連續梁橋橋墩偏位應急加固設計和效果評價

吳和才

(廣西交通投資集團柳州高速公路運營有限公司，廣西 柳州 545000)

0 引言

隨著經濟的發展和交通運輸水平的提升，人民的日常出行效率大幅提高，因此，當交通運輸的咽喉——橋梁出現事故時，應急處理的措施及效率對于道路的保通則顯得尤為重要。此外，隨著交通流量及車輛荷載的不斷提高，在長期大交通量及超載運營的情況下，極大地考驗著橋梁養護人員的管養能力以及出現事故之后的應急處理能力。

本文依托廣西區內某高速公路橋梁，該橋在運營過程中出現了橋墩嚴重偏位，影響到橋梁的運營安全，在對該橋地基進行勘察、結構驗算及結構病害分析的基礎上，針對該橋的病害進行應急處理，保障交通通暢，研究該類病害更加快捷方便的處理方式，為今后同類型病害的快速處理提供參考。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

某橋梁橋長549.1 m，橋跨組合為3×30 m+4×30 m+3×30 m+3×30 m+5×30 m，上部結構為預應力混凝土連續T梁橋，橋面凈寬11 m，瀝青混凝土橋面。橋墩采用雙柱式橋墩，橋臺為肋板式橋臺和組合式橋臺，墩、臺均采用樁基礎。荷載等級：公路-Ⅰ級。該橋于2012年交付使用(見圖1、圖2)。

圖1 橋梁第五聯立面布置圖(cm)

圖2 下部結構橫斷面圖(cm)

1.2 地形地貌

橋位區屬低山河谷地貌，山體經長期剝蝕切割作用，地形連綿起伏，溝谷發育。兩橋臺座落在谷地兩側的斜坡上。谷地地形較平緩，寬約80 m。谷地中部有一條小溪通過，寬約3 m。山體最高處與谷底高差約100 m，橋位處斜坡坡角15°～25°，大部分覆蓋殘坡積土層，僅大樁號側斜坡局部有基巖出露。在該橋勘察設計階段，橋位區未見區域性斷裂構造、巖溶塌陷、大型滑坡等不良地質現象存在。

1.3 地質構造

根據地質調查及鉆探揭示，橋位區無區域性活動斷裂發育，區域穩定性較好。橋位東北側約200 m處有一近南北走向的逆斷層，傾角約70°，受其影響，橋位區局部地段裂隙很發育，巖體破碎，方解石脈較發育。于12#墩旁邊測得巖層產狀為70°∠15°，局部褶曲發育。

1.4 水文地質

本橋位地表水體主要為流經本場地的小溪水，水量受降雨量影響較大，暴雨季節易發山洪。橋位區地下水主要為埋藏于第四系覆蓋層中的孔隙水和基巖中裂隙水，屬潛水類型。地下水以大氣降水補給為主，水位隨季節而變化。黏土(Qel+dl)為微透水層，強風化巖層為弱～中等透水層，中風化巖層為弱透水層，地下水相對較豐富。

2 病害檢測情況

在該橋的日常檢查中發現，右幅橋梁第五聯存在偏位，偏位狀態如圖3所示。在發現主梁位移后，對該橋第16#、17#橋墩附近進行了地質勘探，圍繞16#、17#橋墩布設了13個鉆孔，鉆孔布置如圖4，探明地質情況。勘探結果為：(1)17#墩樁基嵌巖深度為7 m左右，滿足設計要求；(2)17#墩樁基左側2根樁基嵌巖深度約為7 m左右，右側2根樁基剛進入中風化泥巖，不滿足嵌巖要求；(3)16#墩樁基左側3根樁基嵌巖深度約為7 m左右，右側3根樁基還處在強風化泥巖層內，不滿足嵌巖要求。

在對橋梁結構進行檢測的過程中發現：(1)18#臺外側臺帽擋塊與T梁貼緊，16#、17#蓋梁左側T梁與蓋梁擋塊貼緊，部分擋塊破損；(2)16#墩、17#墩墩柱出現環向裂縫，裂縫深度22 mm；(3)支座存在明顯的剪切變形；(4)16#墩、17#墩墩身往小樁號方向和外側傾斜；(5)16#橋墩墩頂主梁縱橋向濕接縫底部開裂。

圖3 第五聯主梁偏位狀態圖

圖4 地質勘探鉆孔布置圖

3 原橋墩下部結構樁-土力學分析

樁基計算通過建立有限元模型，分析16#、17#墩樁基的內力。原結構離散圖見圖5～6。上部結構按照設計荷載計算最不利狀態的荷載水平，考慮巖土對樁基的約束作用，樁基入巖按照實際情況模擬，采用彈性約束模擬最不利滑坡(強風化和中風化交界面為滑坡面)狀況下的巖土邊界，地基巖層示意圖見下頁圖7～8，計算參數見下頁表1～2。

