中铁大桥（南京）桥隧诊治有限公司 江苏南京 210061
摘要：基于对桥墩加固原因及环境变更下的桥墩加固分析，归纳了桥墩加固的方法，总结了适用于不同桥墩加固的技术。对不同的桥墩病害及环境变更下加固技术在实际工程应用中，存在的施工工艺、经济性、可操作性以及加固维护效果等方面的差异进行阐述，可知各种桥墩加固技术，都具有其相应的优势与不足之处。应综合考虑多种因素，选用适当的加固技术。文中介绍了多种桥墩加固技术，为实际工程中桥墩加固提供参考。
关键词：钢筋混凝土；桥墩加固；加固技术；刚度加固法
引言
快速、便捷的交通在国民经济的发展起了重要的作用，同时随着交通量的迅猛发展，大吨位、超大吨位的载重车明显增加，突发灾害（地震作用，洪水冲击，漂浮物撞击，冻融交替等）频发，导致桥墩出现了各种各样的病害。钢筋混凝土桥墩容易出现混凝土碳化、裂缝、露筋、剥落、钢筋锈蚀、承载力下降以及抗侧移刚度降低等病害，严重影响了结构的耐久性及其使用性能，甚至导致桥梁的局部破坏和整体倒塌，造成严重的交通事故。桥墩作为桥梁结构中唯一的抗侧移的组成部分，对于桥梁具有重要的作用，因此桥墩病害的加固问题是桥梁维护和检修的重要课题，受到了国内外桥梁专家及工程人员的关注[1]。
桥墩病害和桥墩环境的变更都会对桥梁运营产生不利，对桥墩进行加固保证桥梁安全。目前桥墩加固技术有多种多样，本文总结归纳了桥墩加固方法，为实际工程提供参考。
1 桥墩的加固原因
桥墩是桥梁结构中重要的组成部分，一旦发生破坏，可能影响到桥梁的正常使用，甚至会导致桥梁坍塌。桥墩在运营和使用期间，由于各种因素，桥墩会出现各种需加固的病害。根据目前国内桥墩加固原因的总结，主要的桥墩加固原因分为以下几类。
1.1 竖向承载力不足
目前车辆荷载，特别是大吨位及超大吨位重载车辆数量的增加，桥墩受到直接荷载增加；同时桥墩在运营和使用过程中，桥墩实际受力面积在减小，导致桥墩承载力不足现象。另外环境变更，也会导致桥墩承载力不足：（1）桥墩和基础的有效摩擦降低，使得桥墩承担荷载加大，如河水冲刷、浅基水毁、基坑开挖；（2）尚不属于裂缝腐蚀病害的微裂缝，导致桥墩实际受力面降低；（3）旧桥改造中，荷载等级增加，桥墩承载力不足，如航道升级、桥梁改造等。
1.2 侧向位移过大
桥墩在桥墩运营时，要严格控制侧向位移，对于重大工程项目（轻轨，高铁等）的中高墩，长期运营导致桥墩结构损伤加剧，侧向刚度下降，导致侧向位移过大影响了列车的正常运营，同时存在安全隐患。
1.3 延性降低
桥墩延性高低是其抗震性能优越的一个重要指标，桥墩受到汽车、风载、船舶、水流等的冲击下，桥墩中的钢筋出现疲劳，桥墩自身的延性降低。在遇到小震的情况下，也可能导致桥墩破坏。
1.4 不均匀沉降
桥墩的不均为沉降原因主要有：（1）基础不均为沉降，由于地基土体的压缩量不等，基础出现不均匀沉降；（2）桥墩偏载，桥墩长期受到偏载的影响，都容易导致桥墩产生不均匀的沉降。
1.5 裂缝腐蚀
桥墩混凝土表面容易出现混凝土开裂的情况，当出现大面积裂缝时，如果不及时处理，水汽和SO2等酸性气体侵入，容易使钢筋锈蚀、混凝土碳化，最终承载力下降，桥墩破坏。
2 桥墩的加固技术
2.1 扩大截面加固法
扩大截面加固法主要是通过增大受力面积，从而降低混凝土和钢筋的压应力，确保墩柱中混凝土和钢筋压应力小于其抗压强度的加固技术。但为了使新旧混凝土有更好的粘结，一般在原桥墩上进行植筋处理，同时在桥墩周围绑扎钢筋笼，再浇筑新混凝土。
