重載鐵路水沖受損橋墩適應性分析及加固控制技術

何占元

國能朔黃鐵路發展有限責任公司， 河北 滄州 062350

隨著大軸重、高密度、長編組的重載運輸快速發展，加之沖刷、撞擊等外部作用，橋梁結構病害損傷加劇，有的已經危及運輸安全。如何快速、安全、高效完成病害橋墩基礎加固改造是首先要解決的難題。

針對鐵路水沖受損橋墩的適應性以及加固改造問題，國內外學者開展了深入研究。文獻［1］采用模擬分析方法，開展了鐵路橋墩基礎沖刷對橋墩自振特性的影響理論分析和現場試驗研究。文獻［2-3］采用理論分析和試驗方法，研究了重載運輸條件下的橋墩縱向受力特征和動力響應規律。文獻［4-5］以重載鐵路橋墩為對象，研究了在大軸重重載列車運行、制動等工況作用下的橋墩縱向受力特性。文獻［6-7］系統分析了沖刷對橋墩單樁承載力、自振頻率以及簡支梁橋頻率的影響，探討了簡支梁橋橋墩受沖刷后模態頻率的變化規律。文獻［8-9］基于橋墩托換加固施工，提出了橋梁變形、應力、軌道平順性等監測與控制方法。文獻［10］以天津津濱輕軌橋梁墩柱托換工程為背景，探索了不中斷行車條件下的橋墩加固技術、安全監控方法和控制標準。文獻［11-12］采用理論分析和現場試驗方法，研究了加固施工對橋墩和既有樁基的影響規律，提出了墩身加固施工安全監測方法。既有研究主要涉及沖刷對結構性能的影響及加固技術，但關于重載運輸條件下的橋墩適應性分析和加固監測技術研究較少。

本文依托重載鐵路水沖受損橋墩組合加固工程，采用現場試驗、數值模擬、在線監測相結合的方法開展大軸重條件下重載鐵路水沖受損橋墩適應性分析及加固控制技術研究，分析沖刷和加固對橋梁性能的影響規律，以期為類似橋梁病害處理和列車運行安全保障提供參考。

1 運營列車作用下受損橋墩適應性分析

1.1 工程概況

一座重載鐵路大橋為上下行分離式橋梁，上行通行軸重21.0 ~ 30.0 t的重載列車，下行則主要通行軸重5.2 ~ 7.5 t的空車。大橋橋墩為雙柱式圓端形板式墩，采用共用基礎、橋墩分離的結構形式，摩擦樁基礎。橋墩高度較低，為3.87 ~ 4.37 m。承臺尺寸均為8.4 m × 4.0 m × 2.0 m。樁長12.0 ~ 17.0 m。

因上游水庫突然泄洪，最大洪水流量超過100 m3/s。洪水在多個橋墩形成集中沖刷，橋墩承臺全部外露，樁基最大裸露高度達5.0 m，最大沖刷深度達10.0 m，已經形成局部深坑，并接近原設計局部沖刷線。橋梁結構形式及沖刷情況見圖1。

圖1 橋梁結構形式及沖刷情況

1.2 沖刷過程中橋墩振動監測

洪水通過時基礎周圍約束高度的減小直接導致橋墩整體剛度、穩定性和承載能力降低，橋梁振動明顯增大，對列車安全運營造成一定的影響。為保證安全，洪水通過時采取列車限速運行的措施，并采用891‐Ⅱ拾振器、INV數據采集儀、IMC數據采集儀組成實時在線檢測系統完成沖刷過程監測，部分實時監測數據見圖2。圖中，S為沖刷深度。

圖2 橋梁振動與沖刷深度關系

由圖2可知：

1）洪水沖刷后，運營列車作用下的橋墩墩頂橫向振幅和主梁跨中橫向振幅較為離散，但比洪水沖刷前有顯著增大趨勢，墩頂振動增大趨勢更明顯。

2）洪水沖刷前，運營列車速度相對較高，基本為60 ~ 75 km/h，橋墩墩頂橫向振幅在0.10 mm以下，主梁橫向振幅在0.20 mm以下。洪水沖刷時，運營列車限速通行，通行速度為30 ~ 45 km/h，橋墩墩頂橫向振幅增至0.10 ~ 0.20 mm，且較為離散，主梁跨中橫向振幅增至0.20 ~ 0.30 mm。說明隨著沖刷深度逐漸增大，橋墩和主梁振動逐漸增大，橋梁結構橫向振動加劇。

