京哈线滦河大桥桥墩病害原因分析及其整治

申文军

(中国铁路北京局集团有限公司工务处，北京 100044)

1 概述

桥梁水害对铁路行车安全影响很大，桥梁墩台基础附近的桥渡冲刷是引起桥梁水害的常见原因。已发生多起因桥渡冲刷引起的桥毁事故：2002年6月9日陇海线灞河桥被洪水冲垮引起双线行车中断，2001年8月2日蓝烟线外夹河桥因冲刷导致桥墩倒塌，造成重大经济损失[1-3]。因此，查明桥渡冲刷位置、程度及原因，在桥梁水害整治中至关重要[4]。以京哈线滦河特大桥桥墩病害为例，在现场勘察的基础上对水害原因进行分析，并提出相应整治措施和建议。

2 工程概况

2.1 京哈线滦河特大桥概况

京哈线滦河特大桥位于河北省滦县，桥西为滦县老站村，桥东为昌黎县大樊各庄村。该桥于2001年修建，为25跨32 m预应力混凝土T形梁桥，全长826 m。

2.2 地理环境

桥址区为丘陵地貌。勘察时滦河水面宽约240 m，哈尔滨端为河流冲积区，地势较为平坦，线路走向近东西向，垂直河道展布。

桥址上游约20 m处为旧桥桥墩及原施工便道，堆积有大量建筑垃圾；下游20 m处为单线并行的钢桁梁滦河大桥(1894年修建，目前已废弃，为国家级文物)。桥址上游分布有桃林口、大黑汀、潘家口3个水库，下游设置有橡胶坝。

2.3 气象及水文

桥址区属暖温带半湿润季风型大陆性气候区。冬季受西伯利亚和蒙古冷空气的影响，盛行偏北风；夏季受海洋气团和太平洋高压的影响，盛行偏南风，具有春季干燥多风、夏季闷热多雨、秋季昼暖夜寒、冬季寒冷少雪的特点。全年平均气温10.5 ℃，平均日照2 651.5 h，平均降水量为714.5 mm。

滦河常年有水，现场勘察时上游水库泄洪，河面开阔，河水湍急，水位达20.63 m。

地下水主要类型有孔隙水及基岩裂隙水，接受大气降水、地表水补给。

2.4 工程地质条件

滦河河床上部为第四系冲洪积层，主要为卵石土，局部夹粉砂、细砂、黏土等透镜体；下部为震旦系下统高于庄组中薄层白云岩，强风化，呈灰白、灰黄色。底部基岩风化较为强烈，局部溶蚀作用发育。工程场地地震烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.2g，反应谱特征周期为0.4 s。

3 桥墩病害原因分析

3.1 病害现状

据现场调查，大桥的6号～12号墩共8孔为过水断面，涉水墩台下方桩基均有岀露。桩基岀露长度为1.7～5.4 m，其外露部分钢筋已经暴露，钢筋锈蚀严重(见图1～图4)。

图1 承台及桩基外露

图2 主筋岀露

图3 箍筋岀露

图4 桥址区的建筑垃圾

6号墩至12号墩现状冲刷情况见表1。

表1 6号～12号墩现状冲刷情况 m

3.2 冲刷计算

滦河河床上部为第四系冲洪积层，主要为卵石土，局部夹粉砂、细砂、黏土等透镜体，下部为震旦系下统高于庄组中薄层白云岩，强风化，呈灰白、灰黄色。根据《铁路工程水文勘测设计规范》[5-6]中非黏性土河床一般冲刷计算公式对本桥进行一般冲刷计算。

(1)

式中A——单宽流量集中系数；

Bc——桥下河槽部分过水净宽/m；

hmc——桥下河槽部分最大水深/m；

hc——桥下河槽部分平均水深/m；

E——与汛期含砂量有关的系数；

dc——河槽土平均粒径/ mm；

hp——一般冲刷后最大水深/m。

桥渡冲刷深度计算成果见表2。

表2 设计冲刷深度成果 m

综合表1、表2可看出，桥墩遭受冲刷较为严重，现状河床面高程较建桥时下降了5.69～8.81 m，其中7号墩和12号墩下降最为严重(分别高达7.17 m和8.81 m)。

冲刷是引起滦河特大桥桥墩病害的主要原因，导致部分桩基钢筋外露，锈蚀严重，影响桥台稳定，危及列车运营安全。

3.3 冲刷原因分析

河道水文环境、地质环境、周边构筑物等因素加剧了桥渡冲刷，分析如下：

(1)上游3座水库集中放水，水量大，流速快，对河床冲刷力较强。

(2)河道为卵砾石土，级配不良，密实度较差，容易被淘蚀。

(3)下游挖沙活动加速了河流的下切作用。

(4)主河道改变至6号墩至12号墩，造成不同程度的冲刷破坏(其中12号桥墩局部冲刷最为明显)。在雷诺应力作用下，水流夹带砂石，在群桩间形成旋涡，磨蚀桩基，导致保护层破坏，钢筋外露(如图5)。

(5)上游旧墩台位置的施工便道未拆除，导致桥址上游10～50 m范围内存在大量建筑垃圾，造成河道阻塞，过水断面减小且不规整，水流紊乱，加剧了对桥墩的侧向冲刷和集中冲刷(如图6、图7)。