扩大截面加固法对结构承载力提高明显，耐久性、防火性好的优点，而且施工工艺相对简单；但现场湿作业量大，同时增加结构的附加荷载，对结构受力不利。
2.2 外包钢加固法
外包钢加固法是主要通过外包钢材对核心混凝土的约束作用，增加混凝土的承载力及其延性的加固技术。对外包钢技术进行大量的试验研究表明采用该技术提高了桥墩的抗震性能[2]。
桥墩在承受反复荷载作用下，容易在桥墩底部或顶部出现塑性铰。桥墩塑性铰的出现使得承载力下降，必须对桥墩进行加固。选用外包钢加固方法是理想的加固方法。外包钢加固方法分为干式和湿式，一般采用湿式方式，是在型钢和原桥墩之间留有空隙，并在其中浇灌乳胶水泥砂浆或环氧砂浆使两者粘结牢固[3]，在实际工程中应用广泛。
2.3 纤维布加固法
纤维布加固法是在桥墩表面粘贴纤维布高性能材料，而使得桥墩在承载力、特别是抗震性能得到显著的提高加固方法。纤维布包括芳纶纤维布、高强碳纤维布和玄武岩纤维布等。纤维布具有轻质高强、优良的耗能性能、耐磨性能、耐腐蚀性能、抗疲劳性能以及绝缘性能等[4]。纤维布应用于实际工程中，发挥其优越的性能，在混凝土桥墩加固方面具有独特的优势。
纤维布在加固时，首先对桥墩表面进行处理，凿出部分脱落、松动、老化及破损的混凝土，向裂缝灌注环氧树脂，同时对外露的钢筋进行清理及干燥；其次涂抹底胶；最后粘贴纤维布。
纤维布加固法对提高桥墩抗震性能、抗疲劳性能、抗冲击性能及绝缘性能有明显效果。其可以适用于各种长度，各种形状的表面，同样适用于高空，耐腐蚀，不生锈，桥墩表面无需打磨，与混凝土结合密实；但纤维布的抗老化性能较差，加固成本较高。
2.4 预应力加固法
2.4.1 体外预应力加固法
预应力加固法是在结构上配置预应力来抵消结构内力或是约束结构变形，使得混凝土截面不出现拉应力及结构整体性良好。
Y型桥墩在桥梁中得到了广泛的应用，当设计中没有配置抵消附加弯矩的钢筋时，这类型的桥墩容易产生类似于劈裂形式的破坏，此时必须对桥墩进行控制和处理。加固时先进行凿毛，再进行植筋浇筑永久钢模板，最后张拉预应力筋及浇封锚混凝土。具体施工流程如图1所示[5]。
该加固工艺加固效果明显，不受施工条件、场地限制，施工快捷灵活；但在张拉预应力筋时，施工安全问题比较突出。
图1 体外预应力加固法
2.4.2 竖向预应力锚索加固法
桥梁在航道改良的过程中，由低级别航道向高级别航道改造工程要求提升桥梁高程时，可对桥墩进行接高处理，桥墩接高是可采用竖向预应力锚索加固法。竖向预应力锚索增加桥墩的压力储备，增大安全系数，间接增加结构耐久性如图2所示[6]。
竖向预应力锚索安装工艺首先采用空气潜孔锤进行钻孔施工，锚固灌浆待浆体达到90%设计强度时，进行预应力筋张拉。最后压浆封锚。该方法对于旧桥改造具有一定的应用价值；同时也存在施工精度要求很高，施工难度大等问题。
图2 竖向预应力锚索加固法
2.5 旋喷桩加固法
旋喷桩加固法是利用拌浆系统、高压注浆泵、砖机等设备，将水泥浆变成强大动能射流，冲破土体，与土体充分搅拌，形成固结块体。
由于桥墩基础不均匀沉降，使得桥墩受力状态发生变化，容易导致桥墩倾斜，严重会发生落梁。当桥梁发生不均匀沉降时，应及时采取措施进行加固。为提高桥墩整体刚度可采用旋喷桩加固方法，旋喷桩主要作用：（1）承担一部分荷载，降低地基的承受的荷载，提高了地基土的承载力；（2）旋喷桩灌注过程中，水泥浆和水泥土与土和基础形成整体，提高了桥墩基础的整体性。这种加固技术工期短、造价低、质量可靠，同时不影响交通。
2.6 压入钢管加固法
