水下橋墩結構加固技術研究

0水下結構加固工程的重要性根據(jù)相關部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2007年中國有52萬座橋梁，每年建設一座橋梁超過10000座。這其中相當數(shù)量的橋梁基礎、墩柱位于水中,橋梁水下結構的使用條件和使用環(huán)境較之水上結構更為惡劣。例如:水下較高的靜態(tài)應力和疲勞應力、河水沖刷、淘刷、磨損、氣蝕、嚴寒地區(qū)的凍融和侵蝕(化學腐蝕和電化學腐蝕)、船舶碰撞、浮冰及地震襲擊、環(huán)境荷載(如生物附著)和橋梁上部結構傳遞的工作荷載等,均易導致橋梁水下結構形成各類損傷缺陷,且不易被發(fā)現(xiàn),這些損傷、缺陷導致橋梁承載能力和耐久性降低,嚴重危及行車安全和橋梁的壽命。因此,研究可行的快速、便捷、低成本的橋梁水下結構加固技術具有重要的意義。在大量收集國內外相關技術資料的基礎上,總結了若干最新橋梁水下結構加固技術,為我國橋梁加固工程實踐提供技術參考。1新型鋼沉箱干作業(yè)法傳統(tǒng)上,進行橋梁水下結構的檢測與加固需使用水下設備或使用臨時鋼板樁圍堰,這些方法都耗用大量費用和時間。日本五洋建設公司針對水下結構加固難題開發(fā)了下沉鋼箱法加固橋墩技術(Neo-DryRepairMethod,NDR工法),該技術是為了獲得干燥的作業(yè)環(huán)境實施橋墩水中部分的加固而開發(fā)的施工方法,其利用拼裝的鋼沉箱,下沉環(huán)抱于橋墩四周,在鋼沉箱與橋墩之間設置反力支撐抵抗深水壓力,鋼沉箱底部設置止水裝置,形成一個與水隔離的空間,為加固工程創(chuàng)建一個干燥的工作環(huán)境,可用于河流和港口的水下結構檢測、修復和加固。該技術主要結構構造有鋼沉箱、內部支撐及止水構造,其加固原理如圖1所示,鋼沉箱由可利用浮力調整的雙重鋼板單元構成,沿待加固結構四周拼裝成平面環(huán)狀箱體,設于加固結構外側,并設置了止水構造,提供防水隔斷,內部排水實現(xiàn)內部干燥的作業(yè)空間,內部支撐間隔布置于鋼沉箱與待加固結構之間,在抽水之后為鋼沉箱提供側向水壓力平衡,由于兩側支撐之間互相平衡,整個臨時設施是自平衡體系。新型沉箱干作業(yè)法通過水上作業(yè)及鋼沉箱最小限度的隔水工作完成加固施工,由于鋼沉箱臨時設置于橋墩外側,隔離了四周的水,在鋼沉箱內部獲得干燥的作業(yè)空間,從而能夠確保加固施工的工作性和安全性,由于鋼沉箱可以重復使用,具有較好的經(jīng)濟性能。該技術的具體施工工藝如下(其關鍵工藝如圖2所示):(1)鋼沉箱陸上拼裝為了運輸方便,鋼沉箱可根據(jù)需要分割成較小單元在工廠制作,然后運輸至現(xiàn)場在陸上拼裝成兩個半體;同時,安設內部側向支撐。為了使鋼沉箱象船舶一樣地浮游,鋼沉箱底部設置永久底板,其內部可根據(jù)需要注水、抽水實現(xiàn)下沉與上浮。(2)鋼沉箱安裝在待加固結構周圍清理、底面整平之后,鋼沉箱下水,采用船舶進行拖航,至預定位置進行閉合組合,使用千斤頂進行位置微調,注水沉設,進行安裝,清掃底面,同時,在鋼沉箱底板尖端部和既有構造物的間隙處設置止水構造。(3)水中混凝土打設為了填埋鋼沉箱底板和既有構造物的間隙,防止涌水,進行水中不分離性混凝土澆筑。(4)鋼沉箱內部排水安裝內部支撐,對鋼沉箱內部進行固定,隨后,抽去鋼沉箱內部水。