图5 桩基局部冲刷示意

图6 桥墩冲刷示意

图7 上游垃圾范围示意(单位：m)

(6)雨季集中降雨致使水位猛涨，冲刷进一步加剧。

3.4 腐蚀原因分析

(1)大量研究表明，氯离子是钢筋腐蚀的主要原因[7-8]，菲克第二扩散定律是其最好的表达

(2)

式中：C为扩散物质体积浓度/(kg/m3)，t为扩散时间/s，x为距离/m，D为扩散系数。

当钢筋表面层被入侵的氯离子溶解后，钢筋初始腐蚀正式开始[7,9]，其表达式为

(3)

式中：Ti为钢筋初始锈蚀时间，x为距离/m，D为扩散系数，C0为混凝土初始氯离子质量分数/%，Ccr为临界氯离子质量分数，erf为误差函数。

(2)金属的腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。处于水中部分的桩基，其外露的钢筋与水中的电解质形成腐蚀微电池，氢氧离子与溶解的铁离子结合形成氢氧化铁(铁锈)；处于水上部分的桩基长期处于潮湿环境，在雨、雾、霜、露、冰雪及水汽作用下，在其外露的钢筋表面形成一薄层导电水膜，易发生电化学发应[10]。

4 整治措施

4.1 河道清理

桥址处及上游10～50 m范围内存在大量建筑垃圾，可采取设置导流坝分期导流的方式对建筑垃圾进行清理，清理施工应在枯水季进行。

4.2 桥梁基础加固

分期导流清淤施工的同时，对清淤侧既有桥墩进行围堰加固施工，加固范围为6号～12号桥墩。

围堰实施主要有两种方案，一种为先在平台周围插打钢板桩，后期再进行混凝土浇筑形成围堰；第二种为在桥墩台附近采用预制的构件进行吊装拼接。第一种方案具有加固整体性好，对铁路运营影响小等优点，缺点为混凝土浇筑过程中受水流影响较大，水中施工存在一定安全风险。第二种方案具有混凝土浇筑质量好，施工速度快等优点，缺点是受场地限制，大型机械的使用可能会影响到既有铁路运营，机械操作不当可能会造成既有构筑物破坏。经综合考虑，决定采用第一种方案进行围堰加固[11-14]。

为减小围堰阻水系数，围堰两端采用圆形截面，围堰宽7.7 m，长度分别为17.7 m(6号～10号桥墩)及21.0 m(11号～12号桥墩)，厚60 cm，采用C35钢筋混凝土(围堰截面见图8～图9)。

图8 围堰截面(单位：m)

图9 围堰立面(单位：m)

6号～9号墩围堰顶部与桥梁承台顶部等高，围堰底部嵌入基岩不小于0.5 m，围堰内填筑碎石土至承台顶面。对10号～12号墩来说，因目前冲刷深度尚未至基岩面，如将围堰底部设置于基岩面，则下挖深度较大(最高围堰高度达11.5～17.2 m)，施工困难且对运营影响较大，故考虑将基底埋置于现状冲刷高程以下2 m。

4.3 外露桩基混凝土修复

6号～12号桥墩桩基因冲刷外露，外露部分桩基多有混凝土保护层剥落、桩基钢筋锈蚀等情况。

根据原桥设计情况，本桥桩基均为1.25 m嵌岩桩，桩基外露对桩头承载力影响不大，且目前冲刷深度尚未达到基岩面，故主要考虑恢复桩基外露部分完整性。将外露桩基(包括钢筋)表面清理干净，在既有桩基外包筑C40混凝土(厚度不小于100 mm)。外包混凝土与既有桩基间设置主筋及螺旋筋，形成钢筋网，主筋采取植筋的方式与既有桥梁桩基混凝土连接[15-17](见图10)。施工步骤如下。

图10 桩基加固示意

(1)表面处理

用气动工具(角磨机等)剔除松散混凝土，如果出现钢筋锈蚀情况，应对锈蚀钢筋用气动角磨机或钢丝刷进行除锈处理。要求处理之后的混凝土表面无松散混凝土、油污、水泥浆、水生物等污损物，并用气动角磨机将混凝土表面磨毛，以增加与灌浆料的粘结力。

(2)玻纤套筒安装

加固时先在套筒的锁扣槽内注入CMSR水下环氧封口胶，然后撑开玻纤套筒，包裹桩柱，精确定位后，用紧固带对玻璃纤维套筒进行临时固定，再用不锈钢自攻螺钉锚固套筒接缝处。不锈钢自攻螺钉采用气动起子(M10)进行安装，螺钉间距为150 mm。

(3)底部密封条安装

安装底部25 mm可压缩密封条，桩基与玻纤套筒底部之间不留空隙。

(4)水下环氧灌浆料灌注

采用高位漏斗重力灌浆法灌注CMEG水下环氧灌浆料，15 cm后封底暂停。

待封底的CMEG水下环氧灌浆料固化后继续灌注剩余的CMEG水下环氧灌浆料，直至灌满。

(5)顶部密封

采用CUCR水下环氧封顶胶密封玻纤套筒与桩柱连接处的顶部。灌浆料应至少固化24 h后，方可拆除紧固带。

4.4 河岸防护

为避免河水改变流向冲刷相邻墩台，对百年水位以下河岸边坡进行浆砌片石铺砌，铺砌范围为上游20 m，下游30 m，并设置垂裙进行防护。