西牛大桥加固方案设计及施工要点

刘南征  

广东省佛山公路工程公司  广东 佛山  528000

    摘  要：简要介绍了西牛大桥加固方案在设计方面采用的崭新的设计思路：运用反吊模式进行T构纠偏；介绍了实施此加固方案的一些施工要点、难点。

关键词：西牛大桥；旧桥加固；方案设计；施工要点

1  工程概述

    广东英德市西牛大桥是省道348线上跨越连江的一座大桥。其桥型布量为5×16m十2×30m十45m十65m十45m十2×30m十5×16m，全桥总长447．6m。主跨为带挂梁的两个T型刚构，挂梁长度为25m，T构的悬臂长度为20m，其他桥孔均为预应力混凝土简支T梁。桥面总宽12m，由净一9十2×1．5m人行道组成，荷载标准为汽一20级、挂一100，人群荷载35kN／m2。旧西牛大桥于1991年建成通车，运营时间不到10年。

2  病害情况及原因分析

    大桥的病害发生在8号和9号主桥墩的两个T型刚构上，以9号墩的病害最为严重。检测报告和地质勘察补无报告提供的资料表明：

    (1)9号桥墩因两排桩基的不均匀下沉使墩身向河心方向倾斜55mm，桥面竖曲线严重变形，形成折线状，与8号桥墩相连的两条伸缩缝已卡死，另一端的伸缩缝被拉开了100mm，伸缩缝的功能已完全丧失。挂梁支座因剪切变形太大，已基本损坏，8号桥墩下游侧向河心方向倾斜15mm，两个桥墩在倾斜的同时均带有不同程度的扭转。

    (2)对桥面铺装厚度的检测表明：8号、9号桥墩T构的桥面平均厚度分别为235mm和177mm，铺装厚度各相差68mm和87mm，有较严重的不均匀性；目前8号桥墩顶桥面高程比9号桥墩高27mm。

    (3)8号、9号桥墩处基岩中的溶洞、溶沟十分发育，岩面起伏陡峭，9号桥墩基础承台的两排校长差异较大，达9～18mn 1#、3#桩尖未能与基岩紧密接触，其间有100～150mm厚岩渣碎石，桩尖下基岩1．97m和0．79m处就有溶洞深1．55m和0．4m，在桩尖集中力作用下，溶洞顶面会产生变形。这些因素均可能使各基础产生不均匀下沉，导致桥墩倾斜。

    (4)8号桥墩的4#桩局部存在较严重缺陷，各桩的桩身混凝土的强度有较大的差异，8号桥墩顶下游同时向河心方向倾斜15mm。

    (5)8号、9号桥墩所处地质存在一断层通过，也可能引起桥墩的倾斜。

    19年10月，广东工学院和中国科学院南海海洋研究所用声波探测的结果表明：8号、9号桥墩处有一北西走向约l16°的裂隙通过，不能排除由于这种原因引起桥墩的倾斜。

3  加固方案设计

3．1  方案提出

    根据检测结论、原设计文件、工程地质资料，经综合分析及复算，加固设计部门共提出了4个加固处治方案：

    方案l  增设桩基及预应力承台方案；

    方案2  增设桩基及外包承台方案；

    方案3  1#—3#旧桩桩底及桩底溶洞压浆方案；

    方案4  综合加固方案。

    其中，方案l，2，3均属于被动加固方案，其设计思想是：维持9号桥墩目前已基本稳定的倾斜状态，为了防止大桥在长期运营过程中，因冲刷及车辆荷载等综合作用而引起9号桥墩倾斜进一步发展，通过加大基础及对旧基础压浆等措施来提高其承载能力。这3种方案比较简单、经济、可操作性强，但施工过程的可靠性差，没有从根本上解决问题，是被动防范的处理方式。

3．2  方案选用及其根本思路

    通过召开西牛大桥加固方案专家评审会，评审结果一致认为，采用方案4即综合加固方案。本方案属于主动加固方案，其设计思想不是以维持现状，防范倾斜发展风险为目的，而以尽量纠正偏斜，使9号桥墩恢复到设计要求状态为目的。本方案的整个思路如下：