压入钢管加固法是将钢管利用静力压入技术，并清理钢管与结构物间隙的泥土，最后用高压喷射高性能砂浆进行加固。随着桩长的增加一般的加固方法一方面施工难度加大，另一方面加固成本急剧增加，对于桩长较长的桩基础宜采用日本Raito公司开发的压入钢管加固法。
压入钢管加固法是将钢管不断压入基础中，具体施工工艺如图3所示[7]。压入钢管加固技术适用碎石土、淤泥质土、粘性土、有机质土等。该工艺安全可靠，无噪声，受自然条件影响小，经济性较好；但对上部桥墩的操作空间有一定要求。
图3 压入钢管加固法
2.7 增加横向刚度加固法
既有桥梁、桥墩在铁道运营的过程中，出现了不适应重载的需要，桥梁的中高桥墩出现横向自振频率降低，振幅增加，对这类桥墩采用增加横向刚度加固法。
图4中1～4为上、下行线并列加固方法，四种加固方法都明显增加了桥墩横向刚度，但是基础连接对横向刚度的提高影响不明显，考虑到新增加混凝土和原墩帽在长期运营过程中，容易出现开裂情况，同时保证墩帽的完整性，第2种方法更加合理。5～7为单线加固方法，三种加固方法都具有很好的加固效果应根据实际工程选用[8]。
增加横向刚度加固法能有效增强了桥墩横向刚度，不影响列车的通行，施工操作相对简单；但新浇混凝土和原混凝土的粘结问题以及列车振动对新浇混凝土凝结的影响比较大。
图4 横向刚度加固法
3 环境变更情况下的桥墩加固
3.1 航道升级
河道随着使用年限的增长，河里淤泥沉积容易导致河面上升，原先的桥梁净空不能满足通航的要求，另外船只吨位的不断升级，也导致桥梁净空不能满足要求，需要对航道进行升级，需要向河底深挖。对河底进行深挖时，使得桥墩基础部分受力发生改变，可对桥墩采用增加基桩的方法进行加固处理后，再进行深挖。
增加基桩加固法是用新基桩代替原墩台基础，在原墩台两侧对称布置基桩，将基桩桩顶、底系梁、墩柱底部形成为一个整体，基桩的设置应考虑上部荷载、水流荷载、船舶的撞击力等荷载，这种加固技术适用于土方开挖深度大的浅基础桥梁的桥墩。
3.2 河水冲刷
在桥墩处，河道收缩，引起河水流速增大，桥墩处产生了局部冲刷。随着冲刷深度的不断增加，造成桥墩基础承载力不足并对桥梁产生危害。为了避免桥墩破坏，采用外包混凝土套箍加固方案。
外包混凝土套箍加固方法是在原桥墩表面绑扎箍筋，箍筋的直径及间距满足要求，再浇筑混凝土形成套箍混凝土加固方法。
3.3 浅基水毁
浅基水毁桥墩是指桥墩埋置深度比较浅，正常水位时承载力等都满足要求，但洪水汛期时，由于水流冲刷，造成基础不稳定，桥梁被冲毁的情况。这类桥梁必须在枯水期进行加固施工，汛期时才能保证桥梁安全，采用“小直径钻孔桩帷幕压浆”防护措施。该方法的目的是增强桥墩基础周围土体的抗冲刷能力。
小直径钻孔桩帷幕压浆加固法是在离桥墩周围一定距离钻孔，孔的直径是根据实际工程计算得到，钻孔深度一般超过最大冲刷线以下3米。钻孔桩围绕基础一周，与基础形成类似于“大直径的桩基础”。
3.4 土体滑坡
土体滑坡是由于土体中存在薄弱层，当上层土体的自重沿滑动面的分力超过了薄弱层土体之间粘结力，土体发生下滑的现象。
对于锥坡病害宜采用锚索压浆方法进行加固。锚索压浆是在锥坡上，采用风动干钻法钻取竖直孔道，张拉锚索，自孔底向上采用二次注浆，最后采用混凝土将锚头封严等施工工艺。该方法施工技术难度比较大，专业性比较强，对于锥坡处理效果好，可作为类似工程借鉴的方法[9]。
3.5 基坑开挖
基坑开挖常常会对周围既有结构物产生沉降或倾斜的影响，特别是对轻轨等重大工程，一旦发生沉降或是倾斜，后果十分严重。在建轻轨基坑开挖时，主要是对基础沉降和墩台的水平位移这两个参数进行控制。在墩台的加固工程中，采用先注浆加固后隔离桩施工再连续墙施工，形成一个加固区域如图5所示，这种加固方式对基础沉降和墩台的水平位移这两个参数都能进行很好的控制[10]。
