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摘要：桥梁水下桩基病害是桥梁比较常见的病害，若具有这种病害的桥梁得不到及时的加固处理，将会加速桩基内部钢筋的锈蚀和混凝土的破碎、剥落。与此同时，将严重影响结构的耐久性和可靠性。在不同程度上，桩基的承载力会受到影响，给桩基及整个桥梁造成极大的安全隐患。本文结合工程实例，经过方案的论证，提出较合理的处理方案和施工工艺，供同类桥梁桩基加固参考。
关键词：水下桩基；加固；施工工艺
0.前言
随着某桥梁所在区域经济和社会的发展，过往车辆的数量及重量不断激增，超载现象越来越普遍，并且环境污染日益严重，特别是该桥梁的水下桩基础常年遭受氯离子等化学物质腐蚀，当前状况令人堪优。在这种恶劣的环境情况下，该桥经过二十余年的运营使用后，其安全性及耐久性备受关注。本文根据桥梁桩基的实际病害情况，提出不同的加固方案后进行方案的可行性论述，推荐合理的加固方案，并重点介绍其施工工艺、施工方法及其在深水桩基础加固中的应用。
1.背景资料
某大桥所在水域同时具有河水和海水的双重特征。根据《检查报告》，大桥的河床面至水面约4.0~10.0m，个别墩附近河床面至水面12.0m，河流冲刷作用相当明显，且河床面多为砂质泥土、抛石及杂物，部分桩基水下部分有局部缩颈，纵向主筋外露，钢筋表面附着物较多，并轻度锈蚀。河流受到一定程度的污染，河水中含有大量的氯离子和腐蚀性有机物，对钢筋和混凝土具有极大的腐蚀性。
2.加固原则
加固原则应按以下执行：
（1）不压缩现有过水断面及满足通航条件的前提下，进行水下桩基础的耐久性加固。
（2）修复混凝土护筒下端受损水下桩身，提高桩基混凝土耐久性。
（3）对外露钢筋进行除锈、防锈处理，补充受损的钢筋面积，并采取有效措施进行保护，避免病害的进一步恶化。
（4）对桥墩基础应用防冲刷措施。
（5）维修加固后桥梁结构的安全性、耐久性得到提高。
（6）加固方案应与施工方法紧密结合。
3.加固方案的选择
对于桥梁下部结构的加固，交通部发布的《公路桥涵养护规范》（JTG H11-2004）、《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22-2008）、《公路桥梁加固施工技术规范》（JTG/T J23-2008）中规定：当墩台基础损坏严重，如出现大面积开裂、破损、风化、剥落时，一般可采用钢筋混凝土“箍套”加固，钢筋混凝土墩台山现缺损，而墩台基础身处于常水位以下时，可根据不同情况采用围堰抽水或水下作业的方法进行修补。然而由于该桥水位深、水流大等因素的影响，针对水下结构的加固往往具有施工不便、造价昂贵、施工质量无法保证等各种问题，结合该桥水下桩基础目前的实际状况，提出以下两种方案：
3.1组合式钢套筒加固方案
该方法由潜水员对水下桩身进行清理后，在桩身外安装一个经特殊抗腐蚀处理的组合式钢套筒，并由千斤顶顶入土层一定深度。直接在钢套内浇筑水下混凝土；浇筑的混凝上具有微膨胀、抗氯离子腐蚀、高流动性等特性。采用组合式钢套筒进行加固，由于大部分桩柱受损位置在水下6.5-10.0m深处，外包的钢套筒具有多种功能和作用：
（1）对混凝土起保护作用，提高水下桩基础的防腐蚀性能和耐久性。由于桩身外包混凝土的体积小（浇筑空间窄小）且为水下浇注，其质量如密实度、均匀性、抗海水渗透能力等不如水上的大体积混凝土，裸包在桩身外的水下混凝土的抗腐蚀性和耐久性不够理想，而外加钢套筒对混凝土起保护作用，有效抵抗海水穿透，明显提高混凝土抗腐蚀性和耐久性。
（2）约束混凝土作用，使形成的钢管混凝土与旧混凝土协同工作。通常的裸外包混凝土的结构加固方法须通过新、旧混凝土界面的牢固结合，才能使新旧结构协同工作、传递应力而达到加固目的，这就要求对结合面进行全面清理、打毛工艺，主要适用于水上结构加固，对于水下狭小空间这一工艺实施必将困难。而钢套筒内浇筑的混凝土受到约束与钢套筒形成空心的钢管混凝土柱结构（钢套筒不拆除），并与承台直接连接，等效于新增加了空心桩，内外的新旧混凝土结构能独立承担荷载，并与新旧混凝土协同工作。换言之，新、旧混凝土结合面的粘结和剪力传递对加固效果不起关键作用。
（3）作为模板浇注混凝土，同时可取消钢围堰，大幅度降低桥梁维修加固成本。
（4）利用钢套筒把桩身加固深入至河床土层50-100cm以上，可以增强加固效果。另外，水下桩身外包的钢套筒主要是起防腐、防冲刷、提高耐久性以及约束混凝土的作用，是基于加固设计主要解决防腐和耐久性问题的考虑，而作为浇注混凝土的模板作用是辅助的，且钢套筒费用只占工程造价构成的小部分。因此，桩身外包的钢套筒将保留（不拆卸）。
3.2钢围堰加固方案