    (1)在原基础靠河中心侧加3根桩；

    (2)在原承台上加一层新承台，用水平与竖向预应力钢束将新旧承台及墩身联成整体；

(3)新桩与新承台之间先不连接(留有约800mm高的空间)，在两者之间布设竖向施力的千斤顶(见图l(2))； 

(4)在桥面上8号、9号桥墩之间的伸缩缝位量布量水平施力的千斤顶(见图1(1))；

    (5)上下两处(桥面和桩顶)的千斤顶分先后交替对T构进行支顶，即所谓的纠偏过程；

    (6)待纠偏到位后，浇注新桩与新承台预留部分混凝土，使两者共同参与受力；

(7)对l#一3#旧桩桩底及桩底溶洞实施高压压浆。

图l  设计纠偏方案示意

    由此可见，本方案采用了一种崭新的设计思路以及大胆的设计构想，其一，既然T构倾斜是由于桩基础下沉引起，便希望通过在新增桩基与新增承台之间垂直向上施加支顶力，往中间一排原有桩基上施加一个上拔力，从而带动整个T构由倾斜状态恢复垂直状态，重新地站立起来；其二，考虑到拔桩力的巨大，同时采用了3种不同受力方向、不同荷载类型的施力方式——桥面铺装层加卸载、桥面水平支顶、桥下竖向支顶进行纠偏。可以说，这是一种三管齐下、釜底抽薪的加固方法，大大增加了加固成功的可能性。

3．3  方案改进及完善

    西牛大桥的加固方案不敢说是绝无仅有，但至少是罕见的，很难找到类似的参考。整个加固设计方案都是在摸索中进行，需要不断改进、不断完善。

    考虑到施工的可操作性及安全性问题，在桩顶支顶纠偏方案方面，经施工单位与设计单位探讨后，决定对原方案做进一步的改进。概括来说，是做了一个受力体系(或者说是受力部位)的转换，即由原来桩顶施力转换到承台面施力，同时由原来千斤顶直接支顶承台转换为通过张拉预应力粗钢筋反吊承台。经过改进后，在保证原有作用效果和功能的前提下，使施工过程更容易操作，也更安全。

    本方案的特点归纳起来有如下几点(见图2)：

    (1)在桩顶设量传力柱(采用φ700mm钢筋混凝土立柱形式)，延伸到新承台顶。

    (2)在新承台顶浇注一条反力梁，通过18根φ32精轧螺纹钢与承台连接。

    (3)支顶过程通过在反力梁面上张拉φ32精轧螺纹钢达到对新承台施加上拔力的目的，其受力传递为新增桩基一传力柱一反力梁一精轧螺纹钢—新增承台一整个T构。

    (4)本方案的优点在于，把整个纠偏工序放在新承台面进行，可以避免相对困难的水下操作。承台施工时，也就不用进行钢围堰施工以及水下混凝土封底，经济上较可观。

(5)本方案实施时需注意的问题：

    ①承台钢筋、桩顶钢筋在预留环缝内如何驳接；

    ②纠偏到位后，仅仅浇注预留环缝内的混凝土，能否保证新桩、新承台之间有效结合，共同参与受力；

    ③传力柱的柱头、柱脚需加以处理，与桩基、反力梁连接率靠，保证整个体系在纠偏过程中的稳定性。

图2  改进后的纠偏方案(实施)    单位：mm

4  加固方案的施工要点

4．1  连接新旧承台植筋(φ32高强精轧螺纹钢筋)

4．1．1  设计要求

    为了加强新旧承台之间的连接，使新旧承台尽可能做到合二为一，形成一个刚体结构，本方案主要通过36很高强粗钢筋连接(每束张拉力为54．3t，张拉控制应力为67．5Mpa)。此外，因水位情况，无法做到将粗钢筋锚图在旧承台底，只能通过在承台面钻孔植筋的方式锚图，因此，对锚图材料以及植筋工艺提出了很高的要求。

4．1．2  材料选用

    选用爱牢达(Araldite)XHlllA／B植筋胶，其力学性能如下：

抗拉强度：

    混合后6h(25℃)         ASTM        5.4M/mm2

    混合后7d(25℃)         ASTM        9.5M/mm2

与混凝土结合力：

    混合后7d(25℃)        BS6319(斜剪法)       21N/mm2

    混合后28d(25℃)       BS6319(斜剪法)       24N/mm2

4．1．3  施工工艺

(1)开孔  采用风镐配长钻头开孔，孔深按设计要求为1．7m，孔径约比锚筋大2～4mm。这里需要提及的是，假如孔径太大了，会使植筋效果大打折扣。

    (2)清理钻孔  因植筋效果受孔道干净与否影响很大，故要尽量做到无尘、无水。首先，用高压水将孔内、孔壁的砂土及灰尘彻底冲洗干净；然后，用鼓风机接长管伸进孔内将孔道彻底吹干。

