高速公路橋梁下部結構加固改造分析

1 工程案例

1.1 項目基本情況

某高速公路橋地質病害處治工程，在2019 年已經產生地質病害，2020 年7 月當地進入雨季，連續強降雨讓原本已存在的地質病害進一步加重，路基產生沉降、滑移等現象，墩柱也產生嚴重病害。 大橋的左幅長度為222 m，右幅長度為192 m。其上部結構的左幅為4×30 m+3×30 m 的預應力混凝土T 梁，右幅為3×30 m+3×30 m 的預應力混凝土T 梁， 以先簡支后連續的模式進行橋體建設。 橋墩為圓柱墩、樁基礎均使用雙柱模式，橋臺為U 形臺與擴大基礎。

1.2 病害原因分析

根據檢測報告和現場踏勘結構得知橋梁主要病害表現為以下幾個方面。

1）橋面系：護欄在6 號橋臺和7 號臺處錯位，在左幅7 號臺處橋跨側護欄相對橋臺側護欄向左側移動錯位； 在右幅6號橋臺處橋臺側護欄相對橋跨側護欄向左側移動錯位。

2）主梁：主梁在6 號橋臺右側與擋塊抵攏。

3）支座：右幅6 號橋臺處支座上下鋼板橫向錯位，下鋼板相對上鋼板往左側錯位。 左幅7 號橋墩處支座上鋼板與下鋼板錯位，上鋼板相對下鋼板向左側錯位。 左幅6 號墩支座上鋼板與支座下鋼板橫向錯位，支座下鋼板相對上鋼板向左側錯位。

4）橋墩：左幅6 號墩1 號柱右側墩頂環向裂縫，6 號墩地系梁豎向裂縫。 左幅5 號墩1 號墩墩底右側環向裂縫，地系梁豎向裂縫。 如圖1 所示。

圖1 6 號橋墩工程地質斷面（單位：m）

結合勘察報告、 橋梁檢測報告和現場踏勘得出以下病害原因。

1）右幅6 號橋臺為擴大基礎，6 號橋臺在滑坡體推動下向左側移動，主梁受5 號墩球型支座限位保持橫向不動，造成6號臺右側擋塊抵攏，支座橫向錯位。

2）左幅6 號墩受右幅6 號橋臺橫向推移影響，向左側整體移動，造成6 號墩支座橫向錯位，同時6 號墩帶動第7 跨主梁向左側移動，造成7 號橋臺處支座橫向錯位；左幅6 號墩在橫向受主梁支座和嵌巖部分樁基限位， 造成墩頂右側環向裂縫， 由于6 號墩較矮， 推測在滑動范圍內樁基左側有開裂情況；同時由于6 號墩1 號柱位于凌空面，坡度較陡，在橫向滑移過程有豎向沉降， 造成左幅6 號墩地系梁左側下部和右側頂面開裂。

1.3 項目6 號橋墩加固改造方案

從兩個方面對6 號墩進行加固改造處理：（1）橋墩加固。6號橋墩增加2 根樁基與1 個承臺（見圖2）。 新樁基直徑設置2 m，并以新樁基直徑的2 倍作為新樁基與原樁基的間距，即4 m。 承臺設計為多邊形，其頂面要比原樁基頂面高出0.5 m。利用地系梁與樁基表面植筋兩種方法， 對新樁基與承臺進行加固處理，確保6 號橋墩的豎向荷載可以正常傳遞。 （2）墩柱加固。 使用外包鋼護筒+ 內置鋼筋籠+ 灌注混凝土方式進行墩柱加固處理。 使用Q355C 鋼板制備直徑2 m、壁厚1 cm 的鋼護筒，并向內部灌注C40 的混凝土。使用環氧富鋅底漆+環氧云鐵中間漆+ 氟碳樹脂面漆， 對鋼護筒表面做三重防腐處理。 在鋼護筒安裝作業前，須對墩柱做鑿毛處理，深度至少為6 mm。 向墩柱植入環向8 根的φ16 mm（HRB400）鋼筋，植入深度為25 cm， 要求豎向間距控制在1.5 m， 呈梅花狀進行布設。施工時要避免碰撞到柱墩鋼筋。將鋼筋籠安裝到鋼護筒與墩柱的空間中，要求鋼筋籠的主筋為φ20 mm（HRB400），螺旋筋為φ10 mm（HPB300），保持20 cm 的豎向間距。

