運(yùn)營(yíng)期軌道交通橋梁支座病害治理方法研究

李 強(qiáng) 朱 力

（北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 北京 100044）

1 引言

目前，城市軌道交通行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入集中跨越式發(fā)展階段[1]。北京是全國(guó)最早建設(shè)軌道交通的城市，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，北京市進(jìn)一步加快了軌道交通建設(shè)，截止2018年初，北京軌道交通交付運(yùn)營(yíng)里程達(dá)609 km，其中橋梁總長(zhǎng)約150 km，約占總運(yùn)營(yíng)里程的25%。隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加，橋梁病害數(shù)量呈逐年增加的趨勢(shì)，尤其是橋梁支座病害更為突顯。

2 支座病害治理的重要性和特殊性

2.1 重要性

隨著北京軌道交通橋梁運(yùn)營(yíng)年限的增加和交通量的增大，橋梁支座在使用過(guò)程中出現(xiàn)了各種病害，其中板式橡膠支座主要病害有:裂紋、鋼板外露、不均勻鼓凸與脫膠、支座脫空、超限剪切和支座位置串動(dòng)等；盆式橡膠支座主要病害有:鋼件出現(xiàn)變形并開(kāi)裂、鋼件脫焊、聚四氟乙烯板磨損、位移超限、轉(zhuǎn)角超限、錨栓剪斷和鋼盆銹蝕等。橋梁支座是連接橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的重要組成部件，它能夠?qū)⑸喜拷Y(jié)構(gòu)的恒載和活載可靠地傳遞給墩臺(tái)[2]，同時(shí)承受梁體端部水平移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等造成的復(fù)雜荷載，還能減輕上部結(jié)構(gòu)震動(dòng)對(duì)下部結(jié)構(gòu)的不利影響[3]。由此可見(jiàn)，支座的安全可靠直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全可靠，一旦發(fā)生較嚴(yán)重病害，將嚴(yán)重影響橋梁的承載能力和使用壽命，甚至引起坍塌事故，所以支座病害對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全構(gòu)成了極大的隱患[4]。為此，支座病害的治理已經(jīng)成為橋梁養(yǎng)護(hù)維修的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

2.2 特殊性

運(yùn)營(yíng)期間軌道交通橋梁支座病害的治理方法，除了要考慮到可靠性和有效性，確保治理工程的質(zhì)量和安全之外，還應(yīng)保證軌道交通的正常運(yùn)營(yíng)，在不影響正常運(yùn)營(yíng)或盡量縮短中斷交通時(shí)間的條件下完成治理工作[5]。因此軌道交通支座病害治理工作有以下兩個(gè)主要特點(diǎn):（1）治理時(shí)間緊，支座病害治理必須在每天中的運(yùn)營(yíng)結(jié)束后進(jìn)行，按照北京軌道交通運(yùn)營(yíng)時(shí)間表，北京軌道交通的日有效治理時(shí)間僅為3.5 h，這對(duì)治理工序提出了很高的要求；（2）各項(xiàng)參數(shù)控制要求高，每日治理工作后的軌道交通必須滿足第二天正常運(yùn)營(yíng)要求，治理工作不能對(duì)軌道線路、接觸軌、波導(dǎo)管、步行板、聲屏障等設(shè)備設(shè)施產(chǎn)生影響，為此，各項(xiàng)參數(shù)要以毫米級(jí)來(lái)進(jìn)行控制。

3 治理方法研究

軌道交通治理的特殊性對(duì)軌道交通病害支座的治理提出了更高的要求。目前北京軌道交通采取以下三種方法對(duì)支座病害進(jìn)行治理:一是橋梁同步頂升法，主要針對(duì)發(fā)生嚴(yán)重的轉(zhuǎn)角超限、位移超限、剪切超限及鋼襯板脫空的病害支座；二是橋梁預(yù)頂升+灌漿料修復(fù)墊石法，主要針對(duì)上墊石嚴(yán)重腐蝕破損的病害支座；三是墊石局部加固補(bǔ)強(qiáng)法，主要針對(duì)下墊石脫空的病害支座。下面對(duì)各方法進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 同步頂升法

首先要對(duì)病害支座所在橋梁、墩臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)，掌握其結(jié)構(gòu)狀態(tài)，同時(shí)對(duì)梁體的受力情況進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)不同的上部結(jié)構(gòu)形式制定相應(yīng)的頂升方案，確定頂升位置、頂升量和頂升力。此外，由于各主梁間的橫向聯(lián)系等結(jié)構(gòu)將上部結(jié)構(gòu)連成了一個(gè)整體，因此必須進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)整體同步頂升，梁體才不會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、負(fù)彎矩超限等問(wèn)題，從而保證上部結(jié)構(gòu)的安全[6]。自2011年以來(lái)，北京市軌道交通在運(yùn)營(yíng)期間采用同步頂升法共治理了63處病害支座，主要是板式橡膠支座和盆式橡膠支座，其中板式橡膠支座15處，盆式橡膠支座52處。