    (3)灌胶  本工序看似简单，其实也很讲究。因植筋胶稠度大、干得快，且必须把胶尽量灌到孔底，以减少孔内气泡(否则钢筋很难植进去)，所以，我们采用了农村常用的那种射水器进行吸胶及射胶，收到良好效果。

    (4)植进钢筋  当孔内的植筋胶约填到四分之三孔深时，开始插入钢筋(钢筋表面需严格除污、除锈)，正常情况，钢筋只能插进至二分之一孔深，这时需不断转动钢筋，就象拧螺丝一样，让钢筋的螺纹不断往孔内旋进直到孔底。

4．2  T构纠偏

4．2．1  纠偏过程的施工监控

    (1)在纠偏前对9号桥墩T构的桥面高程进行测量，可选择T构四个角的伸缩缝角钢顶面为主要测点；

    (2)在桥墩上下游侧面接近桥墩中心线处，放出一根垂线(即上下两点，作为纠偏前的基准绳，以测量在纠偏过程中的弯曲变形和刚体位移量)；

    (3)在旧承台的上下游侧面放出一条水平线的两端点，以确定在纠偏过程中旧承台的转动位移量。

4．2．2  纠偏过程的工艺步骤

    (1)两种施力方式之间的关系：方式①“在桥面上支顶”与方式②“在桥下反力梁面张拉”两者交替进行，且分级多次支顶(或张拉)。

    (2)桥面支顶时，3个千斤顶的支顶反力基本做到同步，支顶力分别为0，5t，10 t，15t，20 t，每一级支顶完成后，进行一次测量记录，且维持20min观测其变化。

    (3)桥下张拉时，用2台千斤顶同时张拉，分级、分批张拉，每一级每根钢筋张拉力为15t，每一级张拉完成后，相隔20min并进行位移观测。

    (4)待设计部门确定纠偏到位后(或满足设计要求后)，用C50高强细石混凝土浇注新桩与新承台间的环缝。

4．3  旧桩桩底压浆

4．3．1  设计要求

    采用旋喷或高压灌浆的工艺对原下沉侧的3根旧桩(9号桥墩——1#、2#、3#桩)的桩底各溶洞层内的介质土或空洞部分进行灌填，保证桩底的密实，并希望这3根桩在以后仍能发挥支承作用，这是本次桩基加固的重要环节。

4．3．2  施工工艺

    由于施工场地的，我们采用了高压灌浆的处理方式。首先要进行压浆孔的开钻，安排在新承台浇注完毕后进行，并预先在新承台内每根桩预留两个小孔(孔径为φ100mm)，两小孔的间距为400mm，开孔采用地质钻探开孔机械 (孔径为φ70mm)。根据设计要求，对桩尖下5m以内岩体也同时进行灌浆。因此，我们在开孔过程中，除了保证钻至桩尖下5m，如该处还是溶洞，则继续往下钻，直到坚硬岩层为止，然后进行埋管，这是本施工工序的关键步骤。考虑到管子必须伸至孔底才能保证压浆质量，故埋管必须与终孔过程配合着进行，如果发生孔内崩塌现象，还必须重新钻进清孔，直到管子完全埋至孔底为止。最后一个步骤是压浆，在纠偏结束后进行。本压浆工序的原理是：先往其中一根管子高压灌浆，浆体到达孔底后，希望其能依靠足够压力穿透溶洞或桩底沉渣，从另一根管子冒出来，则证明此压浆过程是成功的，也证明桩底的溶洞层已经被填充了。事实上，由于桩底情况无法观测，因此，只能通过压水泥浆的用量来判断填充的大概情况。

5  结语

大胆探索、勇于创新、认真实践，是贯穿西牛大桥加固工程设计与施工过程的主基调。设计单位与施工单位密切配合，开展技术攻关，新技术、新工艺、新材料、新设备的开发应用是高速优质加固此类病害大桥的重要保证。

（摘自：《四川建筑科学研究》2002年9月）