性接頭已可以滿足擋土及抗?jié)B要求。但當?shù)叵逻B續(xù)墻作為主體結構的一部分時，除了要求接頭抗?jié)B擋土外，還要求接頭具有抗剪能力，此時就應采用剛性接頭。本工程地下連續(xù)墻是作為橋梁永久地下基礎，因此采用剛性接頭，見圖8。穿孔鋼板接頭可承受地下連續(xù)墻垂直接縫上的剪力，使相鄰地下連續(xù)墻槽段共同承擔上部結構的垂直荷載，協(xié)調(diào)槽段的不均勻沉降；同時穿孔鋼板接頭亦具備較好的止水性能。

圖8 地下連續(xù)墻接頭大樣

3 混凝土表面調(diào)配涂裝體系[5,6]

延河大橋舊橋采用延安當?shù)厥募t砂巖砌筑而成，而新橋是鋼筋混凝土結構，為了保持新舊橋風貌一致，對新橋混凝土結構表面進行調(diào)配涂裝也是該項目中的關鍵一環(huán)。本課題主要從新橋混凝土表面仿石砌效果，以及混凝土表面仿石紋理、材質(zhì)、色澤效果兩個方面展開試驗研究。經(jīng)過不懈的反復試配試制，以及相關的耐久性試驗，最終取得理想的成果。

根據(jù)混凝土結構的腐蝕破壞機理，并借鑒國外的經(jīng)驗及國家相關規(guī)范標準，本課題對混凝土結構的涂裝采用的保護劑分為底漆、潤色漆、面漆，這三種材料具有不同的功能和特點，它們相互結合既能有效的保護混凝土又具有較好的裝飾功能，是集保護和裝飾為一體的涂裝體系。

橋梁混凝土保護劑底漆：該底漆為無色透明液體，其主要特點是具有較強的滲透性，致密性，其具有單向遷移功能，具有透氣不透水的特殊性能。橋梁混凝土保護體系潤色漆：由于混凝土在澆筑與施工過程中會產(chǎn)生孔洞、氣泡、色差，其采用多種樹脂相結合的配方，全新色素濃度的精確選擇，可以達到與現(xiàn)有表面非常接近的效果，同時減少與去除局部顏色的不一致，其可選擇的標準色度有幾十種。橋梁混凝土保護劑面漆：無色透明液體，其不但具有一定的滲透性和強烈的憎水性，同時還有極佳的耐酸、耐堿、抗紫外線的功能。

新橋在特制模板（用于仿石材砌塊分格縫）脫模后，首先需要進行仿石材砌塊的紋理制作，然后進行仿石材厚質(zhì)保護體系的涂裝。實施時用氣動機械制作紋理，后手工進行仿石材修補，使其更加自然逼真，見圖9。仿石材厚質(zhì)保護體系的涂裝順序是：先涂底漆，再仿石材質(zhì)感厚漿漆，最后是面漆。延河大橋新橋仿石調(diào)配涂裝完成后效果見圖10。

圖9 延河大橋仿石砌縫剔槽后效果

圖10 延河大橋新橋仿石調(diào)配涂裝完成后效果

仿石材調(diào)配體系的施工要點如下：

（1）模板拆除操作需謹慎，避免分格縫損壞。

（2）采用氣動機械在新橋外立面剔槽，制作與舊橋一致的紋理。

（3）清除結構表面浮漿、殘渣、污漬，務必仔細認真。

（4）混凝土表面蜂窩、孔隙、裂縫表面修補，注意調(diào)整色差和砌縫的處理。

（5）仿砌縫用環(huán)氧砂漿填實，色澤應與仿石材顏色協(xié)調(diào)，且有層次感。

（6）保護劑應連續(xù)噴涂2～3遍，中途不留間歇。

（7）相對濕度大于80%，溫度小于-5℃，風力大于四級，雨天等氣象環(huán)境下不能施工。

（8）注意成品保護，防止交叉污染。

4 結語

延河大橋創(chuàng)新性地采用截面形式靈活、可人工作業(yè)、噪音小的地下連續(xù)墻基礎，并用理論分析與試驗驗證相結合的研究方法，對地連墻橋臺基礎受力性能進行研究，結果表明該基礎在橫向和豎向荷載共同作用下發(fā)生整體傾斜，最大位移僅3.8mm，最大應力僅3MPa左右，滿足工程要求。

通過對混凝土結構表面調(diào)配涂裝體系的試驗研究，很好地解決了混凝土結構仿石砌結構的技術難題，創(chuàng)新了設計方法和施工工藝，完美地使新建混凝土拱橋與舊橋原有風貌一致，達到了“修新如舊，新舊如一”的預期，為今后類似舊橋改造提供了一個新的設計思路和工程借鑒。

[1]叢藹森.地下連續(xù)墻的設計施工與應用[M].北京：中國水利水電出版社,2001.

[2]陸震銓,祝國榮.地下連續(xù)墻的理論與實踐[M].北京：中國鐵道出版社,1987.

[3]文華,程謙恭,陳曉東,等.矩形閉合地下連續(xù)墻橋梁基礎豎向承載特性試驗研究[J].巖土工程學報,2007,29(12)：1823-530.

[4]李濤.黃土地區(qū)地下連續(xù)墻基礎承載特性試驗研究[D].江蘇南京：東南大學,2006.

[5]謝敏杰.新型有機硅浸漬保護劑和聚氨酯涂層在橋梁混凝土防腐中的應用[J].城市道橋與防洪,2011(1)：116-118.

[6]鄒濤,李珍,韓煒,等.混凝土表面保護材料的研究進展[J].混凝土,2008(12)：61-63.

U445.6

：B

：1009-7716（2017）02-0114-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.034

2016-11-28

陳泉（1976-），男，湖北黃岡人，高級工程師，從事橋梁設計工作。