外包钢筋混凝土法在桥梁水中桩基病害处置的应用

2022-12-19陈学健

福建交通科技 2022年9期

■陈学健

（1.福建省高速技术咨询有限公司，福州 350001；2.福建省海丝高速公路工程设计有限公司，福州 350007）

截至2021 年底，我国运营公路桥梁有96.11 万座，总里程达到7380.21 万m[1]。桥梁作为道路的咽喉，在保障道路安全通行方面具有举足轻重作用。然而，近年来关于桥梁病害引发的事故报道层出不穷，在跨江、河桥梁中出现的事故频率较高，一方面是因为水下桩基属于隐蔽工程，存在可视性差、检测难度大等局限，导致病害未能及时发现；另一方面是因为水下桩基施工受水流速度、气候条件、施工机械设备等条件制约，施工质量得不到保障。如何有效保障桥梁健康运营成为社会关注焦点。以闽侯县甘竹大桥水中桩基加固工程为工程背景，分别对该桥的水中桩基病害特征、处置方案以及加固施工技术要点展开全方面分析，可为同类梁桥桩基病害处置提供参考。

1 工程概况

甘竹大桥位于三福高速公路闽侯连接线上，跨越闽江流域，全长1376 m，主桥采用（65+120+65）m的预应力混凝土箱形变截面连续刚构，下部为薄壁墩，群桩基础；引桥跨径均为35 m，共32 孔，上部结构为预应力混凝土T 形截面连续梁，双柱式墩基础。设计洪水频率：1/100。桥址处江面宽约1200 m，由主槽和浅滩组成，其中14#～28# 墩桩基常年处于水中，水深为3.4～15.6 m，大部分桩基水深为7～12 m。受上游水口电站泄洪及潮水影响，高低水位差约2 m。该桥于2002 年开工，2004 年竣工通车。全桥实景如图1 所示。

图1 全桥实景图

2 桩基病害

2019 年某检测机构对该桥的14#～28# 墩水中桩基构件进行专项检测，发现该桥42 根桩基均存在不同程度的病害，严重影响到桥梁的健康运营，亟需加固处置。

2.1 桩基病害分类

根据该桥水中桩基病害检测报告，根据桩基表面混凝土侵蚀剥落、钢筋外露锈蚀等病害程度的不同，可将全桥42 根桩基病害分为3 类：第一类是表面有轻微冲蚀、小面积砼剥落、暂未出现钢筋裸露现象；第二类是桩基表面混凝土大量剥落并有小面积的纵筋及箍筋裸露；第三类是桩基表面混凝土被侵蚀严重（缩颈）并有大面积钢筋网（严重锈蚀、断裂）裸露。典型桩基病害示意如图2 所示。

图2 不同类别典型病害桩基示意图

2.2 病害成因分析

通过查阅该桥水文资料、病害特征分析及查阅相关文献的基础上，该桥桩基病害成因可归为环境、管养、施工3 个主要方面因素[2-3]。

2.2.1 环境因素

桥址地处闽江下游，距海岸口较近，下游水质受海水潮汐倒灌影响，水中氯盐浓度高；桩顶与系梁接连处（浪尖区）每天承受海水冲刷及潮汐涨落的干湿交替循环，使得42 根桩的桩顶段均出现混凝土剥落、疏松等病害现象。

2.2.2 管养因素

早年闽江沿线居民生活用水及化工污水未经处理直接排入江中，加快促进钢筋锈蚀速率；另一方面一些不法商家盲目开采闽江河沙，造成河床急剧下切、冲刷变迁，严重影响到了桩基的稳定性与承载力。

2.2.3 施工因素

桥梁桩基采用钻孔灌注桩法工艺施工，施工过程中未采取有效的措施保证钢筋笼下放、保护层厚度控制精准定位，导致部分桩基表面混凝土剥落层较薄出现大面积钢筋网、缩径等现象；也存在桩顶混凝土超灌量不足、未严格按照规范进行桩顶凿除，造成桩顶段混凝土施工质量得不到有效保障，成为薄弱环节段。

3 桩基处置方案

水中有害离子介质在不断侵蚀桩基混凝土，若未得到有效处置将会导致桩基承载力不足而失效坍塌。结合竣工图资料及检测报告对该桥桩基承载力进行检算，当前桩基承载力满足要求。因此，对该桥桩基处置时，应重点考虑桩基耐久性处置，且尽可能提高结构承载力。常见的桥梁水中桩基病害处置方法较多，有抬桩法（适用于摩擦桩承载力不足）、外包钢筋混凝土法、钢套筒法、混凝土缺陷修复法（轻微病害）、夹克法等几类[4-5]。以下分别对外包钢筋混凝土法、钢套筒法、夹克法这3 种方式进行比较分析。

3.1 外包钢筋混凝土法

外包钢筋混凝土法指在原有桩基基础上，外浇筑一层钢筋混凝土层，可有效遏制桩基病害进一步扩散，还能增大桩基构件的稳定性。该方案需要搭设围堰干作业平台，为桩基表面病害处置、钢筋补强、植筋、绑扎钢筋、浇筑混凝土等工艺提供干作业环境。该方法适用于桩基表观病害严重且水深小于18 m 的情况。外包钢筋混凝土法加固示意如图3所示。

