桥梁涉水桩基玻纤复合材料加固系统应用研究

金斌、陈琨

（1.江西交投嘉特信招标咨询有限公司，江西南昌 330108；2.江西嘉特信工程技术有限公司，江西南昌 330108）

0 引言

据相关建筑部门统计，截至2022年，全国已有桥梁100 多万座，每年开工的桥梁约10000 余座，这些桥梁的基础和墩柱大多位于水中，因此桥梁的工作条件和工作环境比水上结构更为苛刻。在水流条件下，桥梁墩柱和桩基易发生混凝土剥落和露筋现象，为此，通常采用围堰、抽水和钢筋混凝土加固等传统的加固措施。桥梁墩柱、桩基在水流环境下，发生混凝土剥落、露筋现象是一种常见的病害，但由于受到周围的环境，特别是防洪排涝等因素的制约，对于具有以上缺陷的桥墩，不能用传统的方法加固，亟须开发一种适合不同环境下的桥梁桩基加固施工工艺[1-3]。

自20世纪70年代起，美国首次将水下玻纤套筒加固系统用于马里兰州的桥梁加固[4]。该系统主要用于应对各种腐蚀、混凝土脱落等病害的结构基础、码头桩基等修复和加固防护，以及对新建结构的预先防护。在已有水下玻纤套筒加固系统的基础上，本文结合自主研发涉水桩基玻纤套筒，对温厚高速棠墅港大桥的维修和加固进行研究，结合桥梁病害调研确定桥梁维修方案，取得了优异的性能表现。

1 工程概况

温厚高速公路是原交通部“九五”规划的重点项目，是江西第一条全标准高速公路。东起进贤县温家圳，西止于新建县厚田乡，是沪瑞高速在江西境内的中段，又称新国家高速公路沪瑞高速温厚段，线路全长35.5km。路基宽28m，路面宽21m，沥青混凝土路面双向4 车道（远期6 车道），设计行车速度120km/h。它于1996年12月28日正式开工，1999年2月8日正式交付使用。

棠墅港大桥中心桩号为K720+144.5，下部结构采用了柱式墩配钻孔灌注桩基础，桥台采用肋板式桥台配钻孔灌注桩基础。

2 病害分析

经检测人员对温厚高速棠墅港大桥涉水桩基进行现场检测调查，发现棠墅港大桥主要有7 根涉水桩基存在冲刷掏空、混凝土露筋现象。具体病害情况见表1。

从表1 可以看出，此次检修的棠墅港桥梁出现了混凝土剥落、钢筋裸露、腐蚀等问题，具体主要病害原因分析如下。

第一，在长期的自然条件影响下，河道冲刷造成了河床面下沉，从而使桩基暴露。此外，由于桥墩对于水流起阻碍作用，使得在靠近桥墩的地方，水流速度较高，形成旋流，侵蚀了桥墩周围的地基。第二，钢筋笼定位偏差引起的桩基钢筋外露。桩基施工过程中，由于钢筋笼固定不牢或者定位偏差，致使桩基一侧保护层变薄或缺少保护层，在水流的冲击下容易出现混凝土剥落和露筋现象。第三，在河流水位变化干湿交替的环境下，桩基外露钢筋产生锈蚀、体积膨胀，加剧了混凝土的松散剥离。

3 桥梁维修方案

在本文对棠墅港桥梁进行修复研究时，只对桩基6-1、7-2 进行修复分析。

3.1 施工流程

对桩基6-1、7-2 进行病害分析后，确定修复范围及尺寸，具体情况见表2。

表2 修复范围及尺寸

3.2 施工准备

3.2.1 技术准备

熟悉并审查设计图纸和有关技术文件，核实工程内容，编制施工工艺文件，参加设计交底和图纸会审；组织各级部门进行技术交底，班组长向施工工人进行工序交底、交清工序内容、操作要领、质量标准、安全注意事项等；规划劳动组织，进行人员培训。

3.2.2 施工现场准备

根据现场需要及施工平面布置图，设置施工作业警戒线、悬挂警戒标牌，保证做好材料以及机械防火、防潮、防雨淋措施，并将其放置整齐。对所有机具设备进行检查，保证所有机具设备完好，资料齐全。

3.2.3 机具准备

施工使用到的所有机具设备应该有相应的检验证明或者合格证书，施工机具进入施工现场后及时做好防护以及安全警示，安放位置要严格按照施工平面布置图进行摆放。

3.3 钢筋混凝土桩清理

在对钢筋混凝土桩进行清理时，对安装区域进行水下探摸，确定套筒安装部位的位置，并对清理区域内混凝土密实情况、表面粗糙度、周边混凝土的密实程度进行记录，再由潜水作业组在水下对原桩基表面不牢固的部分进行冲洗和凿除破损部位的松散混凝土及其他不牢固附着物直至露出坚硬、密实的混凝土[5-6]。