沖刷過程中對橋墩自振頻率進行定時測試，發現實測9#墩橫向自振頻率隨沖刷深度增加而逐漸減小，自振頻率降低值與沖刷深度成正比；沖刷趨于穩定時，實測橋墩橫向自振頻率由14.5 Hz降至7.3 Hz，降幅近50%，說明橋墩剛度隨沖刷深度增加而逐漸降低。

1.3 沖刷條件下適應性分析

采用數值模擬方法開展提速、提高軸重條件下的橋墩適應性分析研究。建立整體有限元模型，將洪水沖刷視為墩臺基礎周圍土體缺失，采用移動荷載法計算運營列車作用下的橋梁結構振動響應。重載列車作用下的橋墩振動響應分析結果見圖3。

圖3 橋墩振動響應

由圖3可知：

1）墩頂橫向自振頻率與沖刷深度成反比例關系。在沖刷初期，樁基上部承臺逐漸裸露，自振頻率下降速率較小。隨著沖刷的不斷增加，承臺全部裸露而樁基上部逐漸顯現，橋墩橫向自振頻率下降速度逐漸增大。當沖刷深度達到8.0 m時，自振頻率降至沖刷前的50%，橋墩剛度大幅降低。承臺裸露對橋墩剛度影響相對較小，樁基裸露則引起了自振頻率和剛度的顯著下降。

2）相同速度、不同軸重列車作用下，隨著沖刷深度增加，橋墩墩頂橫向振幅逐漸增大；當樁基全部裸露時，橋墩橫向振動增幅更為明顯，進而引起主梁發生較大振動。

3）不同軸重列車作用下，隨著速度提高，橋墩橫向振動逐漸增大，近似表現為三階段特征。第一階段是40 km/h以下低速情況，隨著速度增加，墩頂橫向振幅逐漸增大，但增幅較小；第二階段是速度提高到50 km/h時，墩頂橫向振幅明顯增大，振幅比前一速度級增大約1.5倍；第三階段是超過50 km/h時，隨著速度增加，墩頂橫向振幅有增大趨勢，但增幅小于第一階段，速度的提高對橋墩振動的影響減弱。

2 加固方法與風險分析

2.1 加固目標

基于重載列車安全通行要求，橋墩加固需滿足以下性能指標：①橋墩剛度比加固前大幅提高，墩頂橫向振幅降低；②增大基礎截面尺寸，提高基礎穩定性。

2.2 加固方法

采取增補樁基法 + 增大承臺法 + 墩身連接加固的組合方法進行橋墩加固。具體方法：首先在承臺四周增補一定數量樁基，然后換填基礎下方土體，繼而增大承臺尺寸并將增補樁基與擴大承臺連接成一體。同時采用混凝土橫向連接對橋墩進行加固，并與承臺連接為一體，最終實現全面加固，見圖4。

圖4 組合加固設計方案

由于橋下凈空有限，現場加固開挖、鉆孔與回填等施工均采用小型機械和沖擊鉆孔的方式。與常規的托換加固、外包加固或基礎加固等方法相比，大軸重運輸條件下的水沖受損橋墩加固施工風險更大、影響因素更多、運輸要求更高。如何保證加固施工期間的施工安全與大軸重列車的運營安全是關鍵。

2.3 加固施工風險分析

橋墩加固整個過程分為設計、施工、后期維護管理等多個階段。按照管理學中的層次分析法思想，施工階段的風險權重最大，對施工的安全性影響也最大。整個施工具體流程為：施工準備→基礎開挖及防護→樁基鉆孔及澆筑→既有承臺鑿毛及植筋→樁頭鑿除→基礎換填→擴大承臺及墩身連接鋼筋綁扎→新舊承臺、新增樁基和墩身連接混凝土整體澆筑→河道回填。

在橋墩加固改造過程中，由于施工工序、結構本身、材料以及列車荷載隨時間變化不斷改變，結構形狀、體系特征、結構剛度、結構自振特性、結構受力及變形等均會不斷變化，結構具有變化速率較小的時變性。借鑒風險管理思想對施工階段的風險源進行辨識與分析，涵蓋人員、結構、運輸等方面。施工過程風險點分析結果見表1。

