黃河橋梁樁基頂推鋼套筒加固施工及控制技術(shù)

于利存++姚曉飛++周江

文章編號：1000033X（2016）12009304

收稿日期：20160527

基金項(xiàng)目：陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2013K0905）

摘要：水流沖刷常導(dǎo)致橋梁樁基耐久性、承載力降低，使結(jié)構(gòu)安全性不足。文章依托某公路大橋主橋樁基加固工程，通過總結(jié)分析頂推鋼套筒主動加固樁基法的技術(shù)方案、加固構(gòu)造、施工工藝、施工監(jiān)控以及應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)能有效降低黃河水流沖刷的危害，且對土層樁側(cè)摩阻力較小的橋梁群樁基礎(chǔ)加固具有良好的適用性，可為類似樁基加固工程提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：沖刷；樁基加固；鋼套筒；頂推施工

中圖分類號：U445.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Pile Foundation Reinforcement of Bridge Across Yellow River with

Steel Sleeve Jacking and Control Technology

YU Licun， YAO Xiaofei， ZHOU Jiang

（CCCC First Highway Consultants Co.， Ltd.， Xian 710075， Shaanxi， China）

Abstract： Given that water scouring often leads to the reduction of durability and bearing capacity of bridge pile and compromises structural safety， the pile foundation reinforcement project of a bridge across the Yellow River was taken to study the technical solutions， reinforcement structure， construction technology， monitoring of the construction process and application effect of steel sleeve jacking， an active reinforcement method for pile foundation. It is found out that this method effectively reduces the damage to the bridge by the current of Yellow River， and is suitable for pile cluster with less friction resistance from soil.

Key words： scour； pile foundation reinforcement； steel sleeve； jacking

0引言

黃河水流夾沙量高，汛期水流速大，水流沖刷已成為跨黃河橋梁失效的主要原因之一。沖刷使橋梁樁周土層不斷減少，樁基外露樁長增加，樁身混凝土及鋼筋受到侵蝕，橋梁承載力降低，結(jié)構(gòu)安全性受到威脅。對損傷橋梁樁基及時進(jìn)行修復(fù)并采取相應(yīng)的預(yù)防性措施，是消除結(jié)構(gòu)安全隱患的重要保障[12]。

目前針對橋梁沖刷病害的加固措施主要有圍堰套箍法、普通鋼套筒和水下玻纖套筒加固3種。圍堰套箍法是使用鋼板樁圍堰進(jìn)行臨時圍護(hù)，以常規(guī)的增加截面法加固橋墩[34]。普通鋼套筒加固是指對樁身進(jìn)行清理后，在樁身外安裝鋼套筒，鋼套筒不頂入土層，或嵌入土層05～1 m后，將鋼套筒中的水抽干澆筑填充混凝土的一種樁基加固方法[56]。水下玻纖套筒加固又稱“夾克法”，是利用玻纖套筒加固系統(tǒng)與樁基粘結(jié)成一個整體并阻止鋼筋進(jìn)一步銹蝕，修復(fù)并永久保護(hù)混凝土表面的一種樁基加固技術(shù)[7]。這3種措施的共同缺點(diǎn)是嵌入土層深度小，在黃河水的不斷沖刷下，無法起到長期防沖刷的作用；此外，圍堰套箍法加固施工措施費(fèi)用高，水下玻纖套筒加固對含高沙量的黃河水的磨損適應(yīng)性差[8]。

本文針對某黃河公路大橋的結(jié)構(gòu)類型、病害情況、地質(zhì)條件提出深度頂推鋼套筒主動加固橋梁樁基的方案，并對其加固構(gòu)造、施工工藝、施工監(jiān)控以及應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹，以期為日后類似工程為鑒。

1工程概況

某黃河公路大橋主橋?yàn)?跨100 m鋼管混凝土系桿拱橋，主橋下部結(jié)構(gòu)為空心墩，群樁基礎(chǔ)，每個橋墩由2個邊墩和1個中墩組成，邊墩4根樁基，中墩8根樁基，樁基直徑均為2 m，設(shè)計(jì)樁長為72～78 m。橋梁立面如圖1所示。

圖1某黃河公路大橋主橋立面

經(jīng)檢測，主橋橋墩樁基河床嚴(yán)重下切，樁基沖刷深度為4.0～9.3 m，部分沖刷深度大于鋼護(hù)筒長度，致使樁內(nèi)芯外露，侵蝕嚴(yán)重，樁基普遍出現(xiàn)縮頸、扭曲擴(kuò)徑、鋼筋外露銹蝕等病害。這些病害造成樁基耐久性和承載能力降低，結(jié)構(gòu)安全存在一定的隱患，適用性上存在不可接受的缺陷。

