高鐵橋梁沉降位移變形病害整治技術(shù)研究

水晶明

（中鐵二十五局集團(tuán)第二工程有限公司 江蘇南京 210046）

1 工程概況

白臘寨2＃四線大橋處于白臘寨四線明硐與營(yíng)盤山隧道之間，橋長(zhǎng)265.28 m，最大墩高37 m。橋上線路為四線變?nèi)€，設(shè)計(jì)采用（1×24＋1×32＋6×32）m連續(xù)梁。4＃～5＃墩樁基按摩擦樁設(shè)計(jì)，其余墩按柱樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。橋址區(qū)斜坡較陡，砂巖夾泥（頁）巖全風(fēng)化帶厚度較大。受近幾年降雨量增大尤其是雨季長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)降雨的影響，斜坡覆土及基巖全風(fēng)化帶容重增加、力學(xué)強(qiáng)度降低，加之人工棄土和攔石墻加載的不利影響，攔石墻與橋梁范圍巖土體（覆土及砂巖夾泥巖全風(fēng)化帶）產(chǎn)生向右側(cè)的蠕動(dòng)變形（未形成滑動(dòng)面），進(jìn)而推擠橋梁承臺(tái)向右側(cè)偏移。經(jīng)一年坡面及橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，期內(nèi)發(fā)生了30～40 mm的橫向位移；3號(hào)墩墩頂豎向下沉20～30 mm，同時(shí)3號(hào)墩附近出現(xiàn)梁底裂紋、掉皮、支座灌漿層開裂等病害情況。橋址地形及地質(zhì)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 橋址地形及地質(zhì)構(gòu)造

2 整治施工總體步驟

為防止邊坡在雨季繼續(xù)發(fā)生周期性蠕變累積對(duì)橋梁安全造成不利影響，應(yīng)在下一個(gè)雨季前實(shí)施完成綜合整治，徹底阻止病害繼續(xù)發(fā)展，確保鐵路長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全。

（1）為預(yù)防坡體蠕變及3號(hào)墩側(cè)臨時(shí)樁基開挖期間的擾動(dòng)引起3號(hào)墩產(chǎn)生較大幅度沉降危及梁體和運(yùn)營(yíng)安全，首先對(duì)3號(hào)墩梁體進(jìn)行適度頂升，為后續(xù)整治過程中可能出現(xiàn)的擾動(dòng)預(yù)留變形富裕量。

（2）3號(hào)墩第一次頂梁完成后，在3號(hào)墩兩側(cè)施工8根臨時(shí)支撐柱用樁基（永臨結(jié)合），安裝鋼管混凝土支撐柱排架，并采用千斤頂與梁部頂緊，使新增支撐柱與3號(hào)墩共同受力。

（3）利用3號(hào)墩側(cè)新增的8根臨時(shí)樁基對(duì)承臺(tái)幫寬包護(hù)，對(duì)3號(hào)墩基礎(chǔ)進(jìn)行加強(qiáng)。

（4）對(duì)梁體進(jìn)行整體頂升，更換支座上墊板并解除2～7號(hào)墩橫向約束，橫向調(diào)整梁體回位，釋放梁體應(yīng)力應(yīng)變，為邊坡施工時(shí)墩臺(tái)變形預(yù)留冗余度。

（5）對(duì)邊坡進(jìn)行加固整治，阻止蠕變繼續(xù)發(fā)生。

（6）邊坡整治完成后，對(duì)連續(xù)梁進(jìn)行整體頂升及橫向二次糾偏，使梁體及軌道線形盡量恢復(fù)至設(shè)計(jì)狀態(tài)，并對(duì)梁體裂紋、掉皮、支座灌漿層開裂等細(xì)小病害進(jìn)行修補(bǔ)。