(5)結構加固上述工作確保了加固結構干燥的作業(yè)空間,繼而對該結構進行需要的加固,可采用普通的外包鋼筋混凝土加固技術,通過鑿毛、植筋等技術措施實現(xiàn)后加固結構與原有結構的可靠粘結,從而實現(xiàn)對水下結構的可靠加固。(6)鋼沉箱回收加固工程完成之后,向鋼沉箱內部注水,撤去內部支撐,將鋼沉箱拆為兩部分,排去鋼沉箱夾層內的水,使之浮起并由鉛垂狀態(tài)轉向水平狀態(tài),實現(xiàn)對鋼沉箱回收與重復利用。新型鋼沉箱干作業(yè)法使得位于河流和海洋中的水下橋墩實現(xiàn)低成本、干燥環(huán)境下的加固成為可能,由于其采用工作鋼沉箱加固技術,具有以下顯著工藝特點:1)由于調查,修復和加固工作可以進行干燥的條件下,工作環(huán)境和安全性改善,施工的質量提高;2)運輸和安裝可以借助于浮力進行,從而消除如梁下空間的最低要求和選擇適當?shù)臋C器;3)由于沉箱預先在工廠生產(chǎn),在現(xiàn)場操作的時間大大減少;4)水上工作的領域面積較小,從而最大限度地減少中斷交通和其他經(jīng)濟的影響;5)適用于不同形狀的結構,包括圓形、橢圓形及矩形的結構基礎或結構墩柱,以及墻式結構(使用鋼板樁);6)由于沉箱可轉換為或用于加固或修復結構的組成構件,這種新方法也被證明是經(jīng)濟的。2高壓噴射清洗鋼管與加固結構間隙間的浚膠普通加固方法一般僅能對結構基礎以上部分進行加固,但經(jīng)常也存在橋墩與樁基礎直接相連,不能像一般結構那樣地明確區(qū)分橋墩和基礎,且對于橋梁下部結構,尤其是樁基礎等水下結構,其最大彎矩點理論上并不位于基礎頂部,通常位于基礎以下數(shù)米,因此,對基礎下部入土一定范圍進行加固是十分必要的,而通常限于現(xiàn)有技術的局限,一般無法實現(xiàn)這一目標。最近,日本Raito公司開發(fā)了壓入鋼管法加固橋墩技術(SSP工法)0,加固原理如圖3所示,其利用靜力壓入技術,將節(jié)段焊接拼裝的加固鋼管沿加固結構四周壓入基礎中,高壓噴射清洗鋼管與加固結構間隙間的泥土,灌注無收縮高性能砂漿,這一技術可實現(xiàn)位于基礎以下部分結構的加固,同樣也適合于水下橋墩或樁基礎的加固。其具體工藝如下(其關鍵工藝如圖4所示)。(1)反力鋼板的設置為了實現(xiàn)靜力壓入鋼管的目的,在橋墩或樁基礎靠近頂部設置反力鋼板,反力鋼板固定于待加固結構四周側面,在靜力壓入時,其反力通過自身實現(xiàn)平衡。(2)壓入裝置和加固鋼管的設置沿加固結構四周布置千斤頂壓入裝置,千斤頂頂部反力于上部反力鋼板,加固鋼管按施工方便需要劃分節(jié)段,沿環(huán)向由多片現(xiàn)場焊接。(3)加固鋼管的壓入通過壓入裝置施壓,將加固鋼管靜力壓入基礎。(4)千斤頂?shù)囊苿釉诩庸啼摴軌喝脒^程中,根據(jù)千斤頂行程調整千斤頂位置。(5)次加固鋼管的連接第一節(jié)鋼管壓入之后,拼裝焊接下一節(jié)鋼管,依次循環(huán)壓入,直至達到設計要求。(6)高壓噴射清洗高壓噴射清洗加固鋼管與待加固結構之間的泥土。(7)填充砂漿的填充待泥漿清洗完畢,灌注無收縮高性能砂漿,加固完成。