水紅鐵路托摩地大橋開裂橋墩更換設計

劉東亮 張勇

1.中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司，西安 710054；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

水紅鐵路是貴州省六盤水市境內(nèi)的一條支線鐵路。自六盤水市鐘山區(qū)起，經(jīng)水城縣至盤縣紅果鎮(zhèn)，全長166 km，為單線Ⅰ級電氣化鐵路。1997 年12 月1 日開工，2004 年 2 月 19 日正式運營。該鐵路托摩地大橋為8 × 24 m 預應力混凝土簡支T 梁，橋梁全長211.16 m，采用150 號片石混凝土圓端形實體橋墩。檢查發(fā)現(xiàn)，6#墩高29.90 m，墩身混凝土開裂嚴重，影響行車安全，須采取整治措施。6#墩病害整治施工涉及營業(yè)線，需在高空作業(yè)，安全風險巨大，設計需首先考慮施工過程中T梁的支撐安全。

1 橋墩病害原因分析

混凝土收縮、動荷載作用、堿硅酸反應、施工環(huán)境惡劣，混凝土配合比不良、施工工藝欠佳等因素均有可能引起橋墩混凝土裂縫［1-7］。

對6#墩局部開鑿后發(fā)現(xiàn)，粗骨料與砂漿黏結不緊密，蜂窩麻面較多，表面剝離現(xiàn)象普遍?？⒐べY料顯示，6#墩混凝土施工時使用了SO3含量超標的骨料?；炷劣不^程中硅質(zhì)礦物逐漸與水泥中的鉀離子、鈉離子發(fā)生化學反應，產(chǎn)生凝膠，凝膠吸水膨脹引起混凝土嚴重開裂，導致墩身混凝土強度不足?；炷凉橇现蠸O3和硅質(zhì)礦物含量超標是病害產(chǎn)生的根本原因。

2 橋墩病害整治方案比選

通常采用鋼板或鋼筋混凝土抱箍墩身增大其截面、封閉墩身裂縫、墩身植筋、加固橋墩地基土體、加固橋墩基礎等方法［8-16］，或同時采用上述幾個方法組合來整治橋墩病害。這些方法均是基于橋墩混凝土完好而對橋墩進行病害整治，既有文獻對橋墩混凝土出現(xiàn)嚴重問題時的整治措施研究較少。本文從最大限度利用既有橋梁墩臺和梁體，確保施工安全，縮短施工工期，減少對既有運營鐵路的干擾、徹底整治病害橋墩和節(jié)省投資6 個方面考慮，提出3 個整體更換橋墩方案。

方案 1：更換 6#墩，利用原橋 8 孔 24 m T 梁。在列車正常運營條件下，先在6#墩左右兩側各增設一個矩形柱［17］，柱頂橫橋向設置雙橫梁門式框架墩［18］，然后拆除原6#墩，其余墩臺及其上部T 梁、孔跨、橋面系均維持現(xiàn)狀。

方案 2：更換 6#墩，利用原橋的 6 孔 24 m T 梁。將原橋的第 6 孔 T 梁由 24 m 改為 16 m，第 7 孔 T 梁由24 m改為32 m，原橋8×24 m T梁調(diào)整為（5×24+16+32+24）m T梁。因6#墩兩側的橋梁跨度由（24+24）m等跨改造為（16+32）m 不等跨，故需新設6#墩。架設1 孔 16 m T 梁和 1 孔 32 m T 梁時需 移 動 2 孔 24 m T 梁并改造5#和7#墩為不等跨墩。移架T梁和改造5#、7#墩在封鎖線路條件下施工。

方案3：更換原橋所有橋墩，利用原橋的7 孔24 m T梁。將原橋由8×24 m T梁調(diào)整為（1×12+7×24+1 × 12）m T 梁。利用原橋的 7 孔24 m T 梁和 2 個原橋臺，新設8 個橋墩和2 孔12 m T 梁。新設墩均位于梁跨中間，新設墩施工期間列車正常運營，移架T梁在封鎖線路條件下施工。所有24 m T 梁均須移位重新架設，原橋墩全部廢棄。

三個方案優(yōu)缺點對比見表1?？梢姡悍桨? 最優(yōu)，因此托摩地大橋橋墩病害整治最終采取方案1進行設計并組織實施。

表1 三個方案優(yōu)缺點對比

3 細部設計

門式框架墩主要由樁基礎、承臺、墩柱、橫梁、支撐塊、支撐縱梁、橋墩頂帽等組成，如圖1所示。

圖1 門式框架墩示意

3.1 橋墩基礎

以原6#墩承臺（橫橋向13.70 m、縱橋向11.50 m）為中心，沿橫橋向設置2個縱橋向長7.30 m、橫橋向?qū)?.70 m、高2.50 m 的新承臺，與原6#墩承臺間留出0.20 m 的縫隙，便于門式框架墩柱施工和原6#墩的拆除。每個承臺下設4 根直徑1.50 m 的鉆孔灌注樁基礎，樁長10.00 m。承臺頂與原設計承臺頂平齊。

3.2 墩柱

在2 個新承臺上各設一個矩形門式框架墩柱，縱橋向長4.00 m、橫橋向?qū)?.00 m，柱高（等截面段）24.90 m。墩柱與每道橫梁連接處設長2.50 m、高0.85 m 的加腋，用于增強抗剪功能，減少結構因受力產(chǎn)生的扭曲效應。柱頂鋼筋綁扎長度適當加長，深入橫梁位置。

