京哈線灤河大橋橋墩病害原因分析及其整治

申文軍

(中國鐵路北京局集團有限公司工務處，北京 100044)

1 概述

橋梁水害對鐵路行車安全影響很大，橋梁墩臺基礎附近的橋渡沖刷是引起橋梁水害的常見原因。已發生多起因橋渡沖刷引起的橋毀事故：2002年6月9日隴海線灞河橋被洪水沖垮引起雙線行車中斷，2001年8月2日藍煙線外夾河橋因沖刷導致橋墩倒塌，造成重大經濟損失[1-3]。因此，查明橋渡沖刷位置、程度及原因，在橋梁水害整治中至關重要[4]。以京哈線灤河特大橋橋墩病害為例，在現場勘察的基礎上對水害原因進行分析，并提出相應整治措施和建議。

2 工程概況

2.1 京哈線灤河特大橋概況

京哈線灤河特大橋位于河北省灤縣，橋西為灤縣老站村，橋東為昌黎縣大樊各莊村。該橋于2001年修建，為25跨32 m預應力混凝土T形梁橋，全長826 m。

2.2 地理環境

橋址區為丘陵地貌。勘察時灤河水面寬約240 m，哈爾濱端為河流沖積區，地勢較為平坦，線路走向近東西向，垂直河道展布。

橋址上游約20 m處為舊橋橋墩及原施工便道，堆積有大量建筑垃圾；下游20 m處為單線并行的鋼桁梁灤河大橋(1894年修建，目前已廢棄，為國家級文物)。橋址上游分布有桃林口、大黑汀、潘家口3個水庫，下游設置有橡膠壩。

2.3 氣象及水文

橋址區屬暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候區。冬季受西伯利亞和蒙古冷空氣的影響，盛行偏北風；夏季受海洋氣團和太平洋高壓的影響，盛行偏南風，具有春季干燥多風、夏季悶熱多雨、秋季晝暖夜寒、冬季寒冷少雪的特點。全年平均氣溫10.5 ℃，平均日照2 651.5 h，平均降水量為714.5 mm。

灤河常年有水，現場勘察時上游水庫泄洪，河面開闊，河水湍急，水位達20.63 m。

地下水主要類型有孔隙水及基巖裂隙水，接受大氣降水、地表水補給。

2.4 工程地質條件

灤河河床上部為第四系沖洪積層，主要為卵石土，局部夾粉砂、細砂、黏土等透鏡體；下部為震旦系下統高于莊組中薄層白云巖，強風化，呈灰白、灰黃色。底部基巖風化較為強烈，局部溶蝕作用發育。工程場地地震烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.2g，反應譜特征周期為0.4 s。

3 橋墩病害原因分析

3.1 病害現狀

據現場調查，大橋的6號～12號墩共8孔為過水斷面，涉水墩臺下方樁基均有岀露。樁基岀露長度為1.7～5.4 m，其外露部分鋼筋已經暴露，鋼筋銹蝕嚴重(見圖1～圖4)。

圖1 承臺及樁基外露

圖2 主筋岀露

圖3 箍筋岀露

圖4 橋址區的建筑垃圾

6號墩至12號墩現狀沖刷情況見表1。

表1 6號～12號墩現狀沖刷情況 m

3.2 沖刷計算

灤河河床上部為第四系沖洪積層，主要為卵石土，局部夾粉砂、細砂、黏土等透鏡體，下部為震旦系下統高于莊組中薄層白云巖，強風化，呈灰白、灰黃色。根據《鐵路工程水文勘測設計規范》[5-6]中非黏性土河床一般沖刷計算公式對本橋進行一般沖刷計算。

(1)

式中A——單寬流量集中系數；

Bc——橋下河槽部分過水凈寬/m；

hmc——橋下河槽部分最大水深/m；

hc——橋下河槽部分平均水深/m；

E——與汛期含砂量有關的系數；

dc——河槽土平均粒徑/ mm；

hp——一般沖刷后最大水深/m。

橋渡沖刷深度計算成果見表2。

表2 設計沖刷深度成果 m

綜合表1、表2可看出，橋墩遭受沖刷較為嚴重，現狀河床面高程較建橋時下降了5.69～8.81 m，其中7號墩和12號墩下降最為嚴重(分別高達7.17 m和8.81 m)。

沖刷是引起灤河特大橋橋墩病害的主要原因，導致部分樁基鋼筋外露，銹蝕嚴重，影響橋臺穩定，危及列車運營安全。

3.3 沖刷原因分析

河道水文環境、地質環境、周邊構筑物等因素加劇了橋渡沖刷，分析如下：

(1)上游3座水庫集中放水，水量大，流速快，對河床沖刷力較強。

(2)河道為卵礫石土，級配不良，密實度較差，容易被淘蝕。

(3)下游挖沙活動加速了河流的下切作用。

(4)主河道改變至6號墩至12號墩，造成不同程度的沖刷破壞(其中12號橋墩局部沖刷最為明顯)。在雷諾應力作用下，水流夾帶砂石，在群樁間形成旋渦，磨蝕樁基，導致保護層破壞，鋼筋外露(如圖5)。

(5)上游舊墩臺位置的施工便道未拆除，導致橋址上游10～50 m范圍內存在大量建筑垃圾，造成河道阻塞，過水斷面減小且不規整，水流紊亂，加劇了對橋墩的側向沖刷和集中沖刷(如圖6、圖7)。

圖5 樁基局部沖刷示意

圖6 橋墩沖刷示意

圖7 上游垃圾范圍示意(單位：m)