2樁基加固方案

2.1加固方案

黃河河道變遷頻繁，樁基沖刷深度大，普通鋼套筒加固僅能外包沖刷地面線以上部分，無法達(dá)到長期防護(hù)的作用。根據(jù)沖刷深度監(jiān)測，本橋均為外露高樁承臺，沖刷地面線以上外露樁基長度為3.1～9.6 m，且樁基土層主要以側(cè)摩阻力較小的松散粉砂和細(xì)砂為主，為鋼套筒深度頂推切入土層提供了便利條件。因此，在普通鋼套筒加固的基礎(chǔ)上，采用深度頂推鋼套筒主動加固樁基法，可以達(dá)到預(yù)防沖刷，提高樁基承載力、耐久性，增強(qiáng)主橋樁基可靠性，延長其使用壽命的目的。

深度頂推鋼套筒加固法是利用群樁承臺，使用千斤頂反頂鋼套筒嵌入土層至沖止高程，以鋼套筒作為施工模板和永久防護(hù)構(gòu)造的方式進(jìn)行樁基外包加固[9]。預(yù)制截面尺寸比原樁略大的鋼套筒，分節(jié)段安裝、頂推鋼套筒，并配合高壓射水及泵吸清除鋼套筒與樁身之間的土層，灌注水泥砂漿，使鋼套筒和原樁連接為一體，達(dá)到樁基沖刷防護(hù)和加固補(bǔ)強(qiáng)的效果。

2.2鋼套筒加固構(gòu)造

為使鋼套筒起到長期防護(hù)的作用，將鋼護(hù)筒嵌入至沖止高程，各樁基鋼套筒設(shè)計(jì)長度為16 m。每根鋼護(hù)筒共劃分為14個節(jié)段，1個首節(jié)段、11個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段和1個末節(jié)段。首節(jié)段長為24 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長為12 m，末節(jié)段長為04 m（圖2（a））。樁基實(shí)際檢測直徑為21～23 m，鋼套筒外徑為25 m。每個節(jié)段由2個半圓柱組成，并均勻設(shè)置4道縱向加勁肋，首節(jié)段設(shè)置45°刃角（圖2（b））。鋼套筒壁厚為20 mm，縱向加勁肋厚為16 mm。鋼套筒和其他鋼構(gòu)件均采用Q345C鋼板。各構(gòu)件間采用焊接形成整體。首節(jié)段和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段內(nèi)直接泵送灌注M30微膨脹水泥砂漿，末節(jié)段采用壓力注漿灌注水泥漿。

圖2鋼套筒頂推構(gòu)造

3鋼套筒頂推加固施工工藝

樁基鋼套筒頂推加固的主要施工工藝流程為：施工平臺搭設(shè)、樁身處理、鋼套筒制作和安裝、鋼套筒頂推、填充水泥砂漿。

3.1施工平臺搭設(shè)

采用設(shè)置在承臺薄壁墩周圍的扁擔(dān)鋼梁，通過手拉葫蘆和鋼絲繩分別吊起的施工平臺及臨時吊籃的移動軌道梁。整個結(jié)構(gòu)由上至下分別為：承臺面上I25b工字鋼扁擔(dān)梁、承臺底下I25b工字鋼施工鋼平臺、通過手拉葫蘆連接的施工鋼平臺。施工鋼平臺四周及承臺底面以下平臺周圍所有臨水面均用Φ50×2.5 mm焊接鋼管設(shè)置護(hù)欄。

3.2樁身處理

對樁基原施工鋼護(hù)筒進(jìn)行切割，鑿除樁身劣化及多余混凝土，銹蝕鋼筋除銹。

（1）樁基原施工鋼護(hù)筒切割。樁基原施工鋼護(hù)筒采用氣切割，對鋼護(hù)筒沿縱向和環(huán)向進(jìn)行分塊切割，切割后從樁基混凝土剝離鑿除。