3.3 橫梁

在矩形墩柱頂外側，沿橫橋向設置兩道凈跨16.40 m、高2.50 m、寬1.20 m 的橫梁，兩道橫梁間沿縱橋向空出2.40 m 寬，原6#墩拆除前位于空中間。原6#墩的頂帽在門式框架墩橫梁施工過程中用于支撐24 m T 梁。施工橫梁混凝土時預設鋼筋，與后續(xù)門式框架墩頂帽鋼筋綁扎在一起。澆筑橫梁混凝土時通過柱頂鋼筋將橫梁與門式框架墩柱固結在一起。

3.4 支撐塊

在鑿除原6#墩頂帽處部分混凝土和施工門式框架墩頂帽前，需將24 m T梁的支撐點從距梁端0.30 m處向跨中移動1.75 m，由支座支撐改為鋼支墩臨時支撐，完成T梁的第一次支撐轉(zhuǎn)換，如圖2所示。

圖2 鋼支墩臨時支撐T梁示意

臨時支撐由支撐塊和鋼支墩同時承擔。為減小鋼支墩的支撐高度，增強其支撐T梁的穩(wěn)定性，在兩道橫梁頂面T梁中線處各設置一個長1.00 m、寬0.50 m、高0.50 m 的鋼筋混凝土支撐塊。支撐塊與鋼支墩臨時支撐T梁，騰出24 m T梁梁底支座處的空間。

3.5 支撐縱梁

先鑿除原6#墩頂帽部分混凝土作為施工空間，然后沿縱橋向在兩片T梁原支座支撐處穿兩組長3.40 m的組合工字鋼形成兩根支撐縱梁，如圖3 所示。縱梁端部支撐在門式框架墩的兩道橫梁上，加強門式框架墩頂帽與橫梁之間的連接，增大橋墩頂帽澆筑施工時的安全儲備。

圖3 支座永久支撐T梁示意

3.6 橋墩頂帽

在鋼支墩臨時支撐T 梁的條件下，澆筑門式框架墩混凝土頂帽。將頂帽鋼筋與橫梁澆筑時預設的鋼筋連接，并將支撐縱梁與鋼筋一起澆筑在混凝土中，形成橫向長6.00 m，縱向?qū)?.20 m，高1.00 m 的門式框架墩頂帽，頂帽上支撐墊石中預留支座螺栓孔。

3.7 安裝支座

門式框架墩頂帽混凝土達到設計強度后，在支座支撐處通過支座螺栓將24 m T 梁與門式框架墩頂帽支撐墊石連接，將T 梁由鋼支墩臨時支撐轉(zhuǎn)換為支座永久支撐，完成T梁支撐的第二次轉(zhuǎn)換。

4 更換橋墩施工

采用鋼板樁圍堰支擋，施工鉆孔樁基礎。承臺、橋墩柱、橫梁等采用現(xiàn)澆施工，其中門式框架墩柱、橫梁等需現(xiàn)場搭設支架，在列車運行間隙施工。24 m T 梁鋼支墩臨時支撐與支座支撐之間的轉(zhuǎn)換、門式框架墩頂帽施工均需封閉線路，人工結合千斤頂?shù)仁┳鳌?/p>

具體步驟：①鉆孔灌注樁施工；②澆筑樁基承臺；③澆筑門式框架墩的矩形墩柱；④澆筑門式框架墩的橫梁；⑤澆筑橫梁頂臨時支撐塊，移動T 梁支撐點位置，臨時支撐T 梁；⑥鑿除原6#墩頂帽部分混凝土；⑦穿縱梁；⑧澆筑門式框架墩頂帽混凝土；⑨安裝橋梁支座；⑩拆除原6#墩。

施工用時總計188 d。其中施工準備、施作門式框架墩的樁基礎、拆除原6#墩等共計80 d，這段時間不影響列車運營。與行車有關的時間為108 d，分別為間斷封鎖線路施工13 d和在列車運行間隙施工95 d。

該橋梁6#墩更換已于2018 年2 月完工，徹底解決了因混凝土裂縫導致橋墩混凝土強度不足的問題，消除了安全隱患。歷經(jīng)3年多的運營，結構安全、鐵路運營正常，未發(fā)生其他病害，整治效果良好。

5 結論

在滿足鐵路運營條件下采用雙橫梁門式框架墩整體更換既有橋墩是可行、有效、安全的。本次施工具有以下特點：

1）雙橫梁門式框架墩基礎、矩形墩柱和橫梁在施工過程中沒有與原有橋墩發(fā)生沖突，施工不影響既有橋梁的運營。

2）施工過程中采用臨時支撐塊與鋼支墩相結合支撐T梁，其支撐點位置和支撐方式的選擇，為原有橋墩頂帽部分混凝土的鑿除及新設門式框架墩頂帽的施工創(chuàng)造了施工空間，同時滿足了施工期間既有T 梁的穩(wěn)定支撐和鐵路的正常運營。

3）縱梁的使用加強了門式框架墩頂帽與橫梁之間的連接，增大了門式框架墩頂帽澆筑施工時的安全儲備。

4）雙橫梁門式框架墩的橫梁在施工過程中兼具施工支架功能，不僅為施工提供了穩(wěn)定、便捷的支撐，確保了施工和鐵路行車安全，而且節(jié)省了施工用支架材料。