3 病害整治關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 梁體臨時(shí)頂升

在3號(hào)墩臨時(shí)支撐方案施工前，先對(duì)3號(hào)墩支座進(jìn)行頂升，消除大部分支座沉降引起的梁體不利受力情況，為后續(xù)整治過程中可能出現(xiàn)的擾動(dòng)預(yù)留變形富裕量。根據(jù)目前觀測(cè)的沉降量（20～24 mm），以及橫向支座限位擋塊的高度 （35～50 mm），確定初步頂升20 mm。3號(hào)墩梁體頂升后，在梁體底部抄墊鋼支撐，防止意外落梁［1］。采用鋼墊塊進(jìn)行臨時(shí)支撐，在梁底設(shè)置鋼墊板，墩頂設(shè)置鋼墊塊，鋼墊塊和鋼墊板之間設(shè)置聚四氟乙烯滑板。臨時(shí)支撐布置如圖2所示。

圖2 臨時(shí)支撐布置

3.2 3號(hào)墩支撐排架技術(shù)方案

3號(hào)墩附近設(shè)置臨時(shí)支撐，防止3號(hào)墩發(fā)生意外落梁危及梁體和運(yùn)營(yíng)安全。該臨時(shí)支撐需要滿足三個(gè)條件：一是足夠的承載能力和剛度；二是合理的位置；三是支架基礎(chǔ)距離既有樁基需有合理凈距。支架方案選型見表1。

表1 支架方案選型

在承臺(tái)附近選取支撐點(diǎn)雖然對(duì)梁體受力有利，但基礎(chǔ)距既有樁基太近，基礎(chǔ)施工對(duì)既有樁基礎(chǔ)影響巨大，需在兩者之間尋找合適位置。根據(jù)地質(zhì)最新評(píng)估資料，在距既有樁基3.7 m凈距（2.5倍樁徑）設(shè)置臨時(shí)支墩可行，具體方案如下：

設(shè)置8根φ1 200×10 mm鋼管，內(nèi)填C40微膨脹混凝土，墩縱向設(shè)置兩層φ900×10 mm鋼管連接，橫向設(shè)置3層φ500×10 mm連接，并設(shè)置型鋼剪刀撐，保證臨時(shí)墩穩(wěn)定性。在橫梁上對(duì)應(yīng)箱梁腹板位置設(shè)置臨時(shí)支點(diǎn)，并在臨時(shí)支點(diǎn)前后側(cè)布設(shè)千斤頂。臨時(shí)墩采用1.75×2 m挖孔樁基礎(chǔ)，挖孔樁基礎(chǔ)在病害整治完成后作為3號(hào)墩永久基礎(chǔ)。在挖孔樁上設(shè)置深部位移監(jiān)測(cè)裝置，進(jìn)行深部位移監(jiān)控。臨時(shí)支點(diǎn)和千斤頂上方設(shè)置聚四氟乙烯板，保證梁體可自由變形，避免對(duì)臨時(shí)支墩產(chǎn)生縱橫向力等不利影響。支架布置如圖3所示。

圖3 臨時(shí)支撐排架布置

3.3 橋墩基礎(chǔ)幫寬加固

地質(zhì)補(bǔ)勘揭示因差異風(fēng)化，3號(hào)墩樁端以下的強(qiáng)（全）風(fēng)化夾層局部有增厚現(xiàn)象，厚7.0 m，距離樁端最小距離約1 m，地表水沿破碎巖體下滲后導(dǎo)致樁端下伏強(qiáng)（全）風(fēng)化砂巖夾泥巖、頁巖進(jìn)一步軟化，可能會(huì)產(chǎn)生塑性流變或壓縮。因此，對(duì)3號(hào)墩基礎(chǔ)采取幫寬加樁措施。

利用既有承臺(tái)四周1.75×2 m臨時(shí)支撐挖孔樁，植筋幫寬承臺(tái)，輔助既有橋墩基礎(chǔ)共同受力，抑制沉降。挖孔樁按 1、3、5、7和 2、4、6、8分兩批施工，如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)幫寬加固斷面示意

3.4 箱梁頂升糾偏

（1）頂升流程

頂升流程如圖5所示。

圖5 頂升流程

（2）頂升控制系統(tǒng)

