淺談鐵路橋墩頂帽和托盤開裂病害整治方法

(天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300240)

一、工程概況及病害簡介

集包鐵路第二雙線(現(xiàn)由部分唐呼線、京包客專線、京包線和包蘭線組成)位于華北地區(qū)內(nèi)蒙古西部，東起烏蘭察布市、西至包頭市，地處嚴(yán)寒地區(qū)，是我國與蒙古、俄羅斯開展經(jīng)濟(jì)貿(mào)易合作的主要運(yùn)輸通道，也是蒙西地區(qū)煤炭外運(yùn)和大秦鐵路相連的重要通道。

該線為新建客貨共線、雙線、Ⅰ級電氣化鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速160km/h，線路全長307.9km，其中新建線263.2km，改造利用既有線44.7km；2009年4月開工建設(shè)，2012年12月正式開通運(yùn)營；2014年12月完成提速改造，開行時(shí)速200km/h動(dòng)車組。橋墩為圓端形實(shí)體墩，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)；橋臺為T形橋臺，基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，防落梁設(shè)備為埋入式角鋼支架結(jié)構(gòu)。開通運(yùn)營已4年多， 2015年9月的秋季檢查中，發(fā)現(xiàn)大量橋梁橋墩托盤開裂、滲水，墩頂防落梁設(shè)備失效等病害，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，共有46座橋梁、211個(gè)橋墩出現(xiàn)托盤開裂、滲水、泛白，墩頂防落梁設(shè)備失效的病害，部分病害已達(dá)到《鐵路橋隧建筑物劣化評定標(biāo)準(zhǔn)》中的A級。橋墩病害典型照片見圖1、圖2。

病害主要有以下三種：

圖1 防落梁設(shè)備典型病害

圖2 托盤典型病害

(一)部分防落梁設(shè)備預(yù)留錨孔混凝土發(fā)生鼓脹、剝離，三角鋼架從預(yù)留錨孔內(nèi)頂出、變形，導(dǎo)致防落梁裝置失效，見圖1。

(二)橋墩墩帽裂縫主要分布在防落梁設(shè)備預(yù)留錨孔附近，裂縫以預(yù)留錨孔為起點(diǎn)向墩帽邊緣擴(kuò)展，部分裂縫擴(kuò)展至墩帽邊緣后、沿墩帽高度豎向發(fā)展、貫通全高，并向下延伸至托盤。

(三)橋墩托盤裂縫主要分布在托盤曲面、防落梁設(shè)備預(yù)留錨孔附近，裂縫沿托盤曲面發(fā)展形成豎向、環(huán)向、網(wǎng)狀裂縫，嚴(yán)重的出現(xiàn)貫通裂縫及剝離、錯(cuò)臺現(xiàn)象，裂縫開裂處滲水嚴(yán)重、有大量析出物和銹漬，見圖2。

二、病害原因分析

(一)原因分析

裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)最主要的病害之一，一般分為結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫。

結(jié)構(gòu)性裂縫是由于荷載引起的，往往有以下幾種情況：一是橋墩在設(shè)計(jì)時(shí)是以承受壓力為主的，而在運(yùn)營過程中墩頂?shù)膶?shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)有出入引起次應(yīng)力導(dǎo)致開裂，主要表現(xiàn)在墩頂支座處，如活動(dòng)支座固定或活動(dòng)支座位移超限等，使得墩頂受拉力產(chǎn)生裂縫；二是橋墩受壓力達(dá)到承載力極限導(dǎo)致開裂，如橋墩中心受壓超限沿墩身出現(xiàn)平行于受壓方向的裂縫，偏心受壓出現(xiàn)的與受拉方向垂直的裂縫，局部受壓區(qū)出現(xiàn)的與受壓方向大致平行的多條短裂縫等；其次還有橋墩因混凝土收縮、溫度變化、車輛撞擊、地基不均勻沉降等引起的開裂。