3.3.1 混凝土桩开挖深度确定

经潜水员水下探摸后，结合现有检测报告和设计资料，确定6-1 桩基设计安装套筒长度为5.4m，安装位置为桩顶以下5.4m 范围内，桩顶以下0.5m 范围内桩基直径较大，通过测量计算，此范围内混凝土桩周大于护甲安装长度。因此需要对此范围内混凝土进行凿除，桩周和下部冲刷严重处桩周相同，以便玻纤套筒安装和后期灌料作业。除此之外，桩顶往下3.4m 以下桩基全部被流沙覆盖，根据设计要求，需要清淤2m 左右，施工地点水流大，河沙流动性强，不易开挖，故将套筒安装长度变为3.9m，因此需要开挖深度为0.5m。

7-2 桩基设计安装套筒长度为2.3m，安装位置为桩顶以下2.3m 范围内，桩顶以下0.5m 范围内桩基直径较大，经测量计算，此范围内混凝土桩周大于护甲安装长度。因此也需要对此范围内混凝土进行凿除，桩周和下部冲刷严重处桩周相同，以便玻纤套筒安装和后期灌料作业。桩顶往下0.7m 以下桩基全部被流沙覆盖，根据设计要求，需要清淤1.1m 左右，施工地点水流大，河沙流动性强，不易开挖，故将套筒安装长度变为1.7m，因此需要开挖深度为0.5m。

结合现场实际情况，此次桩基清理主要包括：桩顶以下0.5m 范围内混凝土桩基凿除；桩顶以下3.4m以下0.5m 范围流沙开挖清除。

3.3.2 混凝土凿除方式确定

混凝土桩基凿除作业一般采用两种形式进行凿除，一是使用大型风镐作业进行凿除处理，此作业的优点是设备力道大，凿除效率高，并且可以在水下进行作业，不存在安全用电隐患；缺点是所用设备自重大，移动困难。二是使用电镐进行凿除，此作业优点是所用设备自重轻，便于移动携带；缺点是工作效率较低且水陆交界处作业存在安全用电隐患。

此次作业前，经过对水流环境、水位以及周围施工环境的综合考察，最终确定使用电镐进行混凝土凿除处理，并克服水流刮风等因素的影响。

在对桩基淤泥清理时，需要将上部混凝土凿除掉落的混凝土块进行处理，然后再把大块混凝土进行搬除或使用绳子将其吊离至桩基周围，最后再将土块连同流沙冲走。

3.4 安装玻纤套筒

安装玻纤套筒前，首先结合图纸以及现场实际情况应对套筒安装位置进行确定，使用绳子、卷尺等工具对即将安装套筒的位置进行定位。其次，潜水员使用高压水枪对安装位置进行进一步清洗处理。清洗完成后，辅助工具将套筒搬运至水面，在潜水员的统一协调指挥下，将套筒下放至指定位置并保证其平衡，然后由潜水员将套筒安装于指定位置并将其位置摆正，再使用捆紧器将套筒与桩基绑扎，使其尽量与桩基紧密连接（一般每隔0.5m 左右需一根捆紧器，上口下口处需特别加强）。在确认安装位置无误并将其捆紧后，潜水员使用气动工具将套筒接口处使用螺钉连接固定（一般以10～15cm 左右为标准安装螺钉）。最后，使用密封胶条将安装套筒的底面做封口处理，必要时可使用土工布等材料对底面进行加固处理，防止后期灌浆过程中出现漏浆问题。

安装完成后，进行环氧灌浆料的灌浆工作。此次施工中，根据设计要求，灌注浆料种类及高度见表3。

表3 灌浆料种类及高度

在灌浆过程中，需要实时对浆料下流等情况进行探摸，确保没有出现漏浆问题，并保证灌浆料底面流平以后进行后边灌注，防止浆料溢出，浪费材料。灌浆至桩基四周缝隙内浆料填满为标准，灌注完成后，使用封顶胶对其进行封顶处理。

3.5 加固系统效果分析

通过对温厚高速棠墅港大桥的维修和加固项目效果的分析，发现桥梁涉水桩基玻纤复合材料加固系统具有强度高、耐UV、免维护；环氧灌浆料与套筒黏结强度高；适用性强，对木、混凝土和钢墩柱都有效；防腐性能好，耐海水腐蚀和各种化学制剂；耐干湿、冷热、冻融的交互作用；耐海水潮汐、废水、电解等腐蚀；可水下施工，无需构筑围堰及排水；施工快捷方便，无需封桥或断路施工；可人工灌注或泵送环氧灌浆料；符合海洋生物环境安全标准，在咸水、淡水和半咸水内都有效优点。

4 结论

第一，桥梁墩柱、桩基在海水和淡水环境下发生混凝土剥落、露筋现象是一种常见的病害，而传统加固和修复工艺施工工期长，措施费成本高，同时，可能在未来需要对墩柱进行重复的维修。而水下玻纤套筒加固系统作为已经很成熟的用于水下墩柱和桩基加固和修复的加固工艺，无需任何围堰和排水作业，施工工期短，加固后结构整体耐久性好，是一种新型的水下结构加固新工艺，在国内公路桥梁、码头等结构加固中有着广阔的应用前景。

第二，后期为了满足未来对水下结构加固技术更高的防腐要求，可以考虑对内部增加牺牲阳极防腐装置的可行性进行研究，提高水下玻纤套筒加固系统在高腐蚀性环境（如海水环境等）的耐久性，同时也能最大限度地增加水下结构的寿命，以满足更高的耐久性要求。