3.1.1 工藝流程

軌道交通橋梁支座病害治理同步頂升法的主要工藝流程如下所示:

施工準(zhǔn)備→搭設(shè)作業(yè)平臺(tái)→蓋梁頂標(biāo)高復(fù)測(cè)，確定頂升高度→檢查支座→荷載計(jì)算→頂升設(shè)備安裝→頂升設(shè)備調(diào)試→試頂升→正式頂升→支座拆除及清理蓋梁頂垃圾→更換支座→落梁→頂升設(shè)備拆除→拆除作業(yè)平臺(tái)，清理現(xiàn)場(chǎng)→完成作業(yè)。

3.1.2 施工過(guò)程分析

（1）頂升系統(tǒng)

同步頂升系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、高壓液壓泵、油箱、千斤頂、油管、分流器及操作控制系統(tǒng)等組成。一個(gè)泵站的流量通過(guò)分流器輸出，分別提供給多個(gè)執(zhí)行油缸，位移控制系統(tǒng)根據(jù)不同測(cè)點(diǎn)回饋的信號(hào)，控制每個(gè)油缸的帶載頂升速度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)橋梁上部結(jié)構(gòu)的同步提升動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)同步頂升的目的[7]。

（2）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、終端展示屏幕及傳感器備份系統(tǒng)。工作原理是由主控計(jì)算機(jī)通過(guò)兩個(gè)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的應(yīng)變、應(yīng)力傳感器、位移傳感器和溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示和記錄，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到現(xiàn)場(chǎng)指揮部。根據(jù)不同橋梁結(jié)構(gòu)形式，對(duì)梁體位移、主梁跨中縱向應(yīng)力、橫梁應(yīng)力、軌面高程、軌道爬行、軌道應(yīng)力和軌道溫度等內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)同步頂升的全過(guò)程監(jiān)控。

（3）頂升施工

軌道交通的頂升施工必須在停電期間進(jìn)行，而且日有效工作時(shí)間約為3.5 h。因此，必須要合理安排施工工序，并且嚴(yán)格控制每項(xiàng)步驟的作業(yè)時(shí)間。板式橡膠支座的治理一般需要一個(gè)晚上停電周期，具體施工工序和所需時(shí)間詳見(jiàn)表1；盆式橡膠支座治理一般需要兩個(gè)晚上停電周期和一個(gè)白天運(yùn)營(yíng)周期完成，具體施工工序和所需時(shí)間詳見(jiàn)表2。

表1 板式橡膠支座治理步驟及所需時(shí)間

表2 盆式橡膠支座治理步驟及所需時(shí)間

（4）支座拆除

在橋梁頂升前應(yīng)對(duì)支座螺栓進(jìn)行試擰，以保證拆除時(shí)螺栓可以順利取出，同時(shí)測(cè)量支座上下墊石之間的距離，確定支座的撤出方向。橋梁頂升到位后，先拆除支座下座板上的固定錨栓，拆除時(shí)采用電風(fēng)鎬，兩側(cè)各設(shè)一把鎬，釬頭插入下座鋼板與混凝土粘結(jié)處，兩把電風(fēng)鎬對(duì)稱同時(shí)振沖，使下座鋼板松動(dòng)并脫離墊石。當(dāng)下座鋼板松動(dòng)后，依次拆除上座板的固定錨栓，使上座板整體落在下座板上，再用螺栓連接固定拆下的支座，通過(guò)自制導(dǎo)軌將其拿出，再由吊車(chē)吊下運(yùn)走。自制導(dǎo)軌如圖1所示。

圖1 自制導(dǎo)軌

（5）支座安裝

施工前要提前核實(shí)原支座型號(hào)，新支座應(yīng)采用與原支座相同的型號(hào)。安裝新支座前應(yīng)對(duì)墊石頂面進(jìn)行打磨，保證其水平度，并核實(shí)螺栓孔位置及直徑。試擰支座螺栓，確認(rèn)新支座鋼板螺栓孔的直徑，準(zhǔn)確計(jì)算墊石高度，并要經(jīng)設(shè)計(jì)與監(jiān)理單位復(fù)核支座預(yù)留安裝高度，確保安裝新支座后的高度誤差小于±1 mm。

3.1.3 施工技術(shù)要點(diǎn)

對(duì)于在運(yùn)營(yíng)期間進(jìn)行的同步頂升施工主要有施工時(shí)間短、精度要求高、難度大和多工種協(xié)同作業(yè)等特點(diǎn)。所以施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)單位的計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)施工，制定詳細(xì)周密的施工組織，否則極易在施工過(guò)程中出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，為此在整個(gè)施工過(guò)程中要注意以下幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn):

