既有鐵路淺基橋墩的加固設(shè)計(jì)和施工技術(shù)

黃洪猛，徐登云，路 韡

(1.西北民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 3.中國(guó)中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131)

橋墩作為橋梁的下部結(jié)構(gòu)，其剛度、承載力、穩(wěn)定性及抗震性能決定著橋梁的使用安全。由于歷史經(jīng)濟(jì)條件的限制，我國(guó)高烈度地區(qū)依然存在大量的低配筋或無(wú)筋重力式橋墩，橋墩抗震性能較差[1]。由于早期的橋墩普遍采用混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，在常年流水的沖刷影響下，基礎(chǔ)埋置深度不足，基礎(chǔ)約束力下降。此外，隨著鐵路橋梁電氣化改造及鐵路提速的大規(guī)模展開(kāi)，在役橋墩普遍存在基礎(chǔ)偏心超限、結(jié)構(gòu)承載力、剛度不足等問(wèn)題，使橋梁存在安全隱患。因此，針對(duì)既有低配筋或無(wú)筋橋墩的病害提出合理的加固方法已勢(shì)在必行。

1 工程概況

湟水河一鐵路橋梁建于1958年，為6×23.9 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋。墩身采用變截面尖端形橋墩，2#墩墩身高度為14.71 m，其余墩身高度均為16.5 m，基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，基底坐落于頁(yè)巖上。該橋百年設(shè)計(jì)流量Q100=2 805 m3/s，300年校核流量Q300=3 210 m3/s，設(shè)計(jì)流速v=5.32 m/s，沖刷系數(shù)ρ=1.18，低水位為 1 636.15 m，最低水位為 1 635.81 m，最高洪水位為 1 636.84 m，百年設(shè)計(jì)洪水位H100=1 641.10 m，300年校核洪水位H300=1 641.40 m。橋址處從上往下依次為卵石土層、頁(yè)巖層和砂巖層。其中3#墩處一般沖刷線高程為 1 635.16 m，3#墩基底高程為 1 631.26 m。

湟水河常年流水，且受季節(jié)影響汛期流速及流量較大。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該橋的沖刷情況進(jìn)行檢測(cè)，該橋上游200 m至下游50 m范圍內(nèi)高程存在較大落差，并且有大量砂石料堆積在3#～4#墩之間，減小了河道的過(guò)水面積。水流從1#～3#墩間經(jīng)過(guò)，水流經(jīng)過(guò)橋墩時(shí)流速較高，橋墩局部沖刷嚴(yán)重。相對(duì)于一般沖刷線高程，平均沖刷深度為1.34 m，最大沖刷深度發(fā)生在3#墩東側(cè)(往2#墩側(cè))，沖刷深度為3.32 m，距基底僅0.58 m，基底約束強(qiáng)度降低。

在對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)挖施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)底部與巖層已嚴(yán)重風(fēng)化、破損并存有裂隙。橋墩自振頻率和列車過(guò)橋時(shí)的橫向振幅測(cè)試結(jié)果均已超過(guò)鐵運(yùn)函〔2004〕120號(hào)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《橋檢規(guī)》)[2]通常值要求。沖刷狀態(tài)已對(duì)鐵路行車安全造成不利影響，需對(duì)該橋進(jìn)行加固處理。

2 加固設(shè)計(jì)

本文以橋梁中3#橋墩為例介紹加固設(shè)計(jì)內(nèi)容和施工技術(shù)。

1)為增大風(fēng)化巖層的承載力，對(duì)破損并存有裂隙的基底巖土層進(jìn)行注漿處理，封閉巖土層縫隙。基底注漿孔布置如圖1所示，其中注漿用導(dǎo)管采用直徑42 mm 的自制注漿小導(dǎo)管。

圖1 基底注漿孔布置(單位：cm)