壓入鋼管加固技術適用于碎石土(碎石最大直徑小于現(xiàn)有結構與加固鋼管之間的間隙)、淤泥質土、粘性土、有機質土等土質條件下的直徑300~1500mm各種橋墩、樁基礎構件的加固,梁下空間不小于2.5m(如果空間過小,可從基礎頂面向下挖掘),其具有以下顯著工藝特點:1)適用于水中結構的部分修復與加固;2)焊接工作位于陸上,質量可靠;3)對基礎加固時無需重新構筑基礎,加固的同時實現(xiàn)原結構的防腐施工;4)上部開放的工作面,工人工作條件較好;5)作業(yè)過程低噪聲、無污染;6)作業(yè)條件受惡劣氣候條件影響小;7)無需大規(guī)模的臨時隔水措施,不需要大型設備,經(jīng)濟性較好;8)加固過程對路面交通無影響;9)對結構尺寸及外觀基本無改變,不影響通航凈空。3非排水橋墩加固技術除了采用拼裝鋼沉箱或鋼管的方法形成水下橋墩加固的封閉空間或填充模板,日本又利用預制混凝土面板作為加固時填充材料的模板,開發(fā)了預制混凝土面板快速橋墩加固法(PRISM工法,PrecastRapidIntensificationSystemtoManipulateRCPiers)0,該施工技術是以神戶地震為契機發(fā)展起來的一種加固方法,采用高耐久性的預制混凝土面板包裹既有橋墩,用特殊的鋼扣件閉合連接之后,對預制混凝土面板與既有橋墩間灌注水下不分散砂漿(圖5),實現(xiàn)在不排水的條件下對水中橋墩進行加固,消除了傳統(tǒng)加固方法中大規(guī)模的臨時設施,對抗震加固工程在施工工期與經(jīng)濟性方面表現(xiàn)出良好的優(yōu)勢,適用于碼頭、河流、運河、港口等水下結構的加固。具體工藝如圖6所示。(1)準備工作為了防止對周圍河流造成污染,在施工區(qū)域設置污染預防膜,清除柱腳的沉積淤泥。(2)臨時工程搭設施工工作平臺,依靠既有橋墩,設置起重設備。(3)混凝土表面處理采用高速噴水槍等除去橋墩表面的附著物。(4)底部錨孔制作鉆削彎曲加強鋼筋錨孔。(5)抗彎鋼筋設置對錨孔注入鋼筋固定用膠黏劑,植入彎曲加強鋼筋。(6)混凝土面板預制與拼裝生產(chǎn)預制混凝土面板(預制廠生產(chǎn)),在現(xiàn)場沿橋墩四周水下拼裝預制混凝土面板,底部固定錨栓安裝。(7)填充水中不分散砂漿填充水中不分散砂漿。(8)水上部分施工包括水上加強鋼筋的連接,水上預制混凝土面板組件拼裝,水上砂漿澆注,水上砂漿采用低收縮砂漿。(9)臨時設施拆除加固完成,拆除起重設備等工作設施,去除污染預防膜等。預制混凝土面板快速橋墩加固法利用預制混凝土面板作為其加固時的砂漿澆注外側模板,相對于一般的鋼模板施工鋼材用量低,且混凝土面板內置橫向加強鋼筋可實現(xiàn)對橋墩的抗震或抗剪加固,其裝配式施工,速度快,工藝簡單,具有以下工藝特點:1)內含加強筋的預制混凝土面板可提供抗剪加固;2)橋墩柱腳設置彎曲加固的加強鋼筋,可獲得彎曲加固效果;3)中間貫通的橫向鋼筋為橋墩提高延性實現(xiàn)約束加固;4)采用的高耐久性預制混凝土面板,使用壽命長;5)不排水加固成為可能,縮短施工期限、降低成本。4預制混凝土面板快速橋墩加固法在我國鋼沉箱、預應力混凝土橋墩基礎上的應用,我國現(xiàn)有的技術有以下優(yōu)勢介紹與總結了若干最新水下橋墩結構加固技術,包括新型沉箱干作業(yè)法加固水下結構技術、壓入鋼管加固技術、預制混凝土面板快速橋墩加固法,其中:新型沉箱干作業(yè)法利用工作鋼沉箱為水下結構加固創(chuàng)造了干燥的作業(yè)環(huán)境,其加固工作與陸上無異,工作環(huán)境和安全性改善,施工的質量具有可靠保證,但是,雖然鋼沉箱可重復利用,首次投入仍然較大;壓入鋼管加固技術所需設備簡單,工藝簡便,尤其可實現(xiàn)基礎下部入土一