橋梁涉水樁基玻纖復合材料加固系統應用研究

摘要 通過對棠墅港大橋的涉水樁基礎實地考察研究，分析其主要病害及成因，并將其與自制的水下玻纖加固系統相結合。結果表明：基于玻纖復合材料的加固系統能有效地解決此類問題根源，隨后討論了在國內水域中使用此種水下玻纖加固系統的實用性和技術優化的可能性，最后以我國水下玻纖加固系統工程為例，提出關于其實用價值和技術的進一步發展建議。

關鍵詞 橋梁涉水樁基；玻纖復合材料；水下玻纖套筒；樁基修復

中圖分類號 U445.72 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）15-0114-04

0 引言

據相關機構數據分析，截至2022年，我國橋梁已超150萬座，因其建造特性，涉水樁基維護和操作條件相較于陸地上更為嚴格。受限于水流影響，橋墩、樁基常常面臨著混凝土脫落、露筋的問題。目前常見的解決方案受到防汛抗旱等各種外部條件的限制，已不再適用于有效補強。因此，急需研發一套能夠適應各類環境中橋梁基礎加強工程新方法[1-3]。

自1970年開始，首個使用于蘭州市中山橋的水下玻璃纖維套管加強體系被引入，其對于遭受侵蝕或混凝土剝離問題的橋墩及基礎修補與強化效果顯著，同時也展現出在新建橋梁中的良好預固性能[4]。該研究基于現存的基礎結構增強系統，融合了自主創新設計——玻纖復合材料加固系統，以實施溫厚高速公路棠墅港大橋的維護與強化工作，并依據橋梁損傷狀況來決定相應的維修策略，為后續進一步推廣水下玻璃纖維加強系統的工程實踐提供了借鑒性的建議。

1 工程概況

溫厚高速坐落于該省的中部地區，其總長度為35 km，路基寬為28 m，路面寬度21 m，瀝青混凝土路面，雙向四車道，設計時速為120 km/h。建設時長3年，1999年2月投入使用。

棠墅港大橋中心樁號K720+144.5，下部結構采用了柱式墩配鉆孔灌注樁基礎，橋臺采用肋板式橋臺配鉆孔灌注樁基礎。

2 病害分析

經檢測，棠墅港大橋部分涉水樁基產生了露筋病害。具體病變情況如表1所示。其中，圖1～7為不同樁號水下病害情況。

根據表1中的棠墅港大橋樁基病害狀況，可知棠墅港橋梁存在嚴重的混凝土剝落、鋼筋裸露和腐蝕問題。以下是對此類病害原因的具體分析：

（1）由于長期的自然條件的影響，河川的人工作業導致河床脫落，樁基露出水面。另外，橋墩妨礙水流，水流加快，形成旋渦會侵蝕橋墩周圍的基礎。

（2）樁基基礎的鋼筋裸露問題是由加固護柵的位置誤差引起的。樁基基礎施工時，如果鋼圈沒有充分固定或有錯誤的位置，保護層會變薄甚至消失。在水的沖擊下，導致鋼筋裸露。

（3）剝落和干燥時水位變化，暴露的樁鋼筋會生銹膨脹，造成混凝土松動的剝落。

3 橋梁維修方案

對棠墅港橋梁進行修復研究時，選取了樁基6-1 #和7-2 #進行詳細修復分析。

3.1 施工流程

在對樁基6-1 #和7-2 #進行病害評估后，確定修復的范圍和大小，詳細情況如表2所示。

3.2 施工準備

（1）技術準備：修改設計圖和相關文件，確認工程內容的正確性，將工程進展情況書面化。同時，組織各級部門明確技術說明、工藝說明、工藝內容、操作方法、質量標準和安全注意事項等。并且，必須計劃人員配置，訓練員工。

（2）施工前準備工作：根據現場要求和建筑平面布告圖，設置施工警戒線，懸掛警示標志，保證材料和機械的防火、防潮、防雨等防護措施得到執行；檢查所有的設備，確認完好的狀態和文件等。

（3）在施工過程中，所有的機械設備都必須具備相應的檢定證書或合格證明。一旦施工機械進入施工現場，需立即進行防護和安全警告標識的設置。同時，在進入現場的位置上，也需嚴格按照施工平面布置圖來安排。

3.3 鋼筋混凝土樁清理

在清理鋼筋混凝土樁的過程中，首先需進行水下探測，以確定套筒安裝的具體位置。同時，也需記錄清理區域內混凝土的緊實程度、表面的粗糙度以及周圍混凝土的緊密程度等信息。潛入作業小組對原有樁基不穩固部分進行沖洗，并將斷裂處松動的水泥及其他不穩定的附屬材料進行清除，直至露出堅硬、密實的水泥[5-6]。

3.3.1 混凝土樁開挖深度確定

經過深海潛水員的探索與研究，依據現有的測試數據及設計文件，確認6-1 #基礎設計的螺栓長度應設定為5.4 m，并將其定位于從樁頂向下的5.4 m區域內。因為樁頂下方的0.5 m范圍內的樁體直徑相對較大，其周圍的混凝土超過了護甲裝置的長度，所以需要對這部分混凝土進行切割，以方便玻璃纖維套管的裝配和后續填充工作。此外，自樁頂往下的3.4 m以內，所有的樁基都被流沙所掩蓋，按照設計的要求，必須清除2 m左右的積砂。然而，由于施工現場的水流湍急且河沙易動，難以挖掘，因此將套管安裝的長度縮短到3.9 m，同時決定挖掘深度定為0.5 m。

