■陳學(xué)健
(1.福建省高速技術(shù)咨詢有限公司,福州 350001;2.福建省海絲高速公路工程設(shè)計(jì)有限公司,福州 350007)
截至2021 年底,我國(guó)運(yùn)營(yíng)公路橋梁有96.11 萬座,總里程達(dá)到7380.21 萬m[1]。 橋梁作為道路的咽喉,在保障道路安全通行方面具有舉足輕重作用。 然而, 近年來關(guān)于橋梁病害引發(fā)的事故報(bào)道層出不窮,在跨江、河橋梁中出現(xiàn)的事故頻率較高,一方面是因?yàn)樗聵痘鶎儆陔[蔽工程, 存在可視性差、檢測(cè)難度大等局限,導(dǎo)致病害未能及時(shí)發(fā)現(xiàn);另一方面是因?yàn)樗聵痘┕な芩魉俣取?氣候條件、施工機(jī)械設(shè)備等條件制約,施工質(zhì)量得不到保障。 如何有效保障橋梁健康運(yùn)營(yíng)成為社會(huì)關(guān)注焦點(diǎn)。 以閩侯縣甘竹大橋水中樁基加固工程為工程背景,分別對(duì)該橋的水中樁基病害特征、處置方案以及加固施工技術(shù)要點(diǎn)展開全方面分析,可為同類梁橋樁基病害處置提供參考。
甘竹大橋位于三福高速公路閩侯連接線上,跨越閩江流域,全長(zhǎng)1376 m,主橋采用(65+120+65)m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱形變截面連續(xù)剛構(gòu),下部為薄壁墩,群樁基礎(chǔ);引橋跨徑均為35 m,共32 孔,上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土T 形截面連續(xù)梁,雙柱式墩基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)洪水頻率:1/100。 橋址處江面寬約1200 m,由主槽和淺灘組成,其中14#~28# 墩樁基常年處于水中,水深為3.4~15.6 m,大部分樁基水深為7~12 m。受上游水口電站泄洪及潮水影響,高低水位差約2 m。該橋于2002 年開工,2004 年竣工通車。全橋?qū)嵕叭鐖D1 所示。
圖1 全橋?qū)嵕皥D
2019 年某檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)該橋的14#~28# 墩水中樁基構(gòu)件進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè),發(fā)現(xiàn)該橋42 根樁基均存在不同程度的病害,嚴(yán)重影響到橋梁的健康運(yùn)營(yíng),亟需加固處置。
根據(jù)該橋水中樁基病害檢測(cè)報(bào)告,根據(jù)樁基表面混凝土侵蝕剝落、鋼筋外露銹蝕等病害程度的不同,可將全橋42 根樁基病害分為3 類:第一類是表面有輕微沖蝕、小面積砼剝落、暫未出現(xiàn)鋼筋裸露現(xiàn)象;第二類是樁基表面混凝土大量剝落并有小面積的縱筋及箍筋裸露;第三類是樁基表面混凝土被侵蝕嚴(yán)重(縮頸)并有大面積鋼筋網(wǎng)(嚴(yán)重銹蝕、斷裂)裸露。 典型樁基病害示意如圖2 所示。
圖2 不同類別典型病害樁基示意圖
通過查閱該橋水文資料、病害特征分析及查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上, 該橋樁基病害成因可歸為環(huán)境、管養(yǎng)、施工3 個(gè)主要方面因素[2-3]。
2.2.1 環(huán)境因素