表1 施工過程風險點分析結果

3 橋墩加固施工安全監控

洪水通過時，對大橋8#—10#墩沖刷比較嚴重，為保障運輸安全，沖刷后立即進行了加固處理。為避免洪水沖刷對其他橋墩產生影響，對全橋14個橋墩進行了組合加固施工，并建立了安全監控系統。

1#墩原始高度為4.0 m，5#墩原始高度為5.5 m，其他橋墩高度為4.0 ~ 5.5 m。后續影響分析和監控分析均針對1#墩和5#墩開展。

3.1 施工過程影響分析

加固前須要分析施工關鍵工況對橋墩振動的影響，根據計算結果合理確定后續監控內容和施工技術。C80列車作用下，不同工況5#墩墩頂橫向振幅變化曲線見圖5。

圖5 不同工況5#墩墩頂橫向振幅變化曲線

由圖5可知：加固施工全過程對橋墩振動有顯著的影響，且隨列車速度增加，墩頂橫向振幅逐漸增大；間隔開挖和間隔鉆孔施工條件下，墩頂橫向振幅數值均小于同時開挖和順序鉆孔施工，說明間隔施工對橋墩振動影響相對較小。橋墩加固施工中需對墩頂橫向振幅進行監測，可采取間隔鉆孔和間隔澆筑的施工方法。

3.2 監控設計

重載運輸具有更大的荷載作用、沖擊振動、運行隨機性和更高的設備條件要求，基于“安全第一、監控關鍵、科學預測、保障安全”的原則和風險分析結果進行監控方案設計。現場監控從以下兩方面開展。

1）控制列車運行速度。在基礎開挖、樁基施工和基礎加固施工期間，橋上列車限速50 km/h運行，以降低大軸重列車對橋梁結構的沖擊和振動作用。

2）監控橋梁結構關鍵指標變化。主要監控列車信息、墩臺基礎沉降、水平位移以及橋梁動力響應，具體指標見表2。

表2 施工監控內容

3.3 測點布置及方法

每個橋墩墩頂上方各設置1個沉降觀測點和1個水平位移觀測點；每個承臺上方設置4個觀測點同時監控承臺頂沉降和水平位移變化。在每個橋墩墩頂上方布置2個振動測點，監測列車和施工耦合作用下的墩頂橫向和縱向振幅動力響應變化；在典型橋跨跨中外側擋砟墻上安裝拾振器測試橋跨橫向振動；在橋上鋼軌上安裝磁鋼傳感器，監測列車速度變化。現場監控測點布置見圖6。

圖6 現場監控測點布置

墩臺基礎沉降和水平位移監控采用人工測量方式，沉降和變形測量分別采用電子水準儀和全站儀。在基礎開挖施工前建立控制網并采集3次初始值，正式施工開始后每天固定時間測量，將初始值和固定時間測量數據進行對比，評判沉降和水平位移。

采用891‐Ⅱ型拾振器、智能信號數據采集儀及相關設備組成無線橋梁健康監測系統，實現列車速度、橋墩動力響應等信息的自動化采集和分析。利用振動數據和列車達到數據進行雙控觸發采樣，在現場設置監控總站，監測信號實時采集、實時分析、實時存儲、實時預警。若某趟列車引起的振動響應數據超過報警值，系統實時向相關人員推送報警信息，現場人員立即采取措施，以保障施工安全和列車運營安全。

3.4 監控標準及流程

基于保障列車運營安全、結構受力和變形正常、可實施性三個原則確定施工控制標準。根據鐵運函〔2004〕120號《鐵路橋梁檢定規范》［13］規定并考慮設計、施工因素確定最終控制標準。

控制標準分為兩級：第一級是報警值，允許達到，但必須立刻報警并停止現場施工，分析原因并采取相應對策后再行施工；第二級是限值，所有監控參數均不允許達到限值標準。監控參數控制指標見表3。

表3 監控參數控制指標 mm

整個加固施工過程分為兩個階段，即加固前準備階段和加固施工全過程階段，通過全面綜合檢測評判加固完成后的最終狀態。施工監控流程見圖7。

圖7 施工監控流程

3.5 沉降和水平位移監測結果與分析

沉降和水平位移是評判結構穩定和安全的重要指標。現場監測在2020年內完成，其中基礎開挖階段為8月6日—9月1日；樁基施工階段為9月2日—10月7日；基礎加固階段為10月8日—11月4日。本文僅列出部分橋墩監測數據。重載鐵路橋墩加固過程中典型橋墩沉降和水平位移監控結果見圖8。

