浅谈铁路桥墩顶帽和托盘开裂病害整治方法

(天津铁道职业技术学院，天津 300240)

一、工程概况及病害简介

集包铁路第二双线(现由部分唐呼线、京包客专线、京包线和包兰线组成)位于华北地区内蒙古西部，东起乌兰察布市、西至包头市，地处严寒地区，是我国与蒙古、俄罗斯开展经济贸易合作的主要运输通道，也是蒙西地区煤炭外运和大秦铁路相连的重要通道。

该线为新建客货共线、双线、Ⅰ级电气化铁路，设计时速160km/h，线路全长307.9km，其中新建线263.2km，改造利用既有线44.7km；2009年4月开工建设，2012年12月正式开通运营；2014年12月完成提速改造，开行时速200km/h动车组。桥墩为圆端形实体墩，基础为桩基础；桥台为T形桥台，基础为扩大基础，防落梁设备为埋入式角钢支架结构。开通运营已4年多， 2015年9月的秋季检查中，发现大量桥梁桥墩托盘开裂、渗水，墩顶防落梁设备失效等病害，经统计，共有46座桥梁、211个桥墩出现托盘开裂、渗水、泛白，墩顶防落梁设备失效的病害，部分病害已达到《铁路桥隧建筑物劣化评定标准》中的A级。桥墩病害典型照片见图1、图2。

病害主要有以下三种：

图1 防落梁设备典型病害

图2 托盘典型病害

(一)部分防落梁设备预留锚孔混凝土发生鼓胀、剥离，三角钢架从预留锚孔内顶出、变形，导致防落梁装置失效，见图1。

(二)桥墩墩帽裂缝主要分布在防落梁设备预留锚孔附近，裂缝以预留锚孔为起点向墩帽边缘扩展，部分裂缝扩展至墩帽边缘后、沿墩帽高度竖向发展、贯通全高，并向下延伸至托盘。

(三)桥墩托盘裂缝主要分布在托盘曲面、防落梁设备预留锚孔附近，裂缝沿托盘曲面发展形成竖向、环向、网状裂缝，严重的出现贯通裂缝及剥离、错台现象，裂缝开裂处渗水严重、有大量析出物和锈渍，见图2。

二、病害原因分析

(一)原因分析

裂缝是混凝土结构最主要的病害之一，一般分为结构性裂缝和非结构性裂缝。

结构性裂缝是由于荷载引起的，往往有以下几种情况：一是桥墩在设计时是以承受压力为主的，而在运营过程中墩顶的实际工作状态与设计有出入引起次应力导致开裂，主要表现在墩顶支座处，如活动支座固定或活动支座位移超限等，使得墩顶受拉力产生裂缝；二是桥墩受压力达到承载力极限导致开裂，如桥墩中心受压超限沿墩身出现平行于受压方向的裂缝，偏心受压出现的与受拉方向垂直的裂缝，局部受压区出现的与受压方向大致平行的多条短裂缝等；其次还有桥墩因混凝土收缩、温度变化、车辆撞击、地基不均匀沉降等引起的开裂。

非结构性裂缝主要有一是混凝土碳化。一般情况下混凝土呈碱性，在钢筋表面形成碱性薄膜，保护钢筋免受酸性介质的侵蚀，混凝土碳化后使混凝土碱性降低，水分和其它有害介质侵入结构使钢筋产生锈蚀，体积膨胀，同时加剧混凝土收缩导致结构开裂；二是混凝土碱-集料反应。水泥中碱和骨料中的活性硅发生反应生成硅胶化合物，伴随着吸水膨胀导致结构开裂；三是冻融循环。混凝土结构冻胀主要是冬季水汽在混凝土孔隙中沿着低温度的方向生成了冰晶微体，体积膨胀导致结构开裂，产生无限制冻融循环。其次还有氯离子侵蚀、电腐蚀等引起的开裂。

(二)病害原因

检查分析了墩顶支座运营情况、墩身裂缝、地基现状等，从桥墩墩帽和托盘的裂缝分布形态、防落梁设备的失效形态和预留锚孔不密实、存在积水的情况可做出如下分析结论：防落梁设备预留锚孔内积水冻胀是产生裂缝的主要原因，裂缝为非结构受力性裂缝。