圖5 原16#墩結構離散圖

圖6 原17#墩結構離散圖

圖7 16#墩地基巖層示意圖(cm)

圖8 17#墩地基巖層示意圖(cm)

表1 柱頂恒載計算匯總表

表2 巖土層力學參數推薦值表

經過計算分析，16#、17#墩樁頂截面受力最不利。選擇樁頂進行驗算，結果見表3。樁基承載力驗算結果見表4。從計算結果得出：16#、17#橋墩樁頂截面承載能力滿足規范要求，16#橋墩樁基軸向受壓承載能力不滿足規范要求。

表3 樁頂截面驗算表

注：1.縱向配筋率按33根直徑d=25 mm的HRB335鋼筋計算，箍筋按間距為20 cm、直徑d=12 mm的R235鋼筋計算

表4 樁基驗算匯總表

4 橋墩加固方案及計算分析

4.1 加固方案

鑒于該橋地處交通要塞，交通流量較大，橋梁無法長期封閉施工，為了防止加固施工過程中車輛荷載引起橋墩的變形，在實施加固施工前先采取臨時性應急加固處理措施——用地錨約束下部結構，方案如圖9所示，應急加固措施完成后再開放交通，進行永久性加固施工(如圖10)：(1)將一股6φs15.2 mm預應力鋼絞線錨固進中風化泥巖超過40 m，縱橋向布置4個錨固點，各承臺均設置8個錨固點，每個錨固點錨固3根φs15.2 mm鋼絞線，各錨固點設計張拉力為250 kN。張拉施工過程中對下部結構及樁基應力進行監測，確保施工過程安全。(2)應急加固措施完成后，采用“增加樁基，擴大承臺”的方式，新增樁基采用嵌巖樁，并保證入巖深度，擴大承臺，將新舊樁基形成群樁。

圖9 應急加固措施平面圖(cm)

圖10 永久性加固措施施工平面圖(cm)

4.2 加固計算

采用有限元軟件對加固后的下部結構進行分析，結構離散圖見圖11～12。考慮上部結構荷載、應急加固2 000 kN錨索索力，16#橋墩最不利滑坡體水平分力4 877 kN，17#橋墩最不利滑坡體水平分力3 692 kN，對加固后的截面進行驗算。驗算考慮兩種荷載組合：1.0恒載(結構恒載+錨索索力)+1.4水平推力；1.2恒載(結構恒載+錨索索力)+1.4水平推力。經計算分析，按照偏壓或偏拉構件對最不利截面進行驗算，結果見下頁表5～9。

結果表明，加固后的樁柱的承載能力滿足規范要求，樁基承載力滿足規范要求。

圖11 新16#墩結構離散圖

圖12 新17#墩結構離散圖

表5 軸力驗算結果表

表6 正截面抗彎承載力驗算結果表

表7 斜截面抗剪承載力驗算結果表

表8 裂縫寬度驗算結果表(mm)

表9 樁基驗算匯總表

5 加固后效果評價

為了對整個加固施工過程進行控制，確保橋梁結構加固過程中的安全，在應急加固措施實施前就對橋梁結構進行了位移監測點布設及初測，監測測點布置如圖13所示。監控過程貫穿整個施工過程，位移測量采用0.5″全站儀采集，確保精度滿足要求，監測頻率為施工期間2次/d，竣工后1次/2d。

監測結果如圖14～16所示，加固施工工期從9月開始，12月竣工完成。結果表明，從加固開始到竣工后的運營階段，橋梁結構位移基本穩定，無明顯位移。表明加固方案成功合理。

圖13 第五聯結構變形監測測點布置示意圖

圖14 下部結構縱橋向位移曲線圖

圖15 下部結構橫橋向位移曲線圖

圖16 下部結構豎向位移曲線圖

6 結語

該橋梁由于部分樁基未完全嵌巖導致橋墩產生嚴重傾斜，存在重大安全隱患，但該橋地處交通咽喉位置，進行永久性加固施工在時間上難以滿足交通開放要求，故應及時提出應急維修加固方案。通過對該橋加固施工過程進行的監控可知，該橋結構穩定，未產生明顯位移。結合結構承載能力驗算，表明該應急加固措施以及永久性加固措施達到了預期效果，解決了潛在的安全隱患，為今后同類橋梁事故的加固施工提供了有價值的參考。