图3 外包钢筋混凝土法加固示意图

3.2 钢套筒法

钢套筒法是指采用特殊防腐处理的钢套筒将原有桩基包裹起来，并在缝隙中注入水泥浆的一种方法。其原理为通过将桩基与外界空气、水等介质隔离，起到延缓桩基混凝土脱落、钢筋锈蚀速率原理的效果。该方法可有效增强桩基的轴向抗压强度，具有施工速度快、费用较低的优点，但水中施工作业复杂、安全系数底低，加固质量可控性弱。该方法适用于水流速度小、病害较轻且水深在8 m 内的情况。钢套筒法加固示意见如图4 所示。

图4 钢套筒法加固示意图

3.3 玻纤套筒法

玻纤套筒法是近年来常用的一种桥梁桩基加固方法。加固前需要按以下工序进行：对原有桩基表面锈蚀钢筋进行防锈与补强处置→旧混凝土表面凿除至露出新鲜混凝土→清洗→玻纤套筒安装→灌注环氧砂浆液。该方法可有效提高桩基的耐久性与耐腐蚀性，具有材质轻、水中操作性强的优点，但存在一定的局限性，如若原桩基表面凿除、清洗不到位，将严重影响加固效果。该方法适用于浅水（6 m 内）桩基耐久性处置。玻纤套筒法加固示意如图5 所示。

图5 玻纤套筒法加固示意图

3.4 方案比选

综合上述3 种水中桩基加固处置方法分析，可以得出以下结论：外包钢筋混凝土法需要在干作业环境下实施，搭设辅助围堰平台措施费用高、工期长，加固质量可以得到有效保证还可以增加桩基的承载力；钢套筒法施工周期较短、费用较低，但加固质量得不到有效控制，对于群桩基础实施难度大、风险系数高；玻纤套筒法造价低、施工便捷，适用于水深浅且病害较轻的一、二类桩基。3 种不同的桩基加固方案对比结果如表1 所示。

表1 3 种水中桩基病害处置方案对比

通过对比2017、2019 年水中桩基定检报告可知，该桥42 根桩基病害发展速度快：2017 年三类病害桩基数量仅占5%、二类桩基占14%、一类桩基占81%；而2019 年三类病害桩基达数量达到48%、二类桩基占19%、一类桩基占33%。综合桩基病害发展速率、水文条件等各方面因素考虑，该桥推荐采用外包钢筋混凝土法对其进行加固处置。

4 外包钢筋混凝土法施工关键技术

外包钢筋混凝土法桩基加固处置的施工技术难点最关键的是围堰辅助平台搭设；其次是病害处置过程中的钢筋除锈防锈补强、桩基植筋、桩基凿毛、钢筋板扎、浇筑混凝土等主要工序。

4.1 围堰类型选择

常见的围堰方式按材料种类不同，可分为土石围堰、混凝土围堰、竹围堰和钢围堰等多种类型。鉴于本工程为在役桥梁，选用钢围堰形式搭设施工辅助平台，具有施工速度快、可大量缩短工期优势。结合该桥水文环境与现场实际情况，14#～28# 墩分别采用钢套筒和钢套箱2 种围堰形式，其中钢护筒围堰适用于水深在3.4～8.0 m 的较浅桩基施工，钢套箱围堰用于8～15.6 m 的深水桩基施工。近年来，钢护筒围堰方法在桥梁浅水桩基围堰施工中普遍使用，主要施工工序为：施工准备→钢护筒加工→安装护筒反力架→钢护筒下压→护筒封底混凝土施工→桩基缺陷处置→钢护筒拆除。该围堰施工工艺难度较低、技术成熟，不再赘述。

4.2 钢套箱围堰施工要点

4.2.1 围堰类型选择

钢套箱围堰施工工序如下：河底泥砂清理→安装导向框→侧板安装→围堰内继续用空压机将砂石抽填到围堰外→浇筑侧板接缝止水砼→钢套箱围堰封底→待强、围堰内抽水→桩基缺陷处置→围堰拆除。钢套箱围堰的施工技术难点在于围堰定位安装及结构防水处理等环节。

4.2.2 施工准备

钢套箱采用现场加工拼接方案。在围堰正式安装前，应对其进行预拼装试验环节，可有效避免在安装过程中出现尺寸偏差、安装错误等问题。并清除干净河床遗留的建筑垃圾等杂物，为围堰管桩顺利打入土层做铺垫。

4.2.3 定位导向框

为了保证钢套箱围堰准确定位，分别在桥墩四周相应位置打入若干根钢管桩，并用工字钢将钢管桩焊接成一个稳定、整体框架结构，作为围堰安装导向框。

4.2.4 围堰单元板安装

侧板从上游水流方向开始拼装，第一块具有阴阳转角的侧板应精准定位并保证垂直度满足设计要求；将第二块侧板顺着第一块侧的阴阳槽口插入，以此类推，最终将钢套箱侧模插入形成一个闭合体；最后采用震动锤逐一同步插打至设计标高。