防落梁设备预留锚孔内混凝土浇筑不密实、雨水容易渗入，内部宏观空洞和孔道较多、水在结构中迁移比较容易，地处严寒地区，冬季时，锚孔内积水冻结、体积膨胀产生的冻胀力应力集中比较严重，使墩帽和托盘混凝土发生冻胀开裂，且托盘为素混凝土结构，内部无钢筋限制裂缝发展，经过多年反复冻融循环导致裂缝宽度和深度不断加大，病害日趋严重。冻胀作用使墩身内裂缝产生的破坏部分冻胀量加大，因而沿墩身内向外方向产生应力薄弱处裂缝延伸，混凝土冻融损伤后，内部产生微裂纹并残留不可逆的残余膨胀变形，引起混凝土体积膨胀冻胀现象已经成为铁路桥破坏的一种严重病害形式。在春融期，由于混凝土裂纹冰晶体的融解，又成为混凝土力学性能降低主要外因，因而成为桥梁结构承载力降低的主要原因。

桥墩墩帽和托盘大量开裂，一方面降低了接触网立柱和支座支承垫石的可靠性，影响线路运营安全；另一方面导致防落梁设备锚固端丧失了承载能力，无法发挥其抗震防落梁作用；再一方面，裂缝的存在改变了桥墩结构的受力状态，将进一步加剧结构内部的劣化，影响结构的使用性能和耐久性能。

三、病害分类

在现场调查的基础上，依据《铁路桥隧建筑物劣化评定标准》，按照桥墩托盘病害严重程度，将桥墩病害分为Ⅰ类和Ⅱ类两种类型。

Ⅰ类病害：此类桥墩托盘存在少量或局部裂缝，裂缝宽度小于0.3mm、裂缝长度不超过托盘高度一半，未形成贯通裂缝，病害程度较轻。

Ⅱ类病害：此类桥墩托盘裂缝宽度达到0.3mm及以上、裂缝长度超过托盘高度一半，或者形成贯通裂缝、环向、网状裂缝，裂缝渗水严重，病害程度按劣化评定为A级。

根据上述病害分类原则，对已查明的211个桥墩按照托盘开裂病害严重程度进行了分类，其中101个桥墩归为Ⅰ类病害，110个桥墩归为Ⅱ类病害。

四、整治原则及整治方案

(一)整治原则

由于桥墩墩帽和托盘裂缝开裂严重，已超过规范规定限值，且有逐年加重趋势，对结构内部的劣化将产生极大影响，进而降低结构的承载能力和耐久性，为了保证线路运营安全，必须对病害进行整治。

整治原则是在消除病因后，采取措施解决目前出现的病害，在不改变原有结构恢复正常使用功能的基础上，提高结构的可靠性和耐久性，防止再次出现因防落梁预留锚孔积水冻胀引起的桥墩开裂病害。

(二)整治方案

整治方案为重新安装防落梁设备、清理孔内杂物及积水，对墩帽和托盘裂缝进行压注胶修复、封闭，针对Ⅰ类病害桥墩对裂缝宽度达到0.3mm及以上的墩帽还需采用钢筋混凝土加厚的方式进行加固，针对Ⅱ类病害桥墩对托盘曲面采用外包钢筋混凝土的方式进行加固，对墩帽采用钢筋混凝土加厚的方式进行加固，重做墩顶排水坡和防水层。

主要施工步骤及流程如下：

1.凿除防落梁设备附近的排水坡和预留锚孔内的混凝土，将角钢支架拔出，拆除孔内PVC管；对预留锚孔孔壁进行凿毛处理，凿除破损的混凝土；将预留锚孔内杂物、混凝土碎块、水等清理干净；在托盘曲面斜向钻孔至预留锚孔底部，排除预留锚孔内积水，用热风机吹干孔道。

2.待预留锚孔内干燥后，重新安装角钢支架，浇筑C40高性能细石混凝土，填实预留锚孔和托盘孔眼，抹平孔口。

3.待防落梁设备重新安装完成后，凿除墩帽和托盘开裂处松散、剥离的混凝土，清理裂缝区域混凝土表面及裂缝中的灰土，用热风机吹干裂缝中的积水。

4.采用裂缝修复胶和压力注浆法对墩帽和托盘裂缝进行填充修复处理，并确保所有裂缝完全封闭。

5.针对Ⅰ类病害桥墩待裂缝全部修复完成后，对裂缝宽度达到0.3mm及以上的墩帽，还需采用钢筋混凝土加厚的方式进行加固。凿除墩帽加固区域的排水坡，并进行凿毛处理；在墩帽上植筋，绑扎钢筋网，支立模板，浇筑C40细石混凝土形成0.15m厚钢筋混凝土结构。针对Ⅱ类病害桥墩待裂缝全部修复完成后，在托盘曲面上植筋，绑扎钢筋网，支立模板，在托盘底部做好滴水槽，浇筑C40细石混凝土形成0.2m厚外包钢筋混凝土结构；在墩帽上植筋，绑扎钢筋网，支立模板，浇筑C40细石混凝土形成0.15m厚钢筋混凝土结构。