采用PLC計(jì)算機(jī)液壓同步頂升控制系統(tǒng)。通過稱重由液壓千斤頂精確地按照橋梁的實(shí)際荷重，平穩(wěn)頂舉梁體，使頂升過程中橋梁受到的附加應(yīng)力下降至最低，同時(shí)液壓千斤頂根據(jù)位置進(jìn)行分組，與相應(yīng)的位移傳感器（光柵尺）組成位置閉環(huán)，以便控制橋梁頂升的位移和姿態(tài)，同步精度為±0.1 mm，確保頂升時(shí)梁體結(jié)構(gòu)安全［2－5］。

根據(jù)梁體結(jié)構(gòu)及支座布置位置，在每孔簡(jiǎn)支箱梁?jiǎn)蝹?cè)布置4臺(tái)豎向頂升及橫移一體裝置，在每孔T梁?jiǎn)蝹?cè)布置1臺(tái)豎向頂升及橫移一體裝置，每組設(shè)1個(gè)位移監(jiān)控控制點(diǎn)。頂升安全儲(chǔ)備系數(shù)不小于1.6。頂升橫移裝置構(gòu)造如圖6所示［6－10］。

圖6 頂升橫移裝置構(gòu)造

（3）頂升反力基礎(chǔ)及頂升上部支撐點(diǎn)

利用原橋墩頂部作為豎向頂升千斤頂反力基礎(chǔ)，墩柱頂面用砂漿找平并墊20 mm厚鋼板作為下支撐點(diǎn)；梁底部用20 mm厚鋼板墊平作為整體頂升千斤頂上支撐點(diǎn)。通過支墊厚鋼板增大千斤頂對(duì)梁底和橋（墩）臺(tái)混凝土的接觸面積，確保強(qiáng)度安全系數(shù)大于1.5，避免應(yīng)力集中對(duì)梁底造成破壞。頂升橫移一體裝置下部鋼板與橫向水平千斤頂連接為整體，下部鋼板作為水平頂推的反力結(jié)構(gòu)［11］。

（4）同步頂升監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

同步頂升前，采用拉線式位移傳感器安裝在支座兩側(cè)位置處，每個(gè)支座處安裝1個(gè)傳感器。頂升前先對(duì)監(jiān)控點(diǎn)高程及平面坐標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量記錄，以便及時(shí)掌握高程變化情況。為避免上部結(jié)構(gòu)因受力不均勻和頂升不同步造成的豎向變形超出現(xiàn)狀橋梁撓度，必須保證每墩臺(tái)的所有千斤頂同步頂升，頂升高度偏差小于1 mm。通過傳感器反饋的數(shù)據(jù)可以直觀地觀測(cè)異常數(shù)據(jù)，且同步頂升系統(tǒng)可以第一時(shí)間對(duì)超限點(diǎn)位做出緊急處理［12］。

（5）豎向頂升

試頂完成后，觀察若無問題，則可以進(jìn)行正式頂升。正式豎向頂升以1 mm／次進(jìn)行，每頂升1 mm后檢查支座是否脫空，直至支座全部脫空后結(jié)束頂升，進(jìn)入飽壓狀態(tài)。整個(gè)頂升過程通過PLC同步頂升系統(tǒng)控制，監(jiān)測(cè)點(diǎn)同步誤差控制1 mm以內(nèi)。依據(jù)電腦采集的數(shù)據(jù)，利用油泵的液壓油輸出量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)頂升速度、高度的控制。頂升速度不大于1 mm／min。整體頂起梁體至設(shè)計(jì)高程立即停止，關(guān)閉鎖止閥。

（6）橫向移梁

頂推滑移面設(shè)置在頂升橫移一體裝置內(nèi)部，采用兩塊鋼板鑲嵌為一體，接觸面拋光后涂抹潤(rùn)滑油，經(jīng)過試驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)約為0.1。橫移千斤頂利用既有支座墊石做為反力點(diǎn)，當(dāng)豎向頂升達(dá)到設(shè)計(jì)值后進(jìn)行梁體橫向頂推。