圖8 典型橋墩沉降和水平位移監控結果

由圖8可知：三個施工階段橋墩沉降和水平位移數值差異較小。與基礎開挖和基礎加固階段相比，樁基施工階段橋墩沉降數據更離散；與基礎開挖和樁基施工階段相比，基礎加固階段墩頂水平位移數據更離散。說明樁基施工階段的沖擊鉆孔對墩臺基礎有一定程度的沖擊作用，且沖刷和開挖引起墩臺基礎剛度降低。沖擊鉆孔引起橋墩出現較大的沉降和水平位移，而基礎開挖和基礎加固施工對橋墩的穩定性影響較小。

現場實測承臺頂與墩頂沉降的大小及方向基本一致，承臺頂與墩頂水平位移的大小及方向也基本一致，說明整個施工過程中墩臺未發生明顯的傾斜變形。

3.6 橋梁振動響應結果與分析

列車作用下橋梁動力響應是反映運營性能、結構剛度的重要指標。橋梁動力響應監控結果見圖9。

圖9 橋梁動力響應監控結果

由圖9可知：

1）在整個加固過程中，墩頂橫向振幅和縱向振幅實測值很小，均在設定報警值范圍內。墩頂橫向振幅為0.02 ~ 0.23 mm，具體表現為三階段變化規律。在基礎開挖階段，橋墩橫向振動較小。隨著基礎開挖和樁基施工逐步開展，橋墩橫向振動逐漸增大。隨著樁基施工結束而基礎加固開始，墩頂橫向振幅顯著減小，比基礎開挖和樁基施工時減小50%以上。可以認為，基礎埋深減小引起的剛度降低和沖擊鉆孔施工引起的地面振動是導致橋墩橫向振動加劇的直接原因。

2）與1#墩相比，基礎開挖和鉆孔施工階段5#墩橫向振幅較為離散；結合現場施工記錄，鉆孔施工階段，5#墩未按要求進行交替鉆孔，采取了順序鉆孔方式，順序鉆孔引起橋墩振動增大，而在基礎加固階段進行了部分外側鋼管支撐的方式，具有一定的抑振效果，因此橫向振幅有所減小。

3）隨著施工進度變化，橋墩墩頂縱向振幅變化規律不明顯，基本在0.07 mm以下變化，滿足設定報警值（≤ 0.38 mm）的要求。橋墩縱向振幅在一定程度上體現了列車縱向荷載變化。現場監測數據變化規律表明各施工工序對其影響較小。

4）橋跨結構跨中橫向振動振幅（0.10 ~ 0.80 mm）較小且離散，滿足設定報警值和限值（報警值≤ 2.54 mm，限值≤ 3.56 mm）的要求。實測第5孔橋跨橫向振動與橋墩橫向振動變化規律基本一致，也表現為三階段變化規律。隨著基礎開挖深度增加和鉆孔施工開始，橋跨橫向振動顯著增大。隨著基礎加固開始，結構振動明顯降低，橋墩橫向振動減小是引起橋梁振動降低的重要原因。

與2012—2016年橋梁檢測數據對比，監控過程中橋梁橫向振動遠小于正常過車時的數值，說明列車速度對橋梁振動響應比較敏感，限制列車運行速度對減小橋梁振動具有良好效果。

4 結論

本文以受洪水沖刷的重載鐵路淺基橋墩為對象，采用現場試驗、數值模擬和在線監測的方法，研究大軸重運輸條件下沖刷程度、荷載類型等多因素對水沖受損橋墩剛度、穩定性和動力響應的影響，并基于安全運營需求，提出一種“實時監測+定期監測”相結合的加固施工安全監控方法，得到結論如下。

1）沖刷引起墩臺基礎土體流失和約束降低，導致橋墩剛度減小、穩定性下降和振動加劇；隨著沖刷深度增加，橋墩與主梁振動響應逐漸增大，橋墩自振頻率逐漸降低；大軸重列車作用下，橋梁振動響應與列車速度、軸重均成線性關系。

2）列車運行速度和墩頂橫向振幅是重載鐵路受損橋墩加固安全監控的兩個重要指標，現場安全監控體系須對列車速度和橋墩振動進行實時監控，確保施工安全和線路運營安全。

3）加固過程中基礎開挖、沖擊鉆孔引起橋梁橫向振動顯著增大，但對墩臺基礎的沉降和水平位移影響較小。