国贸桥综合补强加固实施方案综述

陈永栓

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司,北京 101100)

受邻近地下市政工程施工的影响,北京东三环国贸主桥异型板区域基础沉降严重,并导致上部梁体构件发生显见的裂缝。为此自2008年底至次年8月,对该异型板区域实施了交通不间断条件下的综合补强加固,综合加固中涉及对桥梁基础、下部桥墩、上部梁体的全面加固补强。通过该方案的实施,彻底消除了桥梁结构的安全隐患,使用长达3年之久的桥梁临时支撑体系得以拆除,桥下场地还建。该工程实施中的加固原则、施工关键技术、新型工艺与设备可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 桥梁基本情况

国贸桥异型板位于北京市东三环中路与建国门外大街交叉路口北侧,桥梁上部19轴、19-1轴、20轴范围所在的异型板连接主桥与匝道桥,东西两幅之间设缝,其南北向长35.6 m,东西向长65.0 m,面积约1 800 m2。异型板南北两侧(17轴～19轴、20轴～22轴)桥梁上部均为简支梁结构。

异型板为钢筋混凝土结构,厚度0.76 m,19-1轴板下设置中横梁,该梁与异型板为整体现浇结构,中横梁高3.16 m,底部宽1.5 m；桥梁基础采用钻孔灌注桩,每承台下设4根桩,桩径1.2 m,桩长26～31 m；两处桥墩承台尺寸为5.5 m×5.5 m×2.0 m,顶部埋深约1 m；承台上设置1.5 m×2.0 m的独立桥墩,桥墩与中横梁间设置球形固定支座。桥梁平面及剖面参见图1、图2。

图1 桥梁异型板区域总平面(单位：m)

图2 19-1轴桥梁剖面(单位：m)

1.2 地铁施工对桥梁的不利影响

在地铁施工期间,桥梁沉降受到严密监控,在邻近地铁车站施工期间,桥梁总沉降量和差异沉降量均得到有效控制；但在后期地铁区间施工中,区间工法由盾构法改为浅埋暗挖法,增加了邻近桥桩的区间施工横通道,对于桩侧地层未实施针对性的加固或隔离,致使桥梁总体沉降规模和差异沉降规模均进一步发展。

桥梁上部异型板下缘出现大量裂缝,中横梁出现危及安全的剪切裂缝,桥梁基础受地铁施工影响发生沉降,其承载力储备处于难以评估的状态。

1.3 工程地质及水文地质情况

施工区域地貌上属永定河冲击扇中下部,沉积土层除地表人工填土层外,主要为第四纪沉积层,岩性主要为黏土、粉质黏土、粉土、砂土、圆砾、卵石等交互土层。所涉及到的地下水类型,按地下水的赋存条件属于第四纪松散岩类孔隙水；按水力性质分为上层滞水、潜水和承压水。上层滞水与地表水联系密切,其来源主要是大气降水、管道渗漏水补给,水位高程31.16～38.13 m(水位埋深0.7～7.4 m)；潜水水位高程为24.35～26.78 m(水位埋深为11.92～14.78 m)；承压水水头高程为15.63～17.9 m(水头埋深为23.1～25.40 m)。

2 桥梁加固实施方案

2.1 桥梁加固原则

(1)桥梁下部应具有足够的抗力储备,其极限承载力应可以估算或计算。

(2)桥梁基础承载力应考虑地铁扰动形成的桩周负摩阻。

(3)在桥梁基础加固时,其下部不均匀沉降致使上部荷载重新分布导致的新的附加作用应计入基础承载力计算。

(4)对于新建基础后期可能产生的沉降,先期应进行补偿。

(5)应考虑不间断行车条件下的加固措施,并计入其不利影响。

2.2 桥梁加固方案

受地铁施工及多方面综合因素影响,异型板区域墩柱累计沉降较大,产生了不同程度的裂缝。经过多次专家会论证,制定如下加固方案。

(1)针对19-1轴东、西桥墩基础部分采用补桩加固方案,即在原承台南北两侧各加1根桩,在原承台之下,新建南北向两桩承台,使新老承台组成叠合截面共同受力。基础加固结构总图见图3、图4。

图3 新加桩基与既有承台位置关系平面(单位：cm)

图4 新加桩基与既有承台位置关系及地质剖面(单位：cm)

(2)由于中横梁开裂较为严重,采用主动加固的理念,设计思路为：在既有桥梁墩柱两侧增设2个钢墩柱,钢墩柱支撑钢盖梁,盖梁上设置“测力可调盆式橡胶固定支座”对横梁进行支顶,将原桥的“单点支承”转化为“三点支承”,从而改善横梁的受力条件；同时对横梁进行粘贴钢板加固,增加其本身抗剪能力。加固示意见图5。

图5 中横梁加固示意(单位：cm)

(3)对于异型板底的加固，针对不同部位裂缝的成因及破坏状况不同,分析其破坏特点,最后确定全桥底板粘贴钢板方案。其总平面见图6。

图6 异型板底粘贴钢板平面(单位：cm)

2.3 加固工程的重点及难点

(1)施工场地局促。由于施工场地位于桥下,起重机械难于发挥效力,场地布置须紧凑,各种工料需要根据工序进展频繁倒运。

(2)桥梁存在安全隐患,施工中须确保其结构安全。新加桩距既有桩净距不足2 m,施工中会扰动旧桩,进一步削弱基础承载力；测力支座安装过程中,需对中横梁施加3 000 kN顶力,须防止对桥梁结构造成损坏；异型板底粘贴钢板时,需采用化学锚栓固定于桥面,在桥面下打孔近万,过程中须避免损坏既有桥梁结构钢筋。