注浆加固施工流程：注浆孔布设–测量放点–钻孔–插入塑料套管–插入注浆芯管–安装孔口封闭器–压力注浆。隔离桩施工流程：测量放桩位–挖设护筒–旋挖钻机钻进–冲击钻入岩–清孔钢筋笼吊装–浇筑。该法加固效果好，适合重大工程桥墩加固；但施工质量要求高，工序繁琐，专业性强，加固成本高。
图5 注浆–隔离桩–连续墙加固法
3.6 临时栈桥改造成永久桥
临时栈桥改造成为永久桥工程是采用钢围堰浇筑混凝土的加固方法。外层钢围堰起到了挡水隔流的作用，内层钢围堰起到了模板作用如图6所示。
钢围堰将水隔断后，要对桥墩基础的淤泥进行清理，并将桥墩基础下挖到基础底板设计的高程，浇筑混凝土。混凝土浇筑完成后，作为模板的钢围堰不拆除，并在插入软管振动器进行振捣，同时将振捣过程中上涌的水排出钢围堰，达到干地浇筑混凝土[11]。该法施工方便，加固完全是干作业，加固质量得到保证；但加固工作量大，施工难度较高。
图6 钢围堰加固法
4 结语
通过对桥墩加固技术的归纳，总结了多种桥墩加固技术，简要概述各加固维护技术在实际工程中的应用和其施工工艺。由于加固方法都存在各自的优缺点，因此在加固方法选择时，应根据工程具体情况，选择符合实际工程的加固技术。
加固技术是桥梁改造及维护的重要手段，桥墩加固时，可能运用到多种加固技术。本文对多种加固方式进行总结分析，为实际工程提供参考。
参考文献：
[1] 叶见曙，等. 结构设计原理[M]. 北京：人民交通出版社，2002，7
[2] 任富栋，梁少雄，田家骅，钟益村. RC框架柱外包角钢加固方法的试验研究[J]. 建筑结构学报.1986（1）；16～24
[3] 吴云. 钢筋混凝土桥墩的加固方法[J]. 桥隧技术. 37～42
[4] 陈波. 高强碳纤维在桥墩加固中的应用[J]. 桥梁. 2008，60～62
[5] 崔清强. 双向受弯桥墩加固特点[J]. 桥梁建设. 2004（5）；77～80
[6] 唐俊，李飞. 竖向预应力锚索在旧桥墩加固利用中的应用[J]. 探矿工程. 2010（37）；62～63
[7] 魏洋，吴刚，吴智深，等. 水下桥墩加固新技术[J]. 建筑结构，2010（6）；683～686
[8] 卢炜，李承君. 大秦重载铁路既有中高圆形桥墩加固方案的研究[J]. 铁道建筑，2008（4）；17～19.
[9] 杨福斌. 桥台锥坡处理与桥墩加固实例分析[J]. 福建建筑. 2007（12）；89～90
[10] 李峰，邢心魁，等. 轻轨桥墩加固工序对其位移的影响[J]. 华北水利水电学院学报. 2009（12）；51～53.
[11] 孙震，梁仁群. 沙湾水电站临时栈桥桥墩加固技术应用研究[J]. 建筑科学与工程学报. 2008（24），457.
作者简介：瞿涛（1987-），男，江苏淮安，中铁大桥（南京）桥隧诊治有限公司，工程师，硕士，桥梁与隧道工程方向
通讯作者：赵大成（1981-），男，江苏淮安，中铁大桥（南京）桥隧诊治有限公司，高级工程师
论文作者:瞿涛,赵大成
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第10期
论文发表时间:2019/5/22
标签：桥墩论文; 混凝土论文; 桥梁论文; 承载力论文; 预应力论文; 方法论文; 荷载论文; 《建筑模拟》2019年第10期论文;