(6)雨季集中降雨致使水位猛漲，沖刷進一步加劇。

3.4 腐蝕原因分析

(1)大量研究表明，氯離子是鋼筋腐蝕的主要原因[7-8]，菲克第二擴散定律是其最好的表達

(2)

式中：C為擴散物質體積濃度/(kg/m3)，t為擴散時間/s，x為距離/m，D為擴散系數。

當鋼筋表面層被入侵的氯離子溶解后，鋼筋初始腐蝕正式開始[7,9]，其表達式為

(3)

式中：Ti為鋼筋初始銹蝕時間，x為距離/m，D為擴散系數，C0為混凝土初始氯離子質量分數/%，Ccr為臨界氯離子質量分數，erf為誤差函數。

(2)金屬的腐蝕主要有化學腐蝕和電化學腐蝕。處于水中部分的樁基，其外露的鋼筋與水中的電解質形成腐蝕微電池，氫氧離子與溶解的鐵離子結合形成氫氧化鐵(鐵銹)；處于水上部分的樁基長期處于潮濕環境，在雨、霧、霜、露、冰雪及水汽作用下，在其外露的鋼筋表面形成一薄層導電水膜，易發生電化學發應[10]。

4 整治措施

4.1 河道清理

橋址處及上游10～50 m范圍內存在大量建筑垃圾，可采取設置導流壩分期導流的方式對建筑垃圾進行清理，清理施工應在枯水季進行。

4.2 橋梁基礎加固

分期導流清淤施工的同時，對清淤側既有橋墩進行圍堰加固施工，加固范圍為6號～12號橋墩。

圍堰實施主要有兩種方案，一種為先在平臺周圍插打鋼板樁，后期再進行混凝土澆筑形成圍堰；第二種為在橋墩臺附近采用預制的構件進行吊裝拼接。第一種方案具有加固整體性好，對鐵路運營影響小等優點，缺點為混凝土澆筑過程中受水流影響較大，水中施工存在一定安全風險。第二種方案具有混凝土澆筑質量好，施工速度快等優點，缺點是受場地限制，大型機械的使用可能會影響到既有鐵路運營，機械操作不當可能會造成既有構筑物破壞。經綜合考慮，決定采用第一種方案進行圍堰加固[11-14]。

為減小圍堰阻水系數，圍堰兩端采用圓形截面，圍堰寬7.7 m，長度分別為17.7 m(6號～10號橋墩)及21.0 m(11號～12號橋墩)，厚60 cm，采用C35鋼筋混凝土(圍堰截面見圖8～圖9)。

圖8 圍堰截面(單位：m)

圖9 圍堰立面(單位：m)

6號～9號墩圍堰頂部與橋梁承臺頂部等高，圍堰底部嵌入基巖不小于0.5 m，圍堰內填筑碎石土至承臺頂面。對10號～12號墩來說，因目前沖刷深度尚未至基巖面，如將圍堰底部設置于基巖面，則下挖深度較大(最高圍堰高度達11.5～17.2 m)，施工困難且對運營影響較大，故考慮將基底埋置于現狀沖刷高程以下2 m。

4.3 外露樁基混凝土修復

6號～12號橋墩樁基因沖刷外露，外露部分樁基多有混凝土保護層剝落、樁基鋼筋銹蝕等情況。

根據原橋設計情況，本橋樁基均為1.25 m嵌巖樁，樁基外露對樁頭承載力影響不大，且目前沖刷深度尚未達到基巖面，故主要考慮恢復樁基外露部分完整性。將外露樁基(包括鋼筋)表面清理干凈，在既有樁基外包筑C40混凝土(厚度不小于100 mm)。外包混凝土與既有樁基間設置主筋及螺旋筋，形成鋼筋網，主筋采取植筋的方式與既有橋梁樁基混凝土連接[15-17](見圖10)。施工步驟如下。

圖10 樁基加固示意

(1)表面處理

用氣動工具(角磨機等)剔除松散混凝土，如果出現鋼筋銹蝕情況，應對銹蝕鋼筋用氣動角磨機或鋼絲刷進行除銹處理。要求處理之后的混凝土表面無松散混凝土、油污、水泥漿、水生物等污損物，并用氣動角磨機將混凝土表面磨毛，以增加與灌漿料的粘結力。

(2)玻纖套筒安裝

加固時先在套筒的鎖扣槽內注入CMSR水下環氧封口膠，然后撐開玻纖套筒，包裹樁柱，精確定位后，用緊固帶對玻璃纖維套筒進行臨時固定，再用不銹鋼自攻螺釘錨固套筒接縫處。不銹鋼自攻螺釘采用氣動起子(M10)進行安裝，螺釘間距為150 mm。

(3)底部密封條安裝

安裝底部25 mm可壓縮密封條，樁基與玻纖套筒底部之間不留空隙。

(4)水下環氧灌漿料灌注

采用高位漏斗重力灌漿法灌注CMEG水下環氧灌漿料，15 cm后封底暫停。

待封底的CMEG水下環氧灌漿料固化后繼續灌注剩余的CMEG水下環氧灌漿料，直至灌滿。

(5)頂部密封

采用CUCR水下環氧封頂膠密封玻纖套筒與樁柱連接處的頂部。灌漿料應至少固化24 h后，方可拆除緊固帶。

4.4 河岸防護

為避免河水改變流向沖刷相鄰墩臺，對百年水位以下河岸邊坡進行漿砌片石鋪砌，鋪砌范圍為上游20 m，下游30 m，并設置垂裙進行防護。