非結(jié)構(gòu)性裂縫主要有一是混凝土碳化。一般情況下混凝土呈堿性，在鋼筋表面形成堿性薄膜，保護(hù)鋼筋免受酸性介質(zhì)的侵蝕，混凝土碳化后使混凝土堿性降低，水分和其它有害介質(zhì)侵入結(jié)構(gòu)使鋼筋產(chǎn)生銹蝕，體積膨脹，同時(shí)加劇混凝土收縮導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂；二是混凝土堿-集料反應(yīng)。水泥中堿和骨料中的活性硅發(fā)生反應(yīng)生成硅膠化合物，伴隨著吸水膨脹導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂；三是凍融循環(huán)。混凝土結(jié)構(gòu)凍脹主要是冬季水汽在混凝土孔隙中沿著低溫度的方向生成了冰晶微體，體積膨脹導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂，產(chǎn)生無限制凍融循環(huán)。其次還有氯離子侵蝕、電腐蝕等引起的開裂。

(二)病害原因

檢查分析了墩頂支座運(yùn)營情況、墩身裂縫、地基現(xiàn)狀等，從橋墩墩帽和托盤的裂縫分布形態(tài)、防落梁設(shè)備的失效形態(tài)和預(yù)留錨孔不密實(shí)、存在積水的情況可做出如下分析結(jié)論：防落梁設(shè)備預(yù)留錨孔內(nèi)積水凍脹是產(chǎn)生裂縫的主要原因，裂縫為非結(jié)構(gòu)受力性裂縫。

防落梁設(shè)備預(yù)留錨孔內(nèi)混凝土澆筑不密實(shí)、雨水容易滲入，內(nèi)部宏觀空洞和孔道較多、水在結(jié)構(gòu)中遷移比較容易，地處嚴(yán)寒地區(qū)，冬季時(shí)，錨孔內(nèi)積水凍結(jié)、體積膨脹產(chǎn)生的凍脹力應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，使墩帽和托盤混凝土發(fā)生凍脹開裂，且托盤為素混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)部無鋼筋限制裂縫發(fā)展，經(jīng)過多年反復(fù)凍融循環(huán)導(dǎo)致裂縫寬度和深度不斷加大，病害日趨嚴(yán)重。凍脹作用使墩身內(nèi)裂縫產(chǎn)生的破壞部分凍脹量加大，因而沿墩身內(nèi)向外方向產(chǎn)生應(yīng)力薄弱處裂縫延伸，混凝土凍融損傷后，內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋并殘留不可逆的殘余膨脹變形，引起混凝土體積膨脹凍脹現(xiàn)象已經(jīng)成為鐵路橋破壞的一種嚴(yán)重病害形式。在春融期，由于混凝土裂紋冰晶體的融解，又成為混凝土力學(xué)性能降低主要外因，因而成為橋梁結(jié)構(gòu)承載力降低的主要原因。

橋墩墩帽和托盤大量開裂，一方面降低了接觸網(wǎng)立柱和支座支承墊石的可靠性，影響線路運(yùn)營安全；另一方面導(dǎo)致防落梁設(shè)備錨固端喪失了承載能力，無法發(fā)揮其抗震防落梁作用；再一方面，裂縫的存在改變了橋墩結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，將進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)內(nèi)部的劣化，影響結(jié)構(gòu)的使用性能和耐久性能。

三、病害分類

在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，依據(jù)《鐵路橋隧建筑物劣化評定標(biāo)準(zhǔn)》，按照橋墩托盤病害嚴(yán)重程度，將橋墩病害分為Ⅰ類和Ⅱ類兩種類型。

Ⅰ類病害：此類橋墩托盤存在少量或局部裂縫，裂縫寬度小于0.3mm、裂縫長度不超過托盤高度一半，未形成貫通裂縫，病害程度較輕。

Ⅱ類病害：此類橋墩托盤裂縫寬度達(dá)到0.3mm及以上、裂縫長度超過托盤高度一半，或者形成貫通裂縫、環(huán)向、網(wǎng)狀裂縫，裂縫滲水嚴(yán)重，病害程度按劣化評定為A級。

根據(jù)上述病害分類原則，對已查明的211個(gè)橋墩按照托盤開裂病害嚴(yán)重程度進(jìn)行了分類，其中101個(gè)橋墩歸為Ⅰ類病害，110個(gè)橋墩歸為Ⅱ類病害。