(3)钢结构加工精度要求高,安装难度大。

(4)测力可调支座安装难度大,其安装精度要求误差在2 mm内。对钢盖梁施加3 000 kN顶力时,需要做到液压同步顶升,严格控制钢梁的挠度,以实现支座的应力转换。

3 桥梁加固关键技术

3.1 新建桩体成桩技术

(1)主要成桩工艺

桩基从地面开始先进行人工挖孔作业至15 m,再采用正循环钻进工艺机械成孔至设计高程；人工挖孔部分桩径为1.5 m,钻孔部分桩径为1.2 m；增加桩底及桩侧后注浆措施,提高桩基承载力。

(2)桩底及桩侧后注浆设备与工艺

注浆设备：注浆泵采用3SNSA型高压注浆泵,功率18 kW。

注浆材料：注浆施工主要材料为普通硅酸盐水泥,浆液水灰比为0.6。

注浆时间：桩身混凝土灌注完毕24 h内,用清水打通注浆管,在桩身强度达到设计强度的75%后开始注浆。

注浆顺序：先桩侧后桩端,桩侧注浆先上后下。

注浆压力及注浆量：后注浆质量控制采用注浆量和注浆压力双控方法,以水泥注入量控制为主,泵送终止压力控制为辅。设计单桩水泥用量3 000 kg,桩端注浆压力不小于2.0 MPa；桩侧注浆压力不小于1.0 MPa,持荷5 min,压浆流量不宜超过75 L/min。

3.2 桩体受力转换与扩大承台技术

新建承台的施工顺序为：基坑开挖→桩头处理、安装钢套箍、浇筑封底混凝土→工字钢梁吊装→安装千斤顶并施加2 000 kN顶力→承台植筋→绑扎钢筋→浇筑承台及桩顶二次后浇带混凝土→基坑回填。其局部构造参加图7。现场实施中钢梁就位与千斤顶布设的状况参见照片1、照片2。

图7 桩体、承台受力转换局部构造(单位：cm)

照片1 托换钢梁就位

照片2 千斤顶钢梁下就位

3.3 异型板中横梁顶升受力转换(照片3)

照片3 千斤顶中横梁下顶升

将原桥的“单点支承”转化为“三点支承”是本工程的核心技术,其关键工序及工艺如下。

(1)安装测力可调支座及千斤顶

钢墩柱及盖梁安装就位后,在盖梁预留位置安装测力可调支座,同时每处支座两侧安装千斤顶调高,范围是5～15 mm。

(2)千斤顶施加顶力

①每侧千斤顶顶推横梁到3 000 kN,理论上与支座对应的盖梁产生向下8 mm挠度。

②为保证支顶效果,施加顶力与盖梁挠度应相互校核,顶力1 000 kN时挠度2.7 mm,顶力2 000 kN时挠度5.3 mm,顶力3 000 kN时挠度8 mm,出入较大时,查明原因再进行下步施工。

③支顶过程中,观察横梁和异型板裂缝是否有发展,如发展明显,立即停止施工。

(3)支顶力转移至支座

①千斤顶支顶完毕后,缓慢卸载,将支顶力转移到支座上。

②通过调整,观察油囊内的压力表指示是否满足设计要求,如不满足,重新调整,直至满足,然后把螺杆旋入螺纹锁死孔,将梯形螺纹锁死。

③最后，支座整体安装防尘橡胶围板进行防护。

3.4 异型板板底补强加固(照片4)

照片4 板下粘贴钢板完毕

在进行异型板补强加固方案时,按照以下控制参数及工艺实施。

(1)采用全桥底板粘贴钢板的全区域补强方案。

(2)钢板采用Q345-D级钢,厚8 mm。

(3)钢板根据裂缝分布情况采用为1.5 m宽、0.5 m宽和不规则3种。

(4)采用进口化学锚栓与桥面固定,对于1.5 m宽和不规则钢板采用M16锚栓固定,间距40 cm,0.5 m宽钢板采用M12锚栓固定,间距50 cm。

(5)锚栓打孔前对既有桥面结构钢筋进行雷达探测,防止损坏钢筋。

(6)粘钢结构胶采用高强度、耐久性好、适合施工季节气温的改性环氧粘结剂,须满足《公路桥梁加固设计规范》A级胶性能要求。

4 效果评价及其他

本工程实施中,对桥梁结构各关键部位位移和应力状态实施了全程监测,用以掌握桥梁维修加固期间结构各主要受力构件的受力状态,确保桥梁在加固施工期间的安全运行。本工程于2009年8月完工,达到了预期的加固效果,桥梁的风险隐患得以消除,社会效益明显。

[1]北京市市政工程设计研究总院.北京地铁10号线国光区间国贸桥一期异形板桥梁加固工程施工图[Z].2008.

[2]潘可明.北京国贸桥异形板粘贴钢板加固关键技术研究[J].特种结构，2010(1)：94-97.

[3]杨慧林.北京地铁10号线国贸站桥桩保护设计[A].中国土木工程学会.中国土木工程学会第十一届年会暨隧道及地下工程分会第十三届年会论文集.北京：中铁西南科学研究院,2004：415-422．

[4]杨慧林，徐慧宇，马 锴.复合锚杆桩保护桥梁基础技术综述[J].铁道标准设计,2008(2):67-69．

[5]李世华.道路桥梁维修技术手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2003．

[6]曾国熙.桩基工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社,1995.

[7]夏才初，李永盛.地下工程测试理论与监测技术[M].上海：同济大学出版社,1999．

[8]戴玉超.地铁施工中既有桥梁的综合保护技术[J].铁道标准设计，2007(11).

[9]CJJ77—98,城市桥梁设计荷载标准[S]．