橋梁水中樁基病害處治方案探討

林建茂

（1.福建省交通科研院有限公司；2.福建省路翔工程設(shè)計(jì)有限公司；3.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350004）

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展, 我國(guó)已成為名副其實(shí)的橋梁基建大國(guó)。 橋梁號(hào)稱為道路的“咽喉”,其建設(shè)質(zhì)量的好壞直接影響人民生命財(cái)產(chǎn)安全保障問題。 然而,由于早期設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、施工質(zhì)量、運(yùn)營(yíng)管理水平等因素導(dǎo)致大部分橋梁均存在不同程度的質(zhì)量缺陷。 樁基作為橋梁的承重結(jié)構(gòu)之一,同時(shí)也是極易出現(xiàn)病害的構(gòu)件,如河床下切、海水侵蝕、鋼筋外露銹跡等因素均會(huì)導(dǎo)致樁基承載力下降等嚴(yán)重問題,給社會(huì)帶來了重大安全隱患。

本文以某在役的跨江橋梁水中樁基病害維修加固為工程背景,詳細(xì)分析了水中樁基病害誘因、并對(duì)常見的樁基病害處治方法進(jìn)行比選、 以及探討施工過程應(yīng)注意的事項(xiàng),該研究可為同類橋梁的樁基維修處治提供參考。

1 工程概況

某跨江橋建成于2004 年,全長(zhǎng)485m,Ⅳ級(jí)航道,橋梁橋跨布置為[(5×35)+(45+80+45)+4×35]m,其中主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室箱形變截面連續(xù)剛構(gòu), 主孔下部為薄壁雙肢墩,群樁基礎(chǔ)；引橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土T形截面連續(xù)梁,下部結(jié)構(gòu)為柱式墩,鉆孔樁基礎(chǔ),樁基混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)均為C25。 設(shè)計(jì)行車荷載為超汽-20 級(jí), 掛-120。

該橋4#～8# 墩常年處于水中,共有14 根樁基,分別為6 根直徑1.8m 和8 根直徑2.0m 兩種形式, 樁長(zhǎng)28.3m～43.7m,局部水深達(dá)到9.8m。 平均水流速度1.8m/s,受上游水口電站泄洪及潮水影響,水流變化復(fù)雜,高低水位差約2.5m。 通過對(duì)其水下樁基進(jìn)行專項(xiàng)攝影檢測(cè),發(fā)現(xiàn)該橋水中樁基均存在不同程度的混凝土剝落、露石、鋼筋網(wǎng)銹蝕外露等嚴(yán)重病害,嚴(yán)重威脅到橋梁的正常使用功能。 其中典型樁基病害示意見圖1～2。

圖1 豎筋、箍筋外露、銹蝕

圖2 樁基頂部混凝土剝落、鋼筋網(wǎng)外露

2 樁基病害分析

2.1 施工質(zhì)量缺陷

通過對(duì)14 根樁的病害位置對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),水中樁基頂部區(qū)域均出現(xiàn)系統(tǒng)性的鋼筋網(wǎng)外露,如圖2 所示。 其主要原因可歸為以下兩方面：

(1)鉆孔灌注樁灌注過程中,樁頂混凝土超灌量沒有滿足規(guī)范要求的0.8m 以上,使得砍樁后的樁頂段含有大量的浮渣、混凝土酥松等現(xiàn)象,最終導(dǎo)致樁頂區(qū)域混凝土強(qiáng)度沒有滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)樁基頂部處于水面線處,常年受潮汐水位變化影響,樁基表面干濕不斷交替、水中攜帶的有害雜質(zhì)與空氣中的氯離子等混合作用加速浪尖區(qū)段混凝土的剝落速率。

2.2 混凝土劣化

樁基采用的混凝土材質(zhì)是一種不均勻的多空隙材質(zhì), 該介質(zhì)處于水中不可避免受到外界有害介質(zhì)的侵蝕或者導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷而發(fā)生劣化。 混凝土材質(zhì)出現(xiàn)劣化主要與以下三個(gè)因素有關(guān)[1-2]：

(1)氯離子和硫酸根有害離子侵蝕。 當(dāng)氯離子遇到鋼筋時(shí)形成閉合電路,使得鋼筋發(fā)生銹蝕、膨脹、脹裂；硫酸根離子與混凝土材料中的鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 生成高硫型水化鋁酸雜質(zhì),促進(jìn)樁身混凝土體積不斷增大,最后脹裂。