2)為增加基礎(chǔ)約束強(qiáng)度進(jìn)而提高基礎(chǔ)的承載力，沿原基礎(chǔ)周圍增補(bǔ)10根鉆孔灌注樁，樁徑100 cm，樁長(zhǎng)6 m(深入持力巖層2 m)。樁基頂部承臺(tái)為2層，每層高150 cm，樁基和承臺(tái)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。為了減小施工時(shí)對(duì)既有基礎(chǔ)的干擾，新增樁基與原基礎(chǔ)的凈距離不小于0.5 m。

3)為降低橋墩的橫向振幅，減小梁體的橫向振動(dòng)，提高自振頻率，增加橋墩的抗震能力，對(duì)橋墩進(jìn)行外包鋼筋混凝土加固[3]。鋼筋混凝土套箍厚度為30 cm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。豎向受力鋼筋采用HRB335，直徑為16 mm，豎向受力鋼筋植入深度滿足錨固要求。

加固前后的橋墩構(gòu)造分別見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 加固前橋墩構(gòu)造(單位：cm)

圖3 加固后橋墩構(gòu)造(單位：cm)

4)承臺(tái)局部設(shè)計(jì)。為了保證承臺(tái)及其上部的荷載有效傳遞至新增樁基并對(duì)原基礎(chǔ)進(jìn)行卸載，結(jié)合承臺(tái)的受力特點(diǎn)及傳力途徑，在原基礎(chǔ)上通過(guò)植筋在承臺(tái)底部形成水平結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)間距100 mm，鋼筋直徑為20 mm，植筋深度滿足錨固深度要求，植筋間距400 mm。承臺(tái)內(nèi)鋼筋網(wǎng)布置見(jiàn)圖4。

圖4 承臺(tái)內(nèi)鋼筋網(wǎng)布置(單位：cm)

5)新舊混凝土黏結(jié)界面處理設(shè)計(jì)。為了解決既有混凝土結(jié)構(gòu)加固中新舊混凝土界面黏結(jié)的瓶頸問(wèn)題，尤其是既有鐵路橋墩橫向振動(dòng)突出，為了保證后期的有效運(yùn)營(yíng)和加固效果，本次加固中除在承臺(tái)連接部位鑿槽和套箍部位進(jìn)行鑿毛外，在原橋墩、基礎(chǔ)混凝土表面涂敷一層與新增承臺(tái)混凝土水灰比相同的水泥凈漿作為界面劑[4]。為了減小新澆筑混凝土的收縮、徐變問(wèn)題，在新舊混凝土界面處布置間距100 mm、直徑φ6 mm 的鋼筋網(wǎng)片，混凝土中摻入3%的膨脹劑。

6)為減小水流對(duì)基礎(chǔ)的沖刷影響，清除3#～4#墩之間堆積的砂石料，疏通河道。另外新增承臺(tái)施工完成后，只拆除新增下層承臺(tái)頂面以上沉井，并在沉井內(nèi)填筑砂夾石，澆筑C20抗凍混凝土封頂。同時(shí)在河道內(nèi)拋投2層鍍鋅鐵絲石籠進(jìn)行基礎(chǔ)整體沖刷防護(hù)。其中3#墩周圍基礎(chǔ)沖刷防護(hù)構(gòu)造見(jiàn)圖5。

圖5 基礎(chǔ)沖刷防護(hù)構(gòu)造(單位：cm)

3 理論分析

3.1 計(jì)算模型

采用ANSYS有限元分析軟件分別建立加固前后的橋墩有限元模型，對(duì)比分析加固前后橋墩的自振頻率、原有基礎(chǔ)的基底應(yīng)力和墩頂橫向位移，以驗(yàn)證加固方法的有效性。為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，加固后的橋墩采用溫克爾模型，地基土對(duì)新增樁基和原基礎(chǔ)的約束采用彈簧進(jìn)行模擬[5]。加固前后的有限元模型見(jiàn)圖6。