橋址地處閩江下游,距海岸口較近,下游水質(zhì)受海水潮汐倒灌影響,水中氯鹽濃度高;樁頂與系梁接連處(浪尖區(qū))每天承受海水沖刷及潮汐漲落的干濕交替循環(huán),使得42 根樁的樁頂段均出現(xiàn)混凝土剝落、疏松等病害現(xiàn)象。
2.2.2 管養(yǎng)因素
早年閩江沿線居民生活用水及化工污水未經(jīng)處理直接排入江中,加快促進(jìn)鋼筋銹蝕速率;另一方面一些不法商家盲目開采閩江河沙,造成河床急劇下切、沖刷變遷,嚴(yán)重影響到了樁基的穩(wěn)定性與承載力。
2.2.3 施工因素
橋梁樁基采用鉆孔灌注樁法工藝施工,施工過程中未采取有效的措施保證鋼筋籠下放、保護(hù)層厚度控制精準(zhǔn)定位,導(dǎo)致部分樁基表面混凝土剝落層較薄出現(xiàn)大面積鋼筋網(wǎng)、縮徑等現(xiàn)象;也存在樁頂混凝土超灌量不足、未嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行樁頂鑿除,造成樁頂段混凝土施工質(zhì)量得不到有效保障,成為薄弱環(huán)節(jié)段。
水中有害離子介質(zhì)在不斷侵蝕樁基混凝土,若未得到有效處置將會(huì)導(dǎo)致樁基承載力不足而失效坍塌。 結(jié)合竣工圖資料及檢測(cè)報(bào)告對(duì)該橋樁基承載力進(jìn)行檢算,當(dāng)前樁基承載力滿足要求。 因此,對(duì)該橋樁基處置時(shí),應(yīng)重點(diǎn)考慮樁基耐久性處置,且盡可能提高結(jié)構(gòu)承載力。 常見的橋梁水中樁基病害處置方法較多, 有抬樁法 (適用于摩擦樁承載力不足)、外包鋼筋混凝土法、鋼套筒法、混凝土缺陷修復(fù)法(輕微病害)、夾克法等幾類[4-5]。 以下分別對(duì)外包鋼筋混凝土法、鋼套筒法、夾克法這3 種方式進(jìn)行比較分析。
外包鋼筋混凝土法指在原有樁基基礎(chǔ)上,外澆筑一層鋼筋混凝土層,可有效遏制樁基病害進(jìn)一步擴(kuò)散,還能增大樁基構(gòu)件的穩(wěn)定性。 該方案需要搭設(shè)圍堰干作業(yè)平臺(tái),為樁基表面病害處置、鋼筋補(bǔ)強(qiáng)、植筋、綁扎鋼筋、澆筑混凝土等工藝提供干作業(yè)環(huán)境。 該方法適用于樁基表觀病害嚴(yán)重且水深小于18 m 的情況。 外包鋼筋混凝土法加固示意如圖3所示。
圖3 外包鋼筋混凝土法加固示意圖
鋼套筒法是指采用特殊防腐處理的鋼套筒將原有樁基包裹起來,并在縫隙中注入水泥漿的一種方法。 其原理為通過將樁基與外界空氣、水等介質(zhì)隔離,起到延緩樁基混凝土脫落、鋼筋銹蝕速率原理的效果。 該方法可有效增強(qiáng)樁基的軸向抗壓強(qiáng)度,具有施工速度快、費(fèi)用較低的優(yōu)點(diǎn),但水中施工作業(yè)復(fù)雜、安全系數(shù)底低,加固質(zhì)量可控性弱。 該方法適用于水流速度小、病害較輕且水深在8 m 內(nèi)的情況。 鋼套筒法加固示意見如圖4 所示。
圖4 鋼套筒法加固示意圖
玻纖套筒法是近年來常用的一種橋梁樁基加固方法。 加固前需要按以下工序進(jìn)行:對(duì)原有樁基表面銹蝕鋼筋進(jìn)行防銹與補(bǔ)強(qiáng)處置→舊混凝土表面鑿除至露出新鮮混凝土→清洗→玻纖套筒安裝→灌注環(huán)氧砂漿液。 該方法可有效提高樁基的耐久性與耐腐蝕性,具有材質(zhì)輕、水中操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),但存在一定的局限性,如若原樁基表面鑿除、清洗不到位,將嚴(yán)重影響加固效果。 該方法適用于淺水(6 m 內(nèi))樁基耐久性處置。 玻纖套筒法加固示意如圖5 所示。
