水下桥墩结构加固技术研究

水下桥墩结构加固技术研究

0水下结构加固工程的重要性根据相关部门的统计数据，2007年中国有52万座桥梁，每年建设一座桥梁超过10000座。这其中相当数量的桥梁基础、墩柱位于水中,桥梁水下结构的使用条件和使用环境较之水上结构更为恶劣。例如:水下较高的静态应力和疲劳应力、河水冲刷、淘刷、磨损、气蚀、严寒地区的冻融和侵蚀(化学腐蚀和电化学腐蚀)、船舶碰撞、浮冰及地震袭击、环境荷载(如生物附着)和桥梁上部结构传递的工作荷载等,均易导致桥梁水下结构形成各类损伤缺陷,且不易被发现,这些损伤、缺陷导致桥梁承载能力和耐久性降低,严重危及行车安全和桥梁的寿命。因此,研究可行的快速、便捷、低成本的桥梁水下结构加固技术具有重要的意义。在大量收集国内外相关技术资料的基础上,总结了若干最新桥梁水下结构加固技术,为我国桥梁加固工程实践提供技术参考。1新型钢沉箱干作业法传统上,进行桥梁水下结构的检测与加固需使用水下设备或使用临时钢板桩围堰,这些方法都耗用大量费用和时间。日本五洋建设公司针对水下结构加固难题开发了下沉钢箱法加固桥墩技术(Neo-DryRepairMethod,NDR工法),该技术是为了获得干燥的作业环境实施桥墩水中部分的加固而开发的施工方法,其利用拼装的钢沉箱,下沉环抱于桥墩四周,在钢沉箱与桥墩之间设置反力支撑抵抗深水压力,钢沉箱底部设置止水装置,形成一个与水隔离的空间,为加固工程创建一个干燥的工作环境,可用于河流和港口的水下结构检测、修复和加固。该技术主要结构构造有钢沉箱、内部支撑及止水构造,其加固原理如图1所示,钢沉箱由可利用浮力调整的双重钢板单元构成,沿待加固结构四周拼装成平面环状箱体,设于加固结构外侧,并设置了止水构造,提供防水隔断,内部排水实现内部干燥的作业空间,内部支撑间隔布置于钢沉箱与待加固结构之间,在抽水之后为钢沉箱提供侧向水压力平衡,由于两侧支撑之间互相平衡,整个临时设施是自平衡体系。新型沉箱干作业法通过水上作业及钢沉箱最小限度的隔水工作完成加固施工,由于钢沉箱临时设置于桥墩外侧,隔离了四周的水,在钢沉箱内部获得干燥的作业空间,从而能够确保加固施工的工作性和安全性,由于钢沉箱可以重复使用,具有较好的经济性能。该技术的具体施工工艺如下(其关键工艺如图2所示):(1)钢沉箱陆上拼装为了运输方便,钢沉箱可根据需要分割成较小单元在工厂制作,然后运输至现场在陆上拼装成两个半体;同时,安设内部侧向支撑。为了使钢沉箱象船舶一样地浮游,钢沉箱底部设置永久底板,其内部可根据需要注水、抽水实现下沉与上浮。(2)钢沉箱安装在待加固结构周围清理、底面整平之后,钢沉箱下水,采用船舶进行拖航,至预定位置进行闭合组合,使用千斤顶进行位置微调,注水沉设,进行安装,清扫底面,同时,在钢沉箱底板尖端部和既有构造物的间隙处设置止水构造。(3)水中混凝土打设为了填埋钢沉箱底板和既有构造物的间隙,防止涌水,进行水中不分离性混凝土浇筑。(4)钢沉箱内部排水安装内部支撑,对钢沉箱内部进行固定,随后,抽去钢沉箱内部水。(5)结构加固上述工作确保了加固结构干燥的作业空间,继而对该结构进行需要的加固,可采用普通的外包钢筋混凝土加固技术,通过凿毛、植筋等技术措施实现后加固结构与原有结构的可靠粘结,从而实现对水下结构的可靠加固。(6)钢沉箱回收加固工程完成之后,向钢沉箱内部注水,撤去内部支撑,将钢沉箱拆为两部分,排去钢沉箱夹层内的水,使之浮起并由铅垂状态转向水平状态,实现对钢沉箱回收与重复利用。新型钢沉箱干作业法使得位于河流和海洋中的水下桥墩实现低成本、干燥环境下的加固成为可能,由于其采用工作钢沉箱加固技术,具有以下显著工艺特点:1)由于调查,修复和加固工作可以进行干燥的条件下,工作环境和安全性改善,施工的质量提高;2)运输和安装可以借助于浮力进行,从而消除如梁下空间的最低要求和选择适当的机器;3)由于沉箱预先在工厂生产,在现场操作的时间大大减少;4)水上工作的领域面积较小,从而最大限度地减少中断交通和其他经济的影响;5)适用于不同形状的结构,包括圆形、椭圆形及矩形的结构基础或结构墩柱,以及墙式结构(使用钢板桩);6)由于沉箱可转换为或用于加固或修复结构的组成构件,这种新方法也被证明是经济的。2高压喷射清洗钢管与加固结构间隙间的浚胶普通加固方法一般仅能对结构基础以上部分进行加固,但经常也存在桥墩与桩基础直接相连,不能像一般结构那样地明确区分桥墩和基础,且对于桥梁下部结构,尤其是桩基础等水下结构,其最大弯矩点理论上并不位于基础顶部,通常位于基础以下数米,因此,对基础下部入土一定范围进行加固是十分必要的,而通常限于现有技术的局限,一般无法实现这一目标。