圖2 6 號橋墩加固平面（單位：cm）

2 高速公路橋梁下部結構加固改造設計

通過提煉案例工作經驗，結合相關參考文獻，對橋臺、橋墩、樁基礎的病害進行充分研究后，設計如下加固改造設計方案。

2.1 橋臺加固改造設計

2.1.1 重力式橋臺

對于臺身前墻前傾病害，則要根據其傾斜幅度，采用全部或部分填料作業。 建議將棱體進行破壞，將橋臺挖出來后再進行填料更換作業，可以使用砂礫石、碎石等側壓力偏小材料，也可以增加前墻厚度，或是在橋臺后部橋孔。 如果拱橋橋臺受到推力影響，出現向橋臺后方滑動、傾斜等病害，則要以橋臺周邊地形、地質情況，對側墻進行加厚處理，要求加厚部分和橋臺緊密結合，起到提升橋臺自身重量的效果。 也可以在側墻的后部增加鋼筋混凝土擋板， 讓側墻和土體產生更大面積的接觸，提升側墻的土體抗性。 在橋臺沒有過大的跨徑，且不擁有足夠的橋下空間時，建議在墩臺之間增加鋼拉桿，利用鋼拉桿承載橋臺的部分水平推力，避免出現大幅度的水平位移。 如果橋臺后方沒有開挖條件，但是前方有合適的條件，也可以在橋臺前方設置支撐墻、支撐肋等。 條件允許時，建議將重力式橋臺改造為埋置式橋臺， 并在橋臺身上額外增設多道鋼筋混凝土水平U 形箍，達到加固橋臺的效果。在臺帽下方出現裂縫病害，可以使用砂漿進行灌注封閉。 如果影響因素為支座，則要對支座進行更換。 在橋臺前墻上出現豎向裂縫，如果影響因素是基礎橫向不均勻沉降，同時基礎仍處于沉降狀態，則要先對地基進行加固處理，再使用砂漿進行灌注封閉，采用鋼筋混凝土圍帶進行加固處理。 如果臺身出現大規模的開裂、破損病害，可以使用外包鋼筋混凝土套箍方式，對臺身做加固處理[1]。

2.1.2 輕型橋臺

如果出現橋臺向橋孔位置前傾病害，可以使用加固重力式U 形臺前墻前傾方案，對橋臺后方的棱體填料進行更換，使用砂礫石、碎石等進行重新填充。 如果存在前錐坡的橋臺，則需要開挖到其頂面偏下的位置，沒有前錐坡的橋臺，則要開挖到臺底面位置。 如果路堤較高，同時坡度偏大，可以將路堤改造成橋孔，或是在橋臺的后方修建擋土墻，其高度則根據橋臺是否擁有前錐坡進行調整， 也可以在橋臺前方增加臺斜支撐梁或支撐肋[2]。 對于橋臺蓋梁的豎向開裂病害，可以考慮對基礎進行加固處理，如使用粘貼鋼板、中間加柱等方法進行加固處理。 如果柱式橋臺的擋土墻出現傾斜病害，也可以參考重力式U 形橋臺的臺身加固作業。 又因為各個擋墻擁有相對獨立的特性，所以在實際作業中，可以考慮重新建設出現病害的擋墻。

2.2 橋墩加固改造設計

2.2.1 重力式橋墩

如果墩身出現豎向開裂病害， 明確是受到基礎橫向不均勻沉降影響，而且其沉降還在進行，需要及進對地基進行加固處理，并使用砂漿灌縫封閉作業，后使用封閉型鋼筋混凝土圍帶，提升墩身面截面積，并進行加固處理。 如果是墩身的水平裂縫病害，先觀察其開裂影響程度。 如果開裂幅度較小，并且可以保持穩定狀態，可以通過灌注高強度水泥漿進行封閉處理。 如果開裂幅度過大，或是其開裂病害仍處于發展狀態，不僅需要做常規的灌漿封閉處理，還需要通過外包鋼筋混凝土方式，做進一步的加固處理。 在墩帽位置出現裂縫病害，則要根據裂縫的寬度規格，使用環氧膠或是環氧砂漿進行灌縫處理。 如果裂縫寬度過大，則要使用封閉形鋼筋混凝土圍帶進行加固改造。

2.2.2 輕型橋墩

如果輕型橋墩的蓋梁、墩帽出現豎向裂縫或是斜裂縫，建議在受拉區的側面使用粘貼鋼板， 或是施加體外預應力等方法加固處理。 如果蓋梁、墩帽存在較長的懸臂或跨度，也可以在其下方通過增加柱體數量方式進行加固。 在墩柱發生歪斜病害時，如果影響因素是地基，則要做好地基的加固處理。 在之后產生的各種形式的歪斜病害， 均可以通過提升墩柱截面積、增設新墩柱等方式進行加固作業。

2.3 樁基礎加固改造設計

樁基礎加固改造可以采用以下兩種方式。

1）針對樁基的下沉、傾斜、斷樁等病害，可以使用增加鉆孔樁的方式，讓新建承臺與原承臺進行緊密結合。 如果是單排樁，也可以在原承臺基礎上，朝縱向增設新樁，構建三排樁基礎模式。 需要注意，如果在增設新樁過程中，施工空間不足，需要對橋面進行開鑿處理。 但在上部結構為空心板時，會對上部結構造成一定程度的損傷。 如果選擇在原有的兩樁中間進行插樁作業，不僅需要開鑿蓋梁，還需要拆除原有的兩樁中間上部結構，也會增加工程的復雜程度。

2）可以使用人工地基加固方式，處理樁基下沉、傾斜病害。通過鉆孔技術，深入承臺下方，進行靜壓注漿作業。或者在樁周圍進行鉆孔作業，使用直徑為250 mm 的砂樁，以垂直、斜向等模式進行設置。 如果擁有垂直放置條件，則建議使用垂直放置，從而提升砂樁周邊土體的密實度。 對于摩擦樁，則不建議使用高壓旋噴技術進行樁基礎加固[3]。 因為在施工階段，摩擦樁周邊土體平衡會受到影響，導致部分摩擦阻力喪失，讓樁基產生更大幅度的下沉或傾斜病害。 如果是柱樁，可以通過高壓旋噴技術進行加固處理，利用樁側土固結方式，獲得更大的摩擦阻力，達到樁基礎加固效果。

3 結語