圖6 橋墩加固前后的有限元模型

根據(jù)GB 18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[6]該橋現(xiàn)所在區(qū)劃抗震設(shè)防烈度為7度，地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。進(jìn)行理論分析時(shí)，考慮橋址處的地震作用，按照有車、無(wú)車2種情況，將主力+多遇地震作用作為驗(yàn)算荷載，對(duì)橋墩的橫向位移和原基礎(chǔ)的基底應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算橋墩橫向位移時(shí)考慮工況1—工況3組合，計(jì)算基底應(yīng)力時(shí)考慮工況1—工況6組合。各工況組合情況如下：

工況1：恒載+橫橋向多遇地震作用(無(wú)車)。

工況2：恒載+靜活載(雙孔重載)+橫橋向多遇地震作用。

工況3：恒載+靜活載(單孔重載)+橫橋向多遇地震作用。

工況4：恒載+順橋向多遇地震作用(無(wú)車)。

工況5：恒載+靜活載(雙孔重載)+順橋向多遇地震作用。

工況6：恒載+靜活載(單孔重載)+順橋向多遇地震作用。

3.2 計(jì)算結(jié)果

1)橋墩加固前自振頻率為3.11 Hz，加固后自振頻率為5.23 Hz，提高了68%，并滿足《橋檢規(guī)》通常值(≥3.82 Hz)的要求。

2)橋墩加固后在恒載+靜活載(雙孔重載)+橫橋向多遇地震作用下墩頂橫向位移最大值為2.000 mm，相對(duì)比加固前的橫向位移(4.886 mm)有大幅降低，說(shuō)明橋墩橫向抗彎剛度增加，說(shuō)明該方法能夠降低橋墩的橫向振幅[7]。墩頂橫向位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 墩頂橫向位移計(jì)算結(jié)果 mm

3)考慮混凝土基礎(chǔ)的應(yīng)力重分布，加固前在恒載+靜活載(單孔重載)+順橋向多遇地震作用下的基底壓應(yīng)力最大值為0.845 MPa，加固后在恒載+活載(雙孔重載)+順橋向多遇地震作用下的基底壓應(yīng)力最大值為0.884 MPa，由于新增混凝土自重的作用增補(bǔ)樁基后基底最大壓應(yīng)力有所增加，但均小于GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》限值(7.5 MPa)[8-9]?；讘?yīng)力的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

4 沖刷計(jì)算與沖刷防護(hù)

由于3#～4#墩間堆積大量砂石料，減小了河道的過(guò)水面積，導(dǎo)致1#～3#墩間沖刷嚴(yán)重。在進(jìn)行基礎(chǔ)加固時(shí)須清除堆積的砂石料，疏通河道。在計(jì)算局部沖刷深度時(shí)，3#墩處河床高程根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果取值為 1 631.84 m，局部沖刷計(jì)算按照實(shí)測(cè)河床斷面分別考慮原基礎(chǔ)、增加承臺(tái)后、保留部分沉井(新增下層承臺(tái)頂面以上沉井拆除)的狀態(tài)。依據(jù)《橋檢規(guī)》，按照非黏性土河床的橋墩局部沖刷公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 局部沖刷計(jì)算結(jié)果 m

按照河床斷面實(shí)測(cè)結(jié)果，考慮1/100檢算洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)，增加承臺(tái)后局部沖刷深度至基底下3.56 m，保留沉井的狀態(tài)下局部沖刷深度至基底下3.83 m，說(shuō)明局部沖刷嚴(yán)重。為防止基礎(chǔ)的進(jìn)一步?jīng)_刷，在沉井外圍拋投2層鍍鋅鐵絲石籠進(jìn)行整體防護(hù)。《橋檢規(guī)》規(guī)定:對(duì)于一般橋梁，基底埋置深度不小于1.5 m時(shí)加沖刷總深度的10%。按照原設(shè)計(jì)資料進(jìn)行檢算，原基礎(chǔ)埋置深度應(yīng)不小于2.38 m，故拆除新增下層承臺(tái)頂面以上的沉井部分，外圍拋投的2層鍍鋅鐵絲石籠標(biāo)高也與新增下層承臺(tái)頂面平齊，基礎(chǔ)埋置深度為2.5 m。拋投的鍍鋅鐵絲石籠上下游尺寸按照《橋檢規(guī)》中的相關(guān)規(guī)定計(jì)算，計(jì)算的防護(hù)尺寸參見(jiàn)圖5。