圖5 玻纖套筒法加固示意圖
綜合上述3 種水中樁基加固處置方法分析,可以得出以下結(jié)論:外包鋼筋混凝土法需要在干作業(yè)環(huán)境下實(shí)施,搭設(shè)輔助圍堰平臺(tái)措施費(fèi)用高、工期長(zhǎng),加固質(zhì)量可以得到有效保證還可以增加樁基的承載力;鋼套筒法施工周期較短、費(fèi)用較低,但加固質(zhì)量得不到有效控制, 對(duì)于群樁基礎(chǔ)實(shí)施難度大、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高;玻纖套筒法造價(jià)低、施工便捷,適用于水深淺且病害較輕的一、二類樁基。3 種不同的樁基加固方案對(duì)比結(jié)果如表1 所示。
表1 3 種水中樁基病害處置方案對(duì)比
通過對(duì)比2017、2019 年水中樁基定檢報(bào)告可知,該橋42 根樁基病害發(fā)展速度快:2017 年三類病害樁基數(shù)量?jī)H占5%、二類樁基占14%、一類樁基占81%;而2019 年三類病害樁基達(dá)數(shù)量達(dá)到48%、二類樁基占19%、一類樁基占33%。 綜合樁基病害發(fā)展速率、水文條件等各方面因素考慮,該橋推薦采用外包鋼筋混凝土法對(duì)其進(jìn)行加固處置。
外包鋼筋混凝土法樁基加固處置的施工技術(shù)難點(diǎn)最關(guān)鍵的是圍堰輔助平臺(tái)搭設(shè);其次是病害處置過程中的鋼筋除銹防銹補(bǔ)強(qiáng)、樁基植筋、樁基鑿毛、鋼筋板扎、澆筑混凝土等主要工序。
常見的圍堰方式按材料種類不同,可分為土石圍堰、混凝土圍堰、竹圍堰和鋼圍堰等多種類型。 鑒于本工程為在役橋梁,選用鋼圍堰形式搭設(shè)施工輔助平臺(tái),具有施工速度快、可大量縮短工期優(yōu)勢(shì)。 結(jié)合該橋水文環(huán)境與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,14#~28# 墩分別采用鋼套筒和鋼套箱2 種圍堰形式,其中鋼護(hù)筒圍堰適用于水深在3.4~8.0 m 的較淺樁基施工,鋼套箱圍堰用于8~15.6 m 的深水樁基施工。 近年來,鋼護(hù)筒圍堰方法在橋梁淺水樁基圍堰施工中普遍使用,主要施工工序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備→鋼護(hù)筒加工→安裝護(hù)筒反力架→鋼護(hù)筒下壓→護(hù)筒封底混凝土施工→樁基缺陷處置→鋼護(hù)筒拆除。 該圍堰施工工藝難度較低、技術(shù)成熟,不再贅述。
4.2.1 圍堰類型選擇
鋼套箱圍堰施工工序如下:河底泥砂清理→安裝導(dǎo)向框→側(cè)板安裝→圍堰內(nèi)繼續(xù)用空壓機(jī)將砂石抽填到圍堰外→澆筑側(cè)板接縫止水砼→鋼套箱圍堰封底→待強(qiáng)、圍堰內(nèi)抽水→樁基缺陷處置→圍堰拆除。 鋼套箱圍堰的施工技術(shù)難點(diǎn)在于圍堰定位安裝及結(jié)構(gòu)防水處理等環(huán)節(jié)。
4.2.2 施工準(zhǔn)備
鋼套箱采用現(xiàn)場(chǎng)加工拼接方案。 在圍堰正式安裝前,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行預(yù)拼裝試驗(yàn)環(huán)節(jié),可有效避免在安裝過程中出現(xiàn)尺寸偏差、安裝錯(cuò)誤等問題。 并清除干凈河床遺留的建筑垃圾等雜物,為圍堰管樁順利打入土層做鋪墊。