根据桩基础、承台及横系梁的尺寸设计完成后，加工厂按设计要求加工制作钢围堰，然后利用施工平台设置导向，由浮吊或其他起重设备将钢围堰起吊拼装、注水下沉到设计标高，浇筑封底混凝土，同时安装预埋桩基础结构主筋。待封底混凝土浇筑完成，达到设计要求后抽水、安装内支撑。抽水完成后对桩基础结构表面缺陷进行预处理，按设计间距、预定位置在桩基础结构四周按设计要求安装结构主筋，并与预埋结构主筋连接锚固，安装钢筋笼。然后，安装桩基础模板，一次性浇筑混凝土，待混凝土达到设计强度后拆除模板、注水、拆除相应内支撑，拆除钢围堰，完成桩基础加固施工。
采用钢围堰进行加固，施工工作面可以展开，对结构表面处理比较方便，施工工艺成熟，可以有效的对桥梁下部结构（特别是水下结构）进行加固处理，提高桥梁的耐久性。钢围堰壁板可重复利用，对施工期水位要求较低。但钢围堰对桥梁通航净空有一定的影响，且钢围堰结构用钢量大，运输、拼装及下放需要采用大型设备，投入资源较多，经济投入较大，间接费用高。钢围堰施工净空要求较大，通常难于满足要求。本桥净空约12m，而施工作业需要大于20m的净空。此外，由于挖土困难，土层下的加固深度通常小于3m，不能满足施工要求。
3.3加固方案比选
从工期、施工难度、施工净空要求、适用性及施工费用等几个方面对以上两个加固方案进行比选，见表1。
4.施工工艺
主要施工顺序为：清理桥墩下河床并开挖桩周河床→桩身表面处理凿毛→钻孔植筋→钢筋水下安装→钢套筒定位、安装→灌注高性能水下混凝土→拆除钢护筒→桩基水下拍照。
（1）清理河床及摸查桩基桩径
进行人工清理桩周附近的河床抛石、杂物等，清理完毕后，挖开桩基周围河床约100cm深（实际加固长度入河床50cm，另50cm作为潜水员工作高度），在河床底浇筑50cm厚C30水下混凝土浇筑作为钢套筒垫层，再进行钢套筒施工。施工前进一步摸查桩基的直径及桩周情况以确定钢套筒的大小。
（2）清除受腐蚀混凝土
原桩体外表混凝土受水流冲刷、混凝上碳化及海水中氯离子渗透等因素影剥落和腐蚀导致表层松散，浇注外包混凝土之前，应该潜入水中使用高压风动镐，高压水枪对桩体表面剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土及附生在混凝土表面的水生生物进行清理，并对锈蚀钢筋进行除锈处理，然后采用水下砂轮机打磨结构表面混凝土砂浆浮层，露出混凝土新鲜坚实结构层。由于在原桩体外外包钢套筒内填微膨胀性混凝土，形成的径向围压能有效地加强新旧混凝士的结合。
（3）植筋
水下清理受损混凝土及钢筋除锈。对受损断面大于5%的钢筋进行植筋补焊，原则上补焊的钢筋直径与原筋一样，补焊筋长度按实际长度加7D（D为钢筋直径），采用双面水下焊接。
（4）水上施工平台
水上施工平台使用租赁船舶作为作业面。
（5）钢套管安装
钢套筒通过租用的船舶水面运输到指定位置，经过精确定位后沉入安装。各节的二分圆组合套筒采用M20高强防锈螺栓连接，并用间断焊缝搭接，焊缝总长大于50cm。钢套筒的安装和焊接尽量在低水位时进行，以确保安装质量。钢套筒中心安装误差控制在士10mm以内。
（6）混凝土的泵送和灌注
混凝土由混凝土搅拌机搅拌，通过在水面上架设的水平管道运输，或者通过租用的船舶水面运输。通过水面施工平台上的高压灌注机将搅拌好的水下混凝土由2条以上灌注管从钢套筒底部的桩两侧同时灌注，灌注时灌注管沿桩周来回缓慢移动，同时用振动棒搅动混凝土使其均匀密实。浇注压力大于500kPa：压注满混凝土后，再用直径30cm钢板将浇注孔焊接封堵。
图1 桩基加固大样
5.结语
由于各方面原因，部分桥梁桩基出现不同程度的混凝土蜂窝麻面、露筋等病害，特别是在河水或者临近海边水中的桩基，在常年累月的冲刷和侵蚀下，造成了混凝土剥落或钢筋的锈蚀。所以必须对水中桩基进行“包桩”加固。在水中进行桩基加固时，因受不同水深的影响所考虑的施工方案有所不同，加固方案的实施主要考虑施工方案的选择是否安全、方便、经济。通过本文的论述和工程的实际应用，验证了采用组合式钢套筒加固方案对水中桩基进行加固修补是科学、有效的，施工质量是可以控制的，可以大大节约工期，减少投资。在对桩基病害进行处治的施工过程中，对水下病害的修补工艺积累了一定的经验，为今后类似工程施工提供了借鉴。相关的施工工艺，有待在今后相应的工程实践中不断总结、完善和提高。
参考文献
[1]JTG/TJ22-2008.公路桥梁加固设计规范[S].
[2]JTG/TJ23-2008.公路桥梁加固施工技术规范[S].
[3]于志东，荣芳.公路桥梁常见病害分析与加固措施[J].黑龙江交通科技，2009，（3）.
论文作者:贺俊毅
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/9
标签：混凝土论文; 套筒论文; 桩基论文; 水下论文; 桥梁论文; 围堰论文; 结构论文; 《建筑学研究前沿》2018年第2期论文;