5 主要工序的施工技術(shù)

為了保證施工安全、有序地進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)遵循如圖7所示的施工流程。

圖7 加固施工流程

5.1 沉井制作及施工

1)在澆筑沉井部位鋪1層厚約0.5 m的砂墊層，并在鋼刃腳處鋪設(shè)墊木，墊木之間填實(shí)砂土。立模、澆筑圓端形鋼筋混凝土沉井。沉井結(jié)構(gòu)構(gòu)造見(jiàn)圖8。

圖8 沉井結(jié)構(gòu)構(gòu)造(單位：cm)

2)在沉井內(nèi)采用機(jī)械和人工同時(shí)開(kāi)挖，使沉井均勻下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高(嵌入基底巖層0.5 m)。開(kāi)挖沉井時(shí)及時(shí)抽水，用裝有紅黏土的小麻袋對(duì)漏水點(diǎn)進(jìn)行封堵。遇基巖石方開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，采用風(fēng)鎬人力鑿除。

3)當(dāng)沉井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高要求范圍內(nèi)，經(jīng)沉降觀測(cè)，其沉降率在允許范圍(8 h內(nèi)沉井自沉累計(jì)不大于10 mm)時(shí)，進(jìn)行封底施工。

5.2 新增樁基施工

沉井施工完成后，為保證行車安全在橋墩上下游分次進(jìn)行鉆孔樁施工，墩身周圍均勻布置10根鉆孔樁，直徑為1 m，樁長(zhǎng)6 m，鉆孔樁深入原基底巖層不小于1.5 m。鉆孔樁進(jìn)行入巖成孔作業(yè)時(shí)，為減小對(duì)既有橋墩和基礎(chǔ)的擾動(dòng)，鉆機(jī)鉆孔時(shí)采用對(duì)稱作業(yè)。樁身及時(shí)澆筑完成后，適時(shí)采用超聲波法或小應(yīng)變法進(jìn)行樁基狀態(tài)檢測(cè)。

5.3 基底注漿處理

樁基施工完成后單面分次開(kāi)挖基坑并進(jìn)行基底裂隙注漿處理。鑿除新增承臺(tái)底部風(fēng)化的巖層，露出新鮮巖面，對(duì)基底巖層進(jìn)行注漿加固處理，壓注水泥漿液時(shí)要隨時(shí)檢查注漿壓力，壓力以0.6～1.2 MPa為宜。如遇跑漿則停止，換注其他孔后再注。注漿處理完成以后，用高壓水將巖層頂面沖洗干凈，澆筑素混凝土至新增承臺(tái)底面標(biāo)高位置，分擔(dān)新增混凝土自重對(duì)原基礎(chǔ)產(chǎn)生的壓力。

5.4 新增承臺(tái)和外包鋼筋混凝土施工

1)樁基施工完成后在原基礎(chǔ)、橋墩上植筋，同時(shí)澆筑新增承臺(tái)和橋墩套箍鋼筋混凝土。新增承臺(tái)布置在水面以下，分為2層，每層高1.5 m。新增承臺(tái)底面與原基礎(chǔ)第2層臺(tái)階底面平齊。