（2）樁身劣化及多余混凝土鑿除。對于厚度大于10 cm的多余擴(kuò)徑混凝土采用氣泵風(fēng)鎬機(jī)械鑿除，在鑿除前應(yīng)先進(jìn)行外露實(shí)際樁徑測量及主筋保護(hù)層厚度探測，鑿除后的鋼筋保護(hù)層厚度不小于原設(shè)計(jì)厚度，并進(jìn)行定位放線，標(biāo)識出應(yīng)鑿除混凝土的外邊線；對于混凝土蜂窩麻面、松散、破碎、剝落和鋼筋銹脹外露區(qū)域以及厚度小于10 cm的多余混凝土，采用人工鑿除，使表面粗糙凹凸差不小于6 mm，并將樁基最大直徑控制在2.1 m以內(nèi)。

（3）鋼筋除銹。外露銹蝕鋼筋先用鋼刷對其表面的銹蝕氧化層進(jìn)行處理，然后涂刷或用高壓噴槍噴涂多功能阻銹劑。

3.3鋼套筒制作與安裝

（1）鋼套筒的制作。鋼套筒鋼管采用厚度為20 mm的鋼板卷制成2個半圓管。卷管時，鋼管受力方向應(yīng)與鋼板壓延方向一致，管體成形必須校圓，失圓度不得大于2 mm。在加工過程中，焊接縱向加勁肋、內(nèi)襯鋼板，鋼管各片構(gòu)件應(yīng)在岸上預(yù)先進(jìn)行試拼裝及防腐處理，并在鋼套筒外表面焊接臨時吊環(huán)，吊環(huán)應(yīng)豎向放置焊接。

（2）鋼套筒的安裝。

鋼套筒先采用2片半圓構(gòu)件拼接形成1個節(jié)段，各節(jié)段再進(jìn)行由下至上豎直拼裝。安裝時應(yīng)以事先確定好的原樁基軸線為準(zhǔn)，各段筒體縱焊縫十字錯開。在鋼套筒控制點(diǎn)的高程和軸線均滿足設(shè)計(jì)要求后，固定各片構(gòu)件的位置，然后施焊接頭。

3.4鋼套筒頂推

（1）將沖刷地面線以上部分鋼套筒安裝到位，并預(yù)留承臺與鋼套筒間千斤頂?shù)陌惭b空間。

（2）在鋼套筒定位準(zhǔn)確后，安裝支撐上、下墊板及液壓千斤頂同步頂推設(shè)備。在鋼套筒四周布設(shè)4個千斤頂，千斤頂?shù)妮S線和鋼套筒外壁與縱向加勁肋交線保持在一條直線上。千斤頂?shù)牧砍炭刂圃谧畲箜斖屏Φ?.25～1.5倍。

（3）千斤頂采用同步頂推，頂推力與位移雙控。在頂推過程中使鋼套筒頂面保持水平，頂面最大高差不大于5 mm。

（4）在鋼套筒內(nèi)壁預(yù)先安裝BW150型射水泵，邊沖刷筒內(nèi)壁土層邊頂推，同時采用自吸無堵塞排污泵清理泥漿。在千斤頂滿量程前應(yīng)使用頂推連接柱接長，頂推連接柱的軸線應(yīng)與千斤頂?shù)妮S線一致。

（5）當(dāng)頂推長度大于鋼套筒節(jié)段時，安裝下一個鋼套筒標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，此流程循環(huán)進(jìn)行，直到鋼套筒頂推至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3.5水泥砂漿泵送和灌注

當(dāng)最后一個鋼套筒標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段安裝完成后，清理套筒內(nèi)壁泥漿時，預(yù)留50 cm土層不進(jìn)行清理，作為封底層。采用砂漿攪拌機(jī)攪拌，通過架設(shè)水平管道運(yùn)輸泵送M30微膨脹水泥砂漿填充鋼套筒首節(jié)段和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段。水泥砂漿必須連續(xù)一次性澆注完，并在鋼套筒內(nèi)的樁兩側(cè)同時灌注。灌注時灌注管沿樁周來回緩慢移動，砂漿從管下端灌進(jìn)；嚴(yán)格控制泵送量，同時用振動棒攪動，使鋼套筒內(nèi)水泥砂漿填充均勻密實(shí)。

3.6安裝封頂節(jié)段鋼套筒和壓力注漿

鋼套筒末節(jié)段采用壓力注漿，使末節(jié)段頂面與承臺底頂緊，并在底端設(shè)置注漿孔，頂端設(shè)置排氣孔。末節(jié)段頂面與承臺頂間采用密封膠進(jìn)行密封硬化后，進(jìn)行壓氣試驗(yàn)，以檢查封閉帶是否封嚴(yán)。從注漿孔注入水泥灌漿料，直到頂端所有排氣孔均溢出水泥漿為止；待鋼套筒內(nèi)水泥砂漿初凝后，對注漿孔和排氣孔及時填塞，并在表面進(jìn)行焊接密封。