四、整治原則及整治方案

(一)整治原則

由于橋墩墩帽和托盤裂縫開裂嚴(yán)重，已超過規(guī)范規(guī)定限值，且有逐年加重趨勢，對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的劣化將產(chǎn)生極大影響，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性，為了保證線路運(yùn)營安全，必須對病害進(jìn)行整治。

整治原則是在消除病因后，采取措施解決目前出現(xiàn)的病害，在不改變原有結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常使用功能的基礎(chǔ)上，提高結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性，防止再次出現(xiàn)因防落梁預(yù)留錨孔積水凍脹引起的橋墩開裂病害。

(二)整治方案

整治方案為重新安裝防落梁設(shè)備、清理孔內(nèi)雜物及積水，對墩帽和托盤裂縫進(jìn)行壓注膠修復(fù)、封閉，針對Ⅰ類病害橋墩對裂縫寬度達(dá)到0.3mm及以上的墩帽還需采用鋼筋混凝土加厚的方式進(jìn)行加固，針對Ⅱ類病害橋墩對托盤曲面采用外包鋼筋混凝土的方式進(jìn)行加固，對墩帽采用鋼筋混凝土加厚的方式進(jìn)行加固，重做墩頂排水坡和防水層。

主要施工步驟及流程如下：

1.鑿除防落梁設(shè)備附近的排水坡和預(yù)留錨孔內(nèi)的混凝土，將角鋼支架拔出，拆除孔內(nèi)PVC管；對預(yù)留錨孔孔壁進(jìn)行鑿毛處理，鑿除破損的混凝土；將預(yù)留錨孔內(nèi)雜物、混凝土碎塊、水等清理干凈；在托盤曲面斜向鉆孔至預(yù)留錨孔底部，排除預(yù)留錨孔內(nèi)積水，用熱風(fēng)機(jī)吹干孔道。

2.待預(yù)留錨孔內(nèi)干燥后，重新安裝角鋼支架，澆筑C40高性能細(xì)石混凝土，填實(shí)預(yù)留錨孔和托盤孔眼，抹平孔口。

3.待防落梁設(shè)備重新安裝完成后，鑿除墩帽和托盤開裂處松散、剝離的混凝土，清理裂縫區(qū)域混凝土表面及裂縫中的灰土，用熱風(fēng)機(jī)吹干裂縫中的積水。

4.采用裂縫修復(fù)膠和壓力注漿法對墩帽和托盤裂縫進(jìn)行填充修復(fù)處理，并確保所有裂縫完全封閉。

5.針對Ⅰ類病害橋墩待裂縫全部修復(fù)完成后，對裂縫寬度達(dá)到0.3mm及以上的墩帽，還需采用鋼筋混凝土加厚的方式進(jìn)行加固。鑿除墩帽加固區(qū)域的排水坡，并進(jìn)行鑿毛處理；在墩帽上植筋，綁扎鋼筋網(wǎng)，支立模板，澆筑C40細(xì)石混凝土形成0.15m厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。針對Ⅱ類病害橋墩待裂縫全部修復(fù)完成后，在托盤曲面上植筋，綁扎鋼筋網(wǎng)，支立模板，在托盤底部做好滴水槽，澆筑C40細(xì)石混凝土形成0.2m厚外包鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；在墩帽上植筋，綁扎鋼筋網(wǎng)，支立模板，澆筑C40細(xì)石混凝土形成0.15m厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

6.待裂縫全部修復(fù)完成或墩帽加固完成后，采用C40細(xì)石混凝土重做防落梁附近的排水坡，厚度不小于5cm；在新舊混凝土結(jié)構(gòu)接縫部位20cm范圍內(nèi)涂刷2mm厚聚氨酯防水涂料進(jìn)行防水處理。