4.2.3 定位導(dǎo)向框
為了保證鋼套箱圍堰準(zhǔn)確定位,分別在橋墩四周相應(yīng)位置打入若干根鋼管樁,并用工字鋼將鋼管樁焊接成一個(gè)穩(wěn)定、整體框架結(jié)構(gòu),作為圍堰安裝導(dǎo)向框。
4.2.4 圍堰單元板安裝
側(cè)板從上游水流方向開始拼裝,第一塊具有陰陽轉(zhuǎn)角的側(cè)板應(yīng)精準(zhǔn)定位并保證垂直度滿足設(shè)計(jì)要求;將第二塊側(cè)板順著第一塊側(cè)的陰陽槽口插入,以此類推,最終將鋼套箱側(cè)模插入形成一個(gè)閉合體;最后采用震動(dòng)錘逐一同步插打至設(shè)計(jì)標(biāo)高。
4.2.5 陰陽接頭處理
為了保證圍堰的密封性效果,先用條狀布袋裝入少量的細(xì)石混凝土沿著接頭逐漸導(dǎo)入到孔底,確保止水帶到位后,再用漏斗及導(dǎo)管等輔助工具將止水砂漿灌滿,并適當(dāng)振搗,確保接頭沒有氣泡等空隙。 接頭止水縫處理過程中,應(yīng)由專業(yè)人員嚴(yán)格按照規(guī)范要求操作。
4.2.6 圍堰封底
封底混凝土的厚度與樁基水中深度、水頭差等相關(guān)參數(shù)計(jì)算,并考慮適當(dāng)?shù)母辉O禂?shù)。 封底混凝土澆筑前,先確認(rèn)基底地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)要求是否相符、底部是否平整。 在滿足要求的前提下,應(yīng)采用高壓水槍沖洗封底段樁基表面附著的淤泥雜質(zhì),提高封底混凝土與樁基的握裹力與加固效果。 首批混凝土澆筑量嚴(yán)格按照相關(guān)施工技術(shù)指南要求,并安排專職人員負(fù)責(zé)澆筑過程中導(dǎo)管插拔速率,做到“勤測(cè)、勤量”,并做好相關(guān)記錄存檔。 鋼套箱圍堰實(shí)景如圖6 所示。
圖6 鋼套箱圍堰示意圖
外包鋼筋混凝土法施工工序如下:準(zhǔn)備→腳手架搭設(shè)→混凝土表面處置→舊鋼筋處置→樁基鑿毛→樁基植筋→鋼筋綁扎→模板安裝→監(jiān)理檢查鋼筋→混凝土灌注→混凝土養(yǎng)生→拆?!善窓z驗(yàn)。
4.3.1 混凝土表面處置
對(duì)原樁基表面疏松、破損等病害混凝土以人工鑿除為主、氣動(dòng)及高壓水槍工具為輔,直至露出新鮮堅(jiān)硬密實(shí)的混凝土基面,鑿除施工時(shí),應(yīng)謹(jǐn)慎科學(xué)作業(yè),避免魯莽、盲目實(shí)施對(duì)原結(jié)構(gòu)造成不必要的破壞及損傷,鑿除深度在3~4 cm,并采取相應(yīng)措施保證油污、油脂、灰塵等附著物清理干凈。 樁基表面病害處置現(xiàn)場(chǎng)示意如圖7 所示。
圖7 樁基表面病害處置示意圖
4.3.2 舊鋼筋處置
對(duì)外露的縱筋、箍筋等采用鋼刷、化學(xué)試劑清除表面銹漬,然后采用噴涂型阻銹劑處理(阻銹劑用量控制在0.4 kg/m2,宜分3~5 遍進(jìn)行涂刷),阻銹劑具有很強(qiáng)的腐蝕性,若在施工過程中不慎將其滴落在皮膚表面或者眼睛里,應(yīng)立即用清水沖洗干凈并及時(shí)就醫(yī)。 對(duì)于嚴(yán)重銹蝕、斷裂等鋼筋,采用同直徑、同級(jí)別的鋼筋對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),并保證搭接尺寸及焊接質(zhì)量滿足相關(guān)要求。 操作人員上崗前要經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn),并做好個(gè)人防護(hù)措施,考核合格方可上崗操作。