4鋼套筒頂推控制

4.1鋼套筒頂推監(jiān)控內(nèi)容及要求

鋼套筒頂推以頂入深度為控制目標(biāo)，以最大頂推力作為主要終止條件，以鋼套筒偏位、同樁基各千斤頂頂推力差異、承臺及其他構(gòu)件出現(xiàn)異常損傷為輔助終止條件。鋼套筒頂推具體監(jiān)控內(nèi)容及控制要求有以下幾點(diǎn)。

（1）鋼套筒頂推力。記錄實(shí)際各樁基不同節(jié)段鋼套筒的總頂推力；實(shí)際總頂推力不大于理論計(jì)算最大頂推力，同一樁基各千斤頂?shù)挠捅碜x數(shù)相差不大于10%。

（2）鋼套筒偏位。在施工全過程中對每個鋼套筒頂均勻設(shè)置4個高程觀測點(diǎn)，并測量每個鋼套筒節(jié)段的垂直度；同一節(jié)段鋼套筒頂各點(diǎn)高程差不大于5 mm，垂直度不大于05%。

（3）結(jié)構(gòu)異常損傷。在鋼套筒頂推過程中，派專人觀測承臺裂縫的變化情況、承臺與樁基的結(jié)構(gòu)狀況以及其他結(jié)構(gòu)異常響應(yīng)，避免產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)病害。

4.2鋼套筒頂推控制結(jié)果

本工程選擇在黃河枯水期進(jìn)行施工，施工周期共60 d，頂推鋼套筒加固208#～210#橋墩共48根樁基；其中43根樁基鋼套筒均頂推至設(shè)計(jì)高程，且實(shí)際總頂推力小于理論計(jì)算最大頂推力值，鋼套筒偏位和結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)控均滿足要求。另5根未頂推到位樁基鋼套筒參數(shù)見表1。

由表1可見，5根樁基鋼套筒的實(shí)際頂入長度為設(shè)計(jì)鋼套筒長度的055～060倍，實(shí)際總頂推力均已達(dá)到理論計(jì)算最大頂推力，且實(shí)測的鋼套筒垂直度和高程差均已超限。采用單側(cè)加大頂推力、加大射水、抽沙力度等多種措施后，依然無法頂進(jìn)。

通過快速圍堰開挖209#34樁周圍砂土，同時切割40 mm×40 mm 小窗口，用長鋼筋插搗樁周，發(fā)現(xiàn)河床面以下部分樁基局部擴(kuò)徑，鋼套筒縱向加勁肋緊貼樁基擴(kuò)徑部位，并擠出一條縱槽。由于擴(kuò)徑處空間狹小，砂土已被嚴(yán)重擠密，導(dǎo)致鋼套筒無法繼續(xù)向深部頂進(jìn)。分析認(rèn)為此類樁基存在局部擴(kuò)徑，導(dǎo)致鋼套筒單側(cè)被卡傾斜，無法繼續(xù)頂進(jìn)；鋼套筒傾斜產(chǎn)生的水平力將對原樁基產(chǎn)生不利影響，在此條件下終止頂推。

5結(jié)語

深度頂推鋼套筒主動加固樁基法無需修建水中圍堰和搭設(shè)反力架，施工難度較小，安全性高，速度快，工程造價低，且沖刷防護(hù)深度大，可有效提高受侵蝕樁基的承載力和耐久性，是橋梁水下或陸上高樁承臺樁基一種極為有效的加固方案，尤其適用位于粉土、粉砂、細(xì)砂等側(cè)摩阻力較小的土層樁基加固。本文針對某黃河公路大橋樁基的土層資料、結(jié)構(gòu)類型和病害狀況，將鋼護(hù)筒頂推工藝應(yīng)用于樁基加固中，其鋼護(hù)筒最大頂入土中深度達(dá)13 m，目前尚屬國內(nèi)類似加固工程中的首例。工程實(shí)踐表明，深度頂推鋼套筒主動加固樁基法可操作性強(qiáng)，加固效果顯著，能夠有效地解決樁基沖刷和強(qiáng)度削弱問題，可為類似樁基加固工程提供借鑒。

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[責(zé)任編輯：高甜]