(2)混凝土材料成分中的活性氧化硅與堿性氧化物反應(yīng)生成硅酸鹽膠凝,遇水后會(huì)不斷地吸水。體積無限膨脹,從而導(dǎo)致混凝土脹裂。

(3)樁基長(zhǎng)期處于水中,江水溫度不斷地變化,會(huì)使得樁基混凝土一直處于凍融循環(huán)交替模式, 最終使得樁身表面出現(xiàn)混凝土剝落等病害。

2.3 鋼筋保護(hù)層不足

引起水下樁基鋼筋銹蝕的最根本因素是江水中含有大量的氯離子,當(dāng)鋼筋保護(hù)層厚度不足時(shí),混凝土碳化深度達(dá)到鋼筋表面時(shí),外界氯離子就環(huán)繞在鋼筋四周,逐步侵蝕鋼筋表面的鈍化膜,一旦鈍化膜出現(xiàn)損傷后,在雜質(zhì)的作用下,局部鋼筋就會(huì)形成銹蝕電池,從而加速鋼筋銹蝕速率。

2.4 水流沖刷

該河流隨水文環(huán)境變化顯著, 容易出現(xiàn)河床沖刷現(xiàn)象, 表現(xiàn)為樁基河床四周巖土不斷地被水流沖刷剝落,使得河床面不斷地下切。 另一方面,當(dāng)樁基外露的面積增大后,在江水侵蝕介質(zhì)等雜物作用下,也會(huì)加劇病害的發(fā)展速度,導(dǎo)致樁基耐久性出現(xiàn)大幅度的下降。

3 樁基病害處治方案比選

目前, 常見的樁基病害維修處治方法主要有水下玻纖套筒、增大樁基截面法和鋼套筒法三大類。以下分別對(duì)這三類方法特點(diǎn)展開分析。

3.1 玻纖套筒法

玻纖套筒法又稱為“夾克法”,是近年來一種新型的水下樁基修復(fù)和防護(hù)方式, 主要由玻纖套筒和環(huán)氧灌漿料組成,適用于混凝土樁、鋼管樁、木樁等材質(zhì)耐久性處治。 該處治方案具有防腐蝕性能好、耐久性高、施工操作便捷(不需要圍堰等輔助措施)等優(yōu)勢(shì)[3]。 其主要施工工藝流程： 放樣測(cè)量→工廠定做玻纖套筒→表面處理→玻纖套筒安裝→底部密封條安裝→泵送灌漿料灌注→頂部密封→完成。 維修處治示意見圖3。

圖3 水下玻纖套筒樁基處治示意圖

3.2 鋼護(hù)筒法

鋼護(hù)筒法是一種適用于樁基長(zhǎng)期受水流沖刷嚴(yán)重、樁基受外力漂流物撞擊等影響導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)各種病害,為了保證結(jié)構(gòu)的安全性能,而在其外圍套箍一層鋼護(hù)筒,并往空隙灌注水下混凝土的一種修復(fù)方法。 其施工工藝主要流程： 樁基表面雜物鑿除→鋼護(hù)筒定制及安裝→灌漿導(dǎo)管安裝→混凝土澆筑→導(dǎo)管拆除→完成。 處治示意圖見圖4。

圖4 鋼護(hù)筒增大樁基截面示意圖

3.3 增大截面法

增大截面法是一種傳統(tǒng)的樁基維修處治方法。 該修復(fù)方法適用于樁基病害較為嚴(yán)重、 嚴(yán)重影響到結(jié)構(gòu)的正常使用功能,為了降低橋梁的安全隱患,確保行車安全,改善樁基的安全使用壽命而采取的一種加固維修方法。 但該方法處治總體費(fèi)用高,需要搭設(shè)棧橋、圍堰等輔助措施,工期較長(zhǎng)[4]。 其施工工藝主要流程： 施工準(zhǔn)備→施工便道→圍堰施工→搭設(shè)施工平臺(tái)→鑿除缺陷混凝土→植筋掛網(wǎng)→澆筑混凝土→養(yǎng)護(hù)→完成。 維修處治示意見圖5。