6.待裂缝全部修复完成或墩帽加固完成后，采用C40细石混凝土重做防落梁附近的排水坡，厚度不小于5cm；在新旧混凝土结构接缝部位20cm范围内涂刷2mm厚聚氨酯防水涂料进行防水处理。

五、主要施工要求

(一)裂缝检查

施工前对墩帽和托盘裂缝进行详细检查，查清墩帽、托盘裂缝宽度、深度及破坏状态，以便分析Ⅰ、Ⅱ类病害，确定维修加固处理方法。

(二)裂缝修复工艺要求

1.墩帽和托盘表面处理。混凝土表面破损、掉块清理、混凝土缺陷修补。采用混凝土修补破损结构基面，遇外露钢筋时，应将对钢筋进行打磨、除锈处理，并注意将钢筋空隙填满。

2.修补微细裂缝。对混凝土结构表面上、下部存在的所有可见干缩龟裂、膨胀龟裂及受力引起的裂缝用高强修补树脂进行修补，裂缝宽度fw<0.5mm的裂缝采用涂刷封闭处理，裂缝宽度fw≥0.5mm的裂缝进行灌缝封闭处理。

3.裂缝灌缝封闭

裂缝化学注浆维修法采用低粘度、高抗拉强度环氧基灌浆材料，通过压力(0.2-0.4MPa)将浆液注入混凝土构件的裂缝、空洞中，通过其扩散、胶凝、固化，达到粘结、强化、恢复构件整体性的目的，裂缝注浆封闭工艺见图3。

图3 裂缝注浆封闭工艺

(三)植筋工艺要求

1.原有结构钢筋植入深度为25cm。

2.新增混凝土结构中植筋伸入长度，墩帽不得小于10cm、托盘不得小于15cm。

3.植筋如遇钢筋、空洞、裂缝等位置可适当调整，但孔位与裂缝边缘的距离不小于10cm，数量不能减少。

4.钻孔前用钢筋探测仪探测植筋部位钢筋位置，严禁切割钢筋，且应尽量减小对病害墩体的损伤。

5.钢筋按设计尺寸进行下料并弯曲成型，用人工或机械进行彻底除锈，确保植筋质量。

(四)无机类锚固胶施工工艺

1.钻孔：钻孔深度应满足设计要求，钻孔直径大于植筋直径不小于6mm。

2.清孔：成孔后先将结构物表面的粉尘清除，用电动毛刷深入孔中清渣，最后用细软管将无油压缩空气压入孔底彻底清除钻渣3遍，严禁使用水冲洗清孔。

3.填装：清孔、制胶及其它准备工作完成后，给孔内注入适量锚固胶，一般为孔深的三分之二。

4.植筋：将钢筋用手锤打入孔中，确保植筋到底，抹平孔口多余植筋胶。

(五)其他

1.外包或加厚钢筋混凝土结构外层钢筋保护层厚度不得小于5cm。

2.外包或加厚钢筋混凝土结构内层钢筋与原有结构间的距离不得小于4cm。

3.模板应具有足够的强度、刚度和稳定性，能安全可靠地承受新浇筑混凝土的重力、侧压力以及列车和附着式振动器的振动荷载。

4.加强混凝土养护，防止产生早期裂纹。

六、结语

目前在其它一些线路既有线改造中，接触网立柱、防落梁设备安装在墩顶顶帽上，同样存在类似冻胀开裂等病害，经过多年反复冻融循环导致裂缝宽度和深度不断加大，病害日趋严重影响行车安全，采用裂缝封闭、注浆，对墩帽托盘加固，重做墩顶排水坡和防水层的方法，施工工艺简单，整治彻底。本文通过对集包铁路第二双线上桥墩墩帽和托盘病害维修加固方案及施工注意事项的论述，以期对今后的桥梁墩帽及托盘整治加固技术有所借鉴。