五、主要施工要求

(一)裂縫檢查

施工前對墩帽和托盤裂縫進(jìn)行詳細(xì)檢查，查清墩帽、托盤裂縫寬度、深度及破壞狀態(tài)，以便分析Ⅰ、Ⅱ類病害，確定維修加固處理方法。

(二)裂縫修復(fù)工藝要求

1.墩帽和托盤表面處理?；炷帘砻嫫茡p、掉塊清理、混凝土缺陷修補(bǔ)。采用混凝土修補(bǔ)破損結(jié)構(gòu)基面，遇外露鋼筋時(shí)，應(yīng)將對鋼筋進(jìn)行打磨、除銹處理，并注意將鋼筋空隙填滿。

2.修補(bǔ)微細(xì)裂縫。對混凝土結(jié)構(gòu)表面上、下部存在的所有可見干縮龜裂、膨脹龜裂及受力引起的裂縫用高強(qiáng)修補(bǔ)樹脂進(jìn)行修補(bǔ)，裂縫寬度fw<0.5mm的裂縫采用涂刷封閉處理，裂縫寬度fw≥0.5mm的裂縫進(jìn)行灌縫封閉處理。

3.裂縫灌縫封閉

裂縫化學(xué)注漿維修法采用低粘度、高抗拉強(qiáng)度環(huán)氧基灌漿材料，通過壓力(0.2-0.4MPa)將漿液注入混凝土構(gòu)件的裂縫、空洞中，通過其擴(kuò)散、膠凝、固化，達(dá)到粘結(jié)、強(qiáng)化、恢復(fù)構(gòu)件整體性的目的，裂縫注漿封閉工藝見圖3。

圖3 裂縫注漿封閉工藝

(三)植筋工藝要求

1.原有結(jié)構(gòu)鋼筋植入深度為25cm。

2.新增混凝土結(jié)構(gòu)中植筋伸入長度，墩帽不得小于10cm、托盤不得小于15cm。

3.植筋如遇鋼筋、空洞、裂縫等位置可適當(dāng)調(diào)整，但孔位與裂縫邊緣的距離不小于10cm，數(shù)量不能減少。

4.鉆孔前用鋼筋探測儀探測植筋部位鋼筋位置，嚴(yán)禁切割鋼筋，且應(yīng)盡量減小對病害墩體的損傷。

5.鋼筋按設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行下料并彎曲成型，用人工或機(jī)械進(jìn)行徹底除銹，確保植筋質(zhì)量。

(四)無機(jī)類錨固膠施工工藝

1.鉆孔：鉆孔深度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，鉆孔直徑大于植筋直徑不小于6mm。

2.清孔：成孔后先將結(jié)構(gòu)物表面的粉塵清除，用電動(dòng)毛刷深入孔中清渣，最后用細(xì)軟管將無油壓縮空氣壓入孔底徹底清除鉆渣3遍，嚴(yán)禁使用水沖洗清孔。

3.填裝：清孔、制膠及其它準(zhǔn)備工作完成后，給孔內(nèi)注入適量錨固膠，一般為孔深的三分之二。

4.植筋：將鋼筋用手錘打入孔中，確保植筋到底，抹平孔口多余植筋膠。

(五)其他

1.外包或加厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外層鋼筋保護(hù)層厚度不得小于5cm。

2.外包或加厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)層鋼筋與原有結(jié)構(gòu)間的距離不得小于4cm。

3.模板應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，能安全可靠地承受新澆筑混凝土的重力、側(cè)壓力以及列車和附著式振動(dòng)器的振動(dòng)荷載。

4.加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)，防止產(chǎn)生早期裂紋。

六、結(jié)語

目前在其它一些線路既有線改造中，接觸網(wǎng)立柱、防落梁設(shè)備安裝在墩頂頂帽上，同樣存在類似凍脹開裂等病害，經(jīng)過多年反復(fù)凍融循環(huán)導(dǎo)致裂縫寬度和深度不斷加大，病害日趨嚴(yán)重影響行車安全，采用裂縫封閉、注漿，對墩帽托盤加固，重做墩頂排水坡和防水層的方法，施工工藝簡單，整治徹底。本文通過對集包鐵路第二雙線上橋墩墩帽和托盤病害維修加固方案及施工注意事項(xiàng)的論述，以期對今后的橋梁墩帽及托盤整治加固技術(shù)有所借鑒。