最近,日本Raito公司开发了压入钢管法加固桥墩技术(SSP工法)0,加固原理如图3所示,其利用静力压入技术,将节段焊接拼装的加固钢管沿加固结构四周压入基础中,高压喷射清洗钢管与加固结构间隙间的泥土,灌注无收缩高性能砂浆,这一技术可实现位于基础以下部分结构的加固,同样也适合于水下桥墩或桩基础的加固。其具体工艺如下(其关键工艺如图4所示)。(1)反力钢板的设置为了实现静力压入钢管的目的,在桥墩或桩基础靠近顶部设置反力钢板,反力钢板固定于待加固结构四周侧面,在静力压入时,其反力通过自身实现平衡。(2)压入装置和加固钢管的设置沿加固结构四周布置千斤顶压入装置,千斤顶顶部反力于上部反力钢板,加固钢管按施工方便需要划分节段,沿环向由多片现场焊接。(3)加固钢管的压入通过压入装置施压,将加固钢管静力压入基础。(4)千斤顶的移动在加固钢管压入过程中,根据千斤顶行程调整千斤顶位置。(5)次加固钢管的连接第一节钢管压入之后,拼装焊接下一节钢管,依次循环压入,直至达到设计要求。(6)高压喷射清洗高压喷射清洗加固钢管与待加固结构之间的泥土。(7)填充砂浆的填充待泥浆清洗完毕,灌注无收缩高性能砂浆,加固完成。压入钢管加固技术适用于碎石土(碎石最大直径小于现有结构与加固钢管之间的间隙)、淤泥质土、粘性土、有机质土等土质条件下的直径300~1500mm各种桥墩、桩基础构件的加固,梁下空间不小于2.5m(如果空间过小,可从基础顶面向下挖掘),其具有以下显著工艺特点:1)适用于水中结构的部分修复与加固;2)焊接工作位于陆上,质量可靠;3)对基础加固时无需重新构筑基础,加固的同时实现原结构的防腐施工;4)上部开放的工作面,工人工作条件较好;5)作业过程低噪声、无污染;6)作业条件受恶劣气候条件影响小;7)无需大规模的临时隔水措施,不需要大型设备,经济性较好;8)加固过程对路面交通无影响;9)对结构尺寸及外观基本无改变,不影响通航净空。3非排水桥墩加固技术除了采用拼装钢沉箱或钢管的方法形成水下桥墩加固的封闭空间或填充模板,日本又利用预制混凝土面板作为加固时填充材料的模板,开发了预制混凝土面板快速桥墩加固法(PRISM工法,PrecastRapidIntensificationSystemtoManipulateRCPiers)0,该施工技术是以神户地震为契机发展起来的一种加固方法,采用高耐久性的预制混凝土面板包裹既有桥墩,用特殊的钢扣件闭合连接之后,对预制混凝土面板与既有桥墩间灌注水下不分散砂浆(图5),实现在不排水的条件下对水中桥墩进行加固,消除了传统加固方法中大规模的临时设施,对抗震加固工程在施工工期与经济性方面表现出良好的优势,适用于码头、河流、运河、港口等水下结构的加固。具体工艺如图6所示。(1)准备工作为了防止对周围河流造成污染,在施工区域设置污染预防膜,清除柱脚的沉积淤泥。(2)临时工程搭设施工工作平台,依靠既有桥墩,设置起重设备。(3)混凝土表面处理采用高速喷水枪等除去桥墩表面的附着物。(4)底部锚孔制作钻削弯曲加强钢筋锚孔。(5)抗弯钢筋设置对锚孔注入钢筋固定用胶黏剂,植入弯曲加强钢筋。(6)混凝土面板预制与拼装生产预制混凝土面板(预制厂生产),在现场沿桥墩四周水下拼装预制混凝土面板,底部固定锚栓安装。(7)填充水中不分散砂浆填充水中不分散砂浆。(8)水上部分施工包括水上加强钢筋的连接,水上预制混凝土面板组件拼装,水上砂浆浇注,水上砂浆采用低收缩砂浆。(9)临时设施拆除加固完成,拆除起重设备等工作设施,去除污染预防膜等。预制混凝土面板快速桥墩加固法利用预制混凝土面板作为其加固时的砂浆浇注外侧模板,相对于一般的钢模板施工钢材用量低,且混凝土面板内置横向加强钢筋可实现对桥墩的抗震或抗剪加固,其装配式施工,速度快,工艺简单,具有以下工艺特点:1)内含加强筋的预制混凝土面板可提供抗剪加固;2)桥墩柱脚设置弯曲加固的加强钢筋,可获得弯曲加固效果;3)中间贯通的横向钢筋为桥墩提高延性实现约束加固;4)采用的高耐久性预制混凝土面板,使用寿命长;5)不排水加固成为可能,缩短施工期限、降低成本。4预制混凝土面板快速桥墩加固法在我国钢沉箱、预应力混凝土桥墩基础上的应用,我国现有的技术有以下优势介绍与总结了若干最新水下桥墩结构加固技术,包括新型沉箱干作业法加固水下结构技术、压入钢管加固技术、预制混凝土面板快速桥墩加固法,其中:新型沉箱干作业法利用工作钢沉箱为水下结构加固创造了干燥的作业环境,其加固工作与陆上无异,工作环境和安全性改善,施工的质量具有可靠保证,但是,虽然钢沉箱可重复利用,首次投入仍然较大;压入钢管加固技术所需设备简单,工艺简便,尤其可实现基础下部入土一