（7）更換支座上座板、調(diào)整支座

橋梁支座由于受到梁體橫向位移和豎向沉降影響，需要更換4?！?0＃墩支座上座板，同時(shí)加大多向活動(dòng)支座、橫向活動(dòng)支座橫向位移量，并對(duì)固定支座、縱向活動(dòng)支座設(shè)置橫向可調(diào)整套環(huán)，以適應(yīng)可能出現(xiàn)的橫向變形。

支座更換時(shí)，待橫向頂梁達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，支座上座板螺栓卸載后，松開支座上座板螺栓，在支座上座板與梁體脫開后采用橫向千斤頂卸載，梁體自由橫向變形后，將原上座板沿順橋向取出，將支座位置及周圍雜物清理干凈，更換新定制的支座上座板。

（8）落梁

支座更換處理施工完畢，各墩支座根據(jù)上下座板相對(duì)位置進(jìn)行校準(zhǔn)后，各豎向千斤頂同時(shí)繼續(xù)向上頂升1 mm，油缸緩慢回收，同步分級(jí)抽取臨時(shí)鋼支撐及墊板，緩慢落梁就位。落梁時(shí)由現(xiàn)場(chǎng)頂升總指揮統(tǒng)一指揮，以2 mm為一級(jí)緩慢回落，逐級(jí)退出臨時(shí)支撐墊塊，使梁體均勻落下。梁體下落后應(yīng)仔細(xì)檢查支座是否有懸空現(xiàn)象，如果發(fā)生懸空，需重新將梁體同步頂起，在懸空支座下夾墊相應(yīng)規(guī)格鋼板。

（9）軌道調(diào)整

因梁體調(diào)整后原軌道會(huì)出現(xiàn)水平和方向偏差，根據(jù)鐵路技術(shù)規(guī)范要求對(duì)線路進(jìn)行調(diào)整。達(dá)到要求后方可開通線路，并逐步由慢行提速至常規(guī)運(yùn)行速度。

4 結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)分析

變形整治完成后，對(duì)梁面和軌道沉降、位移變形進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，驗(yàn)證整治效果，確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

4.1 橋梁橫向變形監(jiān)測(cè)與分析

利用橋梁竣工建立的軌道控制網(wǎng)CPⅢ，對(duì)橋面位移變形進(jìn)行持續(xù)變形觀測(cè)。各墩位移如圖7所示。

圖7 各墩橫向位移變形曲線

移梁后，全橋梁體基本歸位，達(dá)到規(guī)范要求。

4.2 橋梁豎向變形監(jiān)測(cè)與分析

利用軌道控制網(wǎng)CPⅢ對(duì)橋梁沉降變形進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)。橋面沉降變形呈周期性振蕩趨勢(shì)，但無明顯發(fā)展趨勢(shì)。周期性振蕩是由于溫度變化導(dǎo)致墩身伸縮所致。

5 結(jié)束語

本工程通過對(duì)坡體、承臺(tái)進(jìn)行加固，結(jié)合箱梁頂升校正技術(shù)對(duì)橋梁進(jìn)行綜合整治，有效控制橋梁沉降和位移，確保了整治期鐵路運(yùn)營(yíng)安全，恢復(fù)了鐵路橋梁、線路的設(shè)計(jì)狀態(tài)，并結(jié)合工后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了整治技術(shù)方案的可行性。

（1）采取兩階段頂升校正、二次糾偏調(diào)整技術(shù)，有效確保整個(gè)加固整治期間高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，使梁體及軌道線形恢復(fù)至設(shè)計(jì)狀態(tài)。

（2）通過持續(xù)的變形觀測(cè)，對(duì)加固整治措施的有效性進(jìn)行跟蹤驗(yàn)證，證明經(jīng)過整治加固后，橋梁結(jié)構(gòu)變形在允許誤差之內(nèi)，驗(yàn)證了本沉降變形病害整治技術(shù)可靠有效。

（3）為確保鐵路長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全，必須對(duì)邊坡蠕變位移情況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，防止因雨水、地震等因素影響導(dǎo)致變形超標(biāo)，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，并及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)山體采取進(jìn)一步的加固措施。