4.2.5 阴阳接头处理

为了保证围堰的密封性效果，先用条状布袋装入少量的细石混凝土沿着接头逐渐导入到孔底，确保止水带到位后，再用漏斗及导管等辅助工具将止水砂浆灌满，并适当振捣，确保接头没有气泡等空隙。接头止水缝处理过程中，应由专业人员严格按照规范要求操作。

4.2.6 围堰封底

封底混凝土的厚度与桩基水中深度、水头差等相关参数计算，并考虑适当的富裕系数。封底混凝土浇筑前，先确认基底地质情况与设计要求是否相符、底部是否平整。在满足要求的前提下，应采用高压水枪冲洗封底段桩基表面附着的淤泥杂质，提高封底混凝土与桩基的握裹力与加固效果。首批混凝土浇筑量严格按照相关施工技术指南要求，并安排专职人员负责浇筑过程中导管插拔速率，做到“勤测、勤量”，并做好相关记录存档。钢套箱围堰实景如图6 所示。

图6 钢套箱围堰示意图

4.3 处置加固施工要点

外包钢筋混凝土法施工工序如下：准备→脚手架搭设→混凝土表面处置→旧钢筋处置→桩基凿毛→桩基植筋→钢筋绑扎→模板安装→监理检查钢筋→混凝土灌注→混凝土养生→拆模→成品检验。

4.3.1 混凝土表面处置

对原桩基表面疏松、破损等病害混凝土以人工凿除为主、气动及高压水枪工具为辅，直至露出新鲜坚硬密实的混凝土基面，凿除施工时，应谨慎科学作业，避免鲁莽、盲目实施对原结构造成不必要的破坏及损伤，凿除深度在3～4 cm，并采取相应措施保证油污、油脂、灰尘等附着物清理干净。桩基表面病害处置现场示意如图7 所示。

图7 桩基表面病害处置示意图

4.3.2 旧钢筋处置

对外露的纵筋、箍筋等采用钢刷、化学试剂清除表面锈渍，然后采用喷涂型阻锈剂处理（阻锈剂用量控制在0.4 kg/m2，宜分3～5 遍进行涂刷），阻锈剂具有很强的腐蚀性，若在施工过程中不慎将其滴落在皮肤表面或者眼睛里，应立即用清水冲洗干净并及时就医。对于严重锈蚀、断裂等钢筋，采用同直径、同级别的钢筋对其进行补强，并保证搭接尺寸及焊接质量满足相关要求。操作人员上岗前要经过严格培训，并做好个人防护措施，考核合格方可上岗操作。

4.3.3 植筋

为保证新、旧混凝土协同受力，提高桩基承载力，应将原有桩基按梅花状进行钻孔植筋。首先，应精确定位每个孔位位置，若孔位与现有钢筋碰撞，应对孔点进行微调，不得调整钻孔深度；钻击孔径略比植筋直径大2～5 mm、孔深比设计要求深5～10 mm；打孔结束后立即采用无油压缩空气机将孔内粉尘吹干净，并用毛刷等工具将孔壁刷净。其次，要对孔壁进行干燥处置，如果孔内进水造成孔壁潮湿可采用电热干燥方式，若孔壁被油污染，可采用电热或者化学方法保证孔壁干燥。最后，用丙酮等试剂将孔壁擦拭干净，再用植筋胶将钢筋植入孔内[6]。植筋处置现场示意如图8 所示。

图8 植筋处置示意图

4.3.4 钢筋与模板工程

钢筋网先在钢筋棚里加工成半圆产品并预留足箍筋搭接长度，钢筋接头截面位置应错开，并采取相关辅助措施确保钢筋间距、混凝土保护层厚度等满足要求；鉴于围堰空间狭小，大型机械不好操作，钢筋笼先加工成1/2 圆周并预留箍筋的搭接长度，接头截面错开位置、数量要满足相关规范要求，主筋与植筋采用焊接方式固定。模板采用两片半圆木模栓接，每片木模分节组成，双面胶胶带衬缝，模板块与块之间采用法兰盘螺栓连接，竖向法兰盘设定位销，并严格控制模板的垂直度和混凝土保护层厚度，与钢模板相比，采用木模可有效降低现场操作难度及施工周期。钢筋与模板施工工序示意如图9～10 所示。

图9 钢筋绑扎示意图

图10 模板安装示意图

4.3.5 混凝土工程

为了延缓桩基表面混凝土侵蚀速率、提升桩基耐久性，本项目采用自密实混凝土，其主要性能参数指标如下：3 d 抗压强度达到25～40 MPa、24 h 竖向膨胀率≥0.02%、抗渗等级≥P12、抗冻等级≥F150、塌落度为220～280 mm、扩展度为500～680 mm。浇筑过程中应根据浇筑段高度分节安装模板、浇筑，严禁从桩顶直接将混凝土倾倒入模；配附着式振捣器振捣，振捣过程中实时检测木模板变形量，避免塌模等施工事故；待砼强度满足施工要求，方可拆模，并做好后期养护作业。外包钢筋混凝土法桩基加固完后的示意如图11 所示。