（1）要精確計(jì)算千斤頂?shù)奈恢?，根?jù)不同梁體結(jié)構(gòu)形式，明確所需頂升力的大小、頂升高度及頂升步驟，頂升時(shí)進(jìn)行位移量和頂升力雙指標(biāo)控制[8]。

（2）施工前要先核對(duì)支座型號(hào)和尺寸，測(cè)量即將更換支座上下四角點(diǎn)的相對(duì)高程和支座上、下鋼板四角點(diǎn)的相對(duì)高程[9]。

（3）正式頂升前要進(jìn)行預(yù)頂升試驗(yàn)，預(yù)頂升位移不超過(guò)2 mm，試頂升期間檢查各環(huán)節(jié)是否有誤與可控。

（4）應(yīng)對(duì)頂梁處兩側(cè)各50 m范圍內(nèi)的鋼軌、扣件及道床等進(jìn)行全面檢查。

（5）施工應(yīng)盡量在軌溫16～28℃之間時(shí)進(jìn)行；禁止在0℃以下和28℃以上進(jìn)行軌道施工作業(yè)[10]。

（6）做好軌道防護(hù)設(shè)計(jì)，確保頂升過(guò)程中軌道的變形在預(yù)測(cè)范圍內(nèi)，如橋梁不能正常落梁時(shí)，仍能保證軌道安全使用，且限界仍滿足行車(chē)安全需要。

（7）頂升時(shí)，控制梁體的頂升速度，頂升速度不應(yīng)大于0.6 mm/min。

3.2 預(yù)頂升+灌漿料修復(fù)墊石法

該方法是預(yù)先使用千斤頂頂升梁體，使施加的頂壓力代替破損墊石上的支座提供的全部支座反力，支座不再受力后，對(duì)上墊石進(jìn)行剔鑿，并支模澆筑新墊石。該方法整個(gè)施工過(guò)程能夠維持梁體的現(xiàn)狀位置，施工前后不改變梁體現(xiàn)狀位置及標(biāo)高。

3.2.1 工藝流程

軌道交通橋梁支座病害治理預(yù)頂升+灌漿料修復(fù)墊石法的主要工藝流程如下所示:

施工準(zhǔn)備→搭設(shè)作業(yè)平臺(tái)→安裝千斤頂（與梁底密貼）→千斤頂預(yù)壓脫換（停運(yùn)后）→剔除墊石雜物→墊石鋼筋網(wǎng)安裝、支搭模板→支座灌漿料灌注及現(xiàn)場(chǎng)制作試塊→墊石混凝土養(yǎng)護(hù)→千斤頂卸載、密貼梁底并鎖死（強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求）→拆除模板和千斤頂→施工完成。

3.2.2 施工過(guò)程分析

千斤頂施加的頂升壓力應(yīng)為支座承載力的100%，頂升時(shí)采用壓力和位移雙指標(biāo)控制，保證梁體不產(chǎn)生大于0.5 mm的豎向位移[11]。然后對(duì)病害支座上墊石松散混凝土等進(jìn)行全部剔除，剔除前將支座的四周用無(wú)紡布或塑料布等材料嚴(yán)密包裹，防止混凝土碎渣及漿液落入支座內(nèi)。采用對(duì)支座擾動(dòng)較小的電錘等小型設(shè)備進(jìn)行剔除，剔除過(guò)程中嚴(yán)禁碰觸主梁，剔除受損混凝土并露出基層未損傷的混凝土，將墊石內(nèi)生銹鋼筋網(wǎng)去除，清除浮灰、油污及疏松物，用高壓水槍沖洗干凈，然后清理浮水及附著物。

模板安裝前，安裝新鋼筋網(wǎng)片，墊石模板采用酚醛覆膜膠合板或木質(zhì)模板，提前按照實(shí)際尺寸加工成型，并在施工前在原支座墊石位置進(jìn)行預(yù)拼裝加固，以確保結(jié)構(gòu)尺寸的正確。模板分塊加工，安裝后組合成一體，用對(duì)拉螺栓固定，并用密封膠條和快干型密封膠對(duì)模具接縫處進(jìn)行封閉。

模板經(jīng)檢查驗(yàn)收無(wú)誤后，采用TGM支座灌漿料進(jìn)行重力灌漿法施工，施工應(yīng)在軌道交通停運(yùn)后進(jìn)行。在外側(cè)模板預(yù)留灌漿孔，預(yù)裝管徑為φ50 mm的PVC管作為灌漿孔，灌漿管口要高出墊石上表面。同時(shí)在模板的頂部分別預(yù)埋兩個(gè)管徑為φ20 mm的PVC管作為排漿嘴，其中一個(gè)排漿嘴應(yīng)加彎頭，以確保脫空部位灌漿的充實(shí)。TGM支座灌漿料應(yīng)在2 h內(nèi)達(dá)到30 MPa，墊石強(qiáng)度達(dá)到要求后，卸載千斤頂脫離梁體，新支座受力開(kāi)始工作。