7-2 #的樁基礎設計中，預設了長達2.3 m的套筒，其定位點位于樁體底部下方2.3 m的位置。考慮施工區域的水流量較大且含有大量砂礫可能造成挖掘樁體的難度增加的情況，決定沿用6-1 #的設計理念，縮短套筒的長度到1.7 m，并設定挖掘深度為0.5 m。

結合現場實際情況，該次樁基清理主要包括以下兩部分：

（1）在樁頂下方0.5 m的區域內進行混凝土樁基的鑿除操作。

（2）在樁頂下方3.4 m～0.5 m的區域內，進行流沙的挖掘和清理。

3.3.2混凝土鑿除方式確定

通常情況下，混凝土樁基礎的拆除任務會采取兩種方法來完成：一種是在水中操作的大型風鎬方式，其具有強大的力量且能高效地清除障礙物，同時可以在水下施工而無電力風險。然而，此方式也有一些缺陷，如設備重量較大、難以搬運等。另一種則是利用小型電鎬的方式，雖然它的重量較小，方便運輸與攜帶，但是由于功率相對較弱，所以清理速度上不如前者。當它在水域邊緣執行任務時，可能會出現電氣安全的潛在問題。

在開始拆除樁基礎混凝土之前，需要考慮水的流動情況、水位和周邊建設的環境等各種因素，并通過解決水流帶來的風力干擾來決定采用電動錘作為混凝土破碎工具。在清理樁基基礎土沙的過程中，要去除掉在上部混凝土上的異物，然后去除大型混凝土碎片，最終將小塊和流沙一同沖走。具體的操作過程可以參考圖8～14。

3.4 安裝玻纖套筒

在實施玻璃纖維套筒之前，需要根據設計和實際環境來確定安裝的位置。首先，通過測量儀表如線纜和量角器等工具，精確地標定出天的安裝點位。接著，潛水人員會運用高壓力的水流清潔這些已定的安裝區域。當所有清理工作完畢之后，助手們將會把套筒帶到水面上，按照潛水人員的指示，放置到預設的地方并且確保穩定。隨后，會在這個地方裝配好套筒，同時借助束縛設備將它牢固地系住，使其盡可能靠近樁體（通常情況下，間隔約0.5 m就需要有一個束縛裝置，在頂部和底部時需格外注意）。一旦所有的步驟都正確執行且被穩固后，潛水者即可開始應用空氣動力工具去擰緊套筒接頭處的螺栓（一般情況，標準的設置是10～15 cm長度的螺栓）。最終，使用密封橡皮圈覆蓋套筒的底部表面，并在施工現場添加一些防滲措施，例如土工布等，以此避免后續澆筑過程中的泄露情況發生。玻纖套筒安裝如下圖15～16所示。

在安裝完玻纖套筒后，開始注入環氧樹脂。根據設計需求，注漿材料種類和高度如表3所示。

在灌漿操作中，需要持續監測漿液流動情況并檢查是否有泄露現象發生，保證無漿液外溢風險。然后，當底部漿液均勻鋪設之后，開始進行后續的灌注工作，避免漿液過量導致資源浪費。此外，按照規定，應把漿液灌到樁基周邊的空隙處直至充滿為止，等整個灌注過程結束以后，接著用密封劑來封閉表面。

3.5 加固系統效果分析

通過對大橋修復加固效果研究，發現該橋跨水樁基礎玻璃纖維復合材料加固體系具有以下特點：

（1）強度高，耐紫外線，無需維護；

（2）環氧灌漿與碳水化合物的黏接強度高；

（3）適用范圍廣，適用于木材、混凝土、鋼梁等；

（4）耐腐蝕、耐水和化學能力強；

（5）能承受干濕、冷熱、冰與綠的相互作用；

（6）耐海水潮汐、廢水、電解等腐蝕；

（7）施工速度快、方便，無需堵橋、堵路；

（8）人工灌漿或送支桿施工材料；

（9）滿足海水、淡水和半咸水中的海洋生物的環保標準。

4 結語

橋墩與基礎在水中環境下的混凝土脫落及鋼筋暴露問題，是一種常見的建筑難題，然而傳統的強化方法既費時又昂貴，且需要多次修復。相比之下，水底玻璃纖維套管增強體系具有快速實施的能力，縮短了建設周期，并能提供良好的結構持久性能。因此，它在中國高速公路橋梁、港口設施等方面有廣泛的使用潛力。

為滿足后續對水下工程加固技術的更高防腐需求，可探討在玻纖套筒加固系統夾克內部增設犧牲陽極防腐裝置的實施方案。此舉措能夠提升玻纖套筒加固系統在強烈腐蝕環境中的耐用性，延長其使用壽命并增加其使用年限。

參考文獻

[1]郭泳江.山區高速公路橋梁樁基病害處治探討[J].公路交通科技（應用技術版），2019（6）：218-220.

[2]周霖.G243線兩河口大橋橋臺加固及重建方案對比研究[D].貴陽：貴州大學，2021.

[3]范薇.加強公路橋梁養護與維修加固的措施研究[J].科技創新與應用，2022（21）：111-114.

[4]肖勇輝.水下玻纖套筒加固技術研究[J].城市道橋與防洪，2017（7）：146-149+16-17.

[5]劉世新.淺談水下玻纖套筒加固樁基系統應用[C].中國公路學會養護與管理分會第九屆學術年會論文集，2019：414-416.

[6]齊文廷.外包混凝土及夾克法維修海水潮汐現象下樁基破損處[J].民營科技，2017（2）：170.

收稿日期：2024-03-22

作者簡介：孫永文（1969—），男，本科，工程師，研究方向：項目建設管理。