圖5 增大樁基截面示意圖

3.4 方案比選

玻纖套筒法是一種采用新型化學(xué)材料處治的方法,可有效改善原有結(jié)構(gòu)的耐腐蝕、鹽堿、抗凍融等外界環(huán)境因素影響, 但該方法采用新材料其加固質(zhì)量效果有待進(jìn)一步考驗(yàn)；鋼護(hù)筒法技術(shù)較為成熟,處治質(zhì)量也較為理想,但該方法不適用于深水環(huán)境, 施工安全得不到有效保障,且需要較大的操作空間,在群樁式樁基中無法展開；增大截面法是一種傳統(tǒng)的處治方法, 該方法對(duì)樁基處治不受水深影響,且加固質(zhì)量可得到充分的保障,但需要輔助措施,總體造價(jià)昂貴[5]。 分別從加固效果、施工難度、工期和費(fèi)用等方面進(jìn)行三種處治方案比選,詳見表1。

表1 三種處治方案比選

綜合各方面因素權(quán)衡考慮, 建議采用玻纖套筒法處治方案,可最大程度降低施工對(duì)周邊環(huán)境的影響、造價(jià)最低,且施工安全有保障,較為適合本項(xiàng)目實(shí)際情況。

4 玻纖套筒施工技術(shù)要點(diǎn)

嚴(yán)格把控好玻纖套筒處治法施工過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié),是保證樁基加固質(zhì)量的最重要途徑。 實(shí)踐表明樁基舊表面處治、玻纖套筒安裝、灌漿料三個(gè)環(huán)節(jié)是該方法處治的核心工藝環(huán)節(jié)。

4.1 樁基舊表面處治

能否將樁基表面的舊雜物清洗干凈, 是影響處治后玻纖材料與樁基形成整體性的一個(gè)關(guān)鍵。 由于樁基長(zhǎng)期處于水中,表面有大量微生物、苔蘚和泥土等雜物附著,需要潛水員用鋼絲等工具潛入水中對(duì)其表面認(rèn)真清理干凈,直至樁基表面露出新鮮的混凝土,并采用高壓水槍對(duì)其沖洗干凈。

4.2 玻纖套筒安裝

玻纖套筒材料是由專業(yè)的廠家生產(chǎn)定制, 運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施前,應(yīng)嚴(yán)格檢查相關(guān)產(chǎn)品證書,并現(xiàn)場(chǎng)再次抽樣檢查,對(duì)不合格的產(chǎn)品,一律禁止使用。產(chǎn)品經(jīng)過驗(yàn)收合格后,采用配套的固定限位器,確保套筒與樁基間距一致,并控制好緊固帶和不銹鋼釘?shù)拈g距,保證玻纖套筒安裝牢固、不偏位。

4.3 灌漿料

灌漿料包括兩個(gè)內(nèi)容, 一是指環(huán)氧灌漿料材料的配制,二是指灌漿料灌注過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)。 拌制灌漿料時(shí),應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)配合比攪拌,采用精度較高儀器稱量,且裝料桶應(yīng)是干凈的空桶, 每次添加的拌制灌漿料不宜過多,以免造成浪費(fèi)和配合比不準(zhǔn)確,并控制好拌和料的均勻性,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將其用完,以免材料發(fā)生變異。

灌注過程中應(yīng)時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)套筒的密封情況, 若出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象因立即停止,并采取有效措施堵塞后,方可繼續(xù)灌注；第一次灌注封底灌漿料高度宜為15cm 后暫停,待封底灌漿料固化后方可繼續(xù)灌注剩余的水下環(huán)氧灌漿料。澆筑過程中應(yīng)控制好速度,避免速度過快,導(dǎo)致玻纖套筒與樁基之間出現(xiàn)真空現(xiàn)象, 另一方面要多次插導(dǎo)導(dǎo)管保證灌漿料的密實(shí)度,直至套筒內(nèi)的水全部排干為止。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)有的跨江橋梁樁基均存在不同程度的質(zhì)量缺陷,其病害處治方案是否合理, 直接關(guān)乎到整個(gè)橋梁的使用壽命與安全。 設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合實(shí)際橋梁狀況準(zhǔn)確分析病害產(chǎn)生的誘因,并綜合考慮處治后的質(zhì)量、可行性以及經(jīng)濟(jì)效益等因素,從而做出相應(yīng)的處治方案。