4.3.3 植筋
為保證新、舊混凝土協(xié)同受力,提高樁基承載力,應(yīng)將原有樁基按梅花狀進(jìn)行鉆孔植筋。 首先,應(yīng)精確定位每個(gè)孔位位置,若孔位與現(xiàn)有鋼筋碰撞,應(yīng)對(duì)孔點(diǎn)進(jìn)行微調(diào),不得調(diào)整鉆孔深度;鉆擊孔徑略比植筋直徑大2~5 mm、孔深比設(shè)計(jì)要求深5~10 mm;打孔結(jié)束后立即采用無油壓縮空氣機(jī)將孔內(nèi)粉塵吹干凈,并用毛刷等工具將孔壁刷凈。 其次,要對(duì)孔壁進(jìn)行干燥處置,如果孔內(nèi)進(jìn)水造成孔壁潮濕可采用電熱干燥方式,若孔壁被油污染,可采用電熱或者化學(xué)方法保證孔壁干燥。 最后,用丙酮等試劑將孔壁擦拭干凈,再用植筋膠將鋼筋植入孔內(nèi)[6]。 植筋處置現(xiàn)場(chǎng)示意如圖8 所示。
圖8 植筋處置示意圖
4.3.4 鋼筋與模板工程
鋼筋網(wǎng)先在鋼筋棚里加工成半圓產(chǎn)品并預(yù)留足箍筋搭接長(zhǎng)度,鋼筋接頭截面位置應(yīng)錯(cuò)開,并采取相關(guān)輔助措施確保鋼筋間距、混凝土保護(hù)層厚度等滿足要求;鑒于圍堰空間狹小,大型機(jī)械不好操作, 鋼筋籠先加工成1/2 圓周并預(yù)留箍筋的搭接長(zhǎng)度,接頭截面錯(cuò)開位置、數(shù)量要滿足相關(guān)規(guī)范要求,主筋與植筋采用焊接方式固定。 模板采用兩片半圓木模栓接,每片木模分節(jié)組成,雙面膠膠帶襯縫,模板塊與塊之間采用法蘭盤螺栓連接,豎向法蘭盤設(shè)定位銷,并嚴(yán)格控制模板的垂直度和混凝土保護(hù)層厚度,與鋼模板相比,采用木模可有效降低現(xiàn)場(chǎng)操作難度及施工周期。 鋼筋與模板施工工序示意如圖9~10 所示。
圖9 鋼筋綁扎示意圖
圖10 模板安裝示意圖
4.3.5 混凝土工程
為了延緩樁基表面混凝土侵蝕速率、提升樁基耐久性,本項(xiàng)目采用自密實(shí)混凝土,其主要性能參數(shù)指標(biāo)如下:3 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到25~40 MPa、24 h 豎向膨脹率≥0.02%、抗?jié)B等級(jí)≥P12、抗凍等級(jí)≥F150、塌落度為220~280 mm、擴(kuò)展度為500~680 mm。 澆筑過程中應(yīng)根據(jù)澆筑段高度分節(jié)安裝模板、 澆筑,嚴(yán)禁從樁頂直接將混凝土傾倒入模;配附著式振搗器振搗,振搗過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)木模板變形量,避免塌模等施工事故;待砼強(qiáng)度滿足施工要求,方可拆模,并做好后期養(yǎng)護(hù)作業(yè)。 外包鋼筋混凝土法樁基加固完后的示意如圖11 所示。
圖11 外包鋼筋混凝土法加固示意圖
該橋樁基病害專項(xiàng)處置完工接近2 年,42 根樁基定檢均未有新的病害出現(xiàn), 結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況良好,達(dá)到預(yù)期加固處置目的。 該工程水中樁基加固處置案例可為同類橋梁提供借鑒價(jià)值意義。