3.2.3 施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）由于施工時(shí)間的要求，TGM支座灌漿料抗壓強(qiáng)度要確保在2 h內(nèi)達(dá)到30 MPa。施工時(shí)要做好試塊預(yù)留工作，并及時(shí)送往實(shí)驗(yàn)室，以便及時(shí)掌握灌漿料強(qiáng)度。

（2）千斤頂采用壓力和位移雙指標(biāo)控制，施工期間保證梁體不產(chǎn)生大于0.5 mm的豎向位移。

（3）施工時(shí)要對(duì)梁體豎向位移、順橋向位移、橫橋向位移、軌道高程變化和鋼軌應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)具體的梁體形式設(shè)置相應(yīng)的預(yù)警值和控制值。

（4）模板安裝要牢固，密封性良好，確保TGM支座灌漿料不會(huì)從鋼板接縫處溢出。

（5）做好軌道、波導(dǎo)管等橋面設(shè)備設(shè)施的防護(hù)工作，確保施工過(guò)程中不對(duì)橋面設(shè)備設(shè)施造成超出限值要求的影響。

（6）由于線路日停運(yùn)時(shí)間一般為3.5 h左右，灌漿料養(yǎng)護(hù)需2 h，因此施工時(shí)間僅約為1.5 h，為此要嚴(yán)格控制節(jié)點(diǎn)工藝，細(xì)化施工時(shí)間，確保在有限的時(shí)間內(nèi)完成上墊石修復(fù)工作。

3.3 墊石局部加固補(bǔ)強(qiáng)法

該方法是采用專用灌漿料對(duì)下墊石脫空嚴(yán)重的病害支座進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)過(guò)程中梁體現(xiàn)狀位置和標(biāo)高不發(fā)生變化。

3.3.1 工藝流程

施工準(zhǔn)備→搭設(shè)作業(yè)平臺(tái)→清理脫空墊石→封閉墊石→灌漿料灌注→灌漿料養(yǎng)護(hù)→拆除封閉墊石鋼板（強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求）→施工完成。

3.3.2 施工過(guò)程分析

在軌道交通停運(yùn)后，剔除下墊石松散部分的混凝土，并將周邊清理干凈，用薄鋼板對(duì)下墊石周?chē)M(jìn)行封閉加固，然后采用高位漏斗法或壓力注漿法向脫空的下墊石注入專用灌漿料，灌注時(shí)應(yīng)保證灌料的密實(shí)性，灌漿料要與支座下鋼板和墊石緊密貼合，中間無(wú)縫隙[12]，待灌漿料強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后拆除薄鋼板，施工完成。

3.3.3 施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）灌漿料抗彎和抗壓彈性模量要與待加固構(gòu)件混凝土材料的相應(yīng)性能相近，并具有一定的流動(dòng)性，以便能夠順利注入，此外還要具有塑性膨脹和硬化膨脹雙重效應(yīng)，以保證注入后的密實(shí)性。

（2）由于施工時(shí)間的要求，灌漿料抗壓強(qiáng)度要確保在2 h內(nèi)達(dá)到20 MPa。施工時(shí)要做好試塊預(yù)留工作，并及時(shí)送往實(shí)驗(yàn)室，以便及時(shí)掌握灌漿料強(qiáng)度。

（3）封閉的薄鋼板要密實(shí)，確保灌漿料不會(huì)從鋼板接縫處溢出。

（4）由于線路日停運(yùn)時(shí)間一般為3.5 h左右，灌漿料養(yǎng)護(hù)需2 h，因此施工時(shí)間僅約為1.5 h，為此要嚴(yán)格控制節(jié)點(diǎn)工藝，細(xì)化施工時(shí)間，確保在有限的時(shí)間內(nèi)完成下墊石加固補(bǔ)強(qiáng)工作。

4 結(jié)論

目前北京軌道交通已經(jīng)采用同步頂升、預(yù)頂升+灌漿料修復(fù)墊石和墊石局部加固補(bǔ)強(qiáng)三種方法治理了將近150處橋梁支座病害，從工程效果看三種方法能夠滿足各項(xiàng)嚴(yán)格控制指標(biāo)的要求，對(duì)軌道等重要設(shè)備影響較小，治理所需時(shí)間能夠滿足正常運(yùn)營(yíng)要求，治理效果較好。通過(guò)上述分析和實(shí)踐證明，以上三種方法適用于城市軌道交通橋梁病害支座治理工作，有一定推廣意義，對(duì)城市軌道橋梁養(yǎng)護(hù)維修工作有一定參考價(jià)值。