2)為了保證新增混凝土部分與既有結(jié)構(gòu)的黏結(jié)效果，在既有橋墩與新增承臺(tái)連接的部位鑿深 30 cm、高100 cm的環(huán)形三角槽，另外在距既有橋墩的擴(kuò)大基礎(chǔ)頂面30 cm處鑿深30 cm、高70 cm的環(huán)形楔形槽[10](參見(jiàn)圖2)，并對(duì)其他新增承臺(tái)位置處的基礎(chǔ)、橋墩表面和托盤(pán)頂面進(jìn)行鑿毛處理，鑿成深度不小于6 mm的凹凸面，并露出新鮮混凝土[11]。承臺(tái)、橋墩混凝土澆筑之前，應(yīng)將鑿槽和鑿毛后的混凝土表面用高壓水沖洗干凈，保持界面濕潤(rùn)，但不能有積水。

3)在新增承臺(tái)和橋墩表面套箍混凝土范圍內(nèi)植筋，通過(guò)在既有基礎(chǔ)內(nèi)水平植筋在承臺(tái)底面布設(shè)水平受力鋼筋，同時(shí)沿既有墩身周圍在原基礎(chǔ)內(nèi)豎向植筋，布置豎向受力鋼筋，植筋深度滿足受力鋼筋錨固要求，從而解決目前重力式橋墩配筋率低的問(wèn)題，然后澆筑混凝土。植筋按梅花形布置，植筋直徑為20 mm，間距40 cm。

5.5 基礎(chǔ)沖刷防護(hù)處理

為了減小后期流水對(duì)基礎(chǔ)的局部沖刷，新增承臺(tái)施工完成后，將新增下層承臺(tái)頂面以上的臨時(shí)結(jié)構(gòu)沉井拆除，在沉井內(nèi)填筑砂夾石并澆筑C20抗凍混凝土封頂。同時(shí)將沉井周圍及河道內(nèi)施工填土全部挖除，并在沉井周圍拋投2層鍍鋅鐵絲石籠進(jìn)行基礎(chǔ)沖刷整體防護(hù)。沖刷防護(hù)頂面及沉井內(nèi)封頂混凝土頂面的標(biāo)高與新增下層承臺(tái)頂面平齊，滿足基礎(chǔ)底部埋置深度要求。

5.6 注意事項(xiàng)

植筋時(shí)需注意以下事項(xiàng)：鋼筋植入24 h內(nèi)不得碰動(dòng)，不得施加荷載；植筋4 d后進(jìn)行隨機(jī)抽檢，做拉拔試驗(yàn)；植筋鉆孔時(shí)，按照鉆1個(gè)孔及時(shí)植1根筋的原則進(jìn)行植筋，且同一截面連續(xù)鉆孔個(gè)數(shù)不能超過(guò)3個(gè)，嚴(yán)禁在同一截面超前連續(xù)鉆孔；植筋膠達(dá)到要求強(qiáng)度前同一截面不得進(jìn)行鉆孔施工。

新增樁基和承臺(tái)施工時(shí)，為確保行車安全采取單面分次施工方式。

6 結(jié)論

1)采用基底注漿處理并增補(bǔ)樁基和外包鋼筋混凝土對(duì)既有鐵路淺基橋墩加固后，橋墩自振頻率明顯提高，墩頂橫向位移顯著降低，說(shuō)明橋墩橫向剛度有所增加，抗震性能提高，加固方法可靠。

2)采用在既有橋墩表面鑿毛、植筋，涂刷水泥凈漿并布置界面鋼筋網(wǎng)片，在新增承臺(tái)對(duì)應(yīng)的既有橋墩和基礎(chǔ)表面切割楔形槽，在新澆筑的混凝土中摻入3%膨脹劑的綜合方法對(duì)新舊混凝土界面連接部分予以處理，經(jīng)過(guò)后期檢測(cè)，加固后整體性良好，界面處理效果顯著。

3)利用施工用沉井并在沉井周圍整體拋投2層鍍鋅鐵絲石籠進(jìn)行基礎(chǔ)沖刷防護(hù)，防護(hù)效果良好。