高樁碼頭混凝土樁基修復加固技術

韓路，顧祥奎

（1.寧波舟山港股份有限公司，浙江 寧波 315040；2.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

0 引言

預應力混凝土樁具有剛度大、防腐蝕性能好、造價低等優點，被廣泛應用于港口工程碼頭結構中。但是預應力混凝土樁抗彎能力有限，在回淤環境下對淤積土體影響的適應能力相對較差。近年來，混凝土樁基高樁碼頭在使用過程中由于碼頭下方及后方水域回淤所形成的淤積岸坡作用，導致樁基出現裂縫或破損，具有一定的普遍性。另外，在船舶意外撞擊等海損事故中，混凝土樁基也可能受損甚至斷裂，嚴重影響碼頭結構的安全和使用。因此，有必要對高樁碼頭受損混凝土樁基修復加固技術進行研究。

本文對目前港口工程中常用的樁基修復加固技術進行了探討，并以浙江某碼頭受損混凝土樁基為例，提出了兩種樁基修復加固方案，且已成功應用實施，取得了較好的效果，對類似工程具有較好的參考價值。

1 常規修復加固方法

1.1 加樁法

對于樁基斷裂或者檢測報告中判定為受損嚴重的Ⅲ類樁，經常采用加樁的修復加固措施，即在原樁位附近加設樁基，然后將樁頂通過現澆樁帽節點與原結構相連。

1.2 現澆混凝土包覆法

現澆混凝土包覆法即在樁基破損位置搭設模板并在其間澆筑混凝土，以恢復樁基原有尺寸[1]或局部加大截面尺寸，從而達到樁基耐久性修復的目的。

1.3 玻纖套筒加固法

玻纖套筒加固法又稱“夾克法”[2]，是一種應用于存在混凝土脫落、鋼筋露筋、樁基裂縫等缺陷的碼頭樁基和橋墩柱的修復加固技術，主要由灌漿料和定制玻纖套筒組成。玻纖套筒既是灌漿料的模板，也是耐腐蝕的保護結構。

1.4 外包覆防腐系統法

針對海洋鋼結構浪濺區和水位變動區腐蝕的嚴重性，選用兩種新型外包覆防腐系統（PTC新型包覆防蝕系統和Denso礦脂防腐帶冷包纏系統），用于解決某碼頭鋼管樁水位變動區的涂層破損問題，取得了良好的修復效果[3-4]。

2 新型修復加固方法

2.1 鋼套筒壓力灌漿加固法

鋼套筒壓力灌漿技術是應用于海上風電基礎樁基與導管架之間連接的新技術[5]，荷載傳遞效果較好，施工質量比較穩定。鋼套筒壓力灌漿加固法是采用外套鋼板套筒并壓力灌入高強灌漿料，形成類似鋼管混凝土樁結構與原有樁基共同受力。該加固方法充分利用了鋼套筒的承載能力，通過空腔內高強灌漿料可使鋼套筒和原樁有效連接為整體，加固效果明顯，可用于部分Ⅲ類樁的修復加固；缺點是鋼套筒需額外防腐，耐久性較差，另外鋼套筒重量較大，施工相對不便，施工措施費較高。

2.2 復合纖維材料包覆法（TFRP法）

復合纖維材料具有強度高、耐腐蝕、質量輕、厚度薄、基本不增加加固構件自重及截面尺寸等優點，對施工設備要求低，現場施工速度快，被廣泛應用于結構的加固補強。但復合纖維抗壓強度低，因此港口工程中復合材料包覆法主要應用于結構耐久性修復或者考慮抗拉補強的結構加固中。對于受損程度較輕的Ⅱ類樁，比如存在細微裂縫的混凝土樁，其承載力降低有限，可采用復合纖維材料包覆，以確保其耐久性。

以前由于復合纖維適用膠均不能水下固化，所以復合纖維材料包覆法一般用于碼頭上部結構修復加固。但現在國內外已研究出可水下固化的復合纖維材料適用膠，可實現碼頭樁基的水下修復加固。

3 工程實例

3.1 工程概況

本文所引工程為浙江某高樁碼頭，樁基采用φ1 200 mm預應力混凝土組合管樁（上部φ1 200 mm大管樁+下部φ938 mm鋼管樁），每榀排架布置12根基樁。

碼頭建成后，受樁基阻流及外部邊界條件變化影響，碼頭下方及后方淤積嚴重，部分大管樁受淤積土體影響樁頂出現裂縫，耐久性明顯下降，需進行修復加固。根據檢測結果，受損樁基裂縫均位于向岸斜樁樁頂岸側，且基本上位于樁頂2 m范圍以內，極少數裂縫位于距樁頂2～3 m范圍之間。典型樁基受損情況見圖1。

圖1 樁基裂縫情況Fig.1 Crack of pile foundation

3.2 修復加固方案

本工程樁頂裂縫基本上位于水位變動區，只有低水位才能露出水面，需要趕潮作業，施工時間和空間都極為有限，大型船機及設備均無法進場。因此，本工程采用的修復加固技術及施工工藝需適應這一特點，所用材料應能滿足水下固化的要求。

若采用加樁方案，新增樁基費用較高，且需拆除碼頭上部結構，對碼頭生產運營影響較大，因此碼頭使用單位明確表示不予考慮；常規現澆混凝土包覆法需搭設模板并在碼頭下方澆筑混凝土，由于本工程樁基破損位置僅低水位才能露出水面，部分裂縫即使在低水位時也全部沒于水中，因此模板搭設及混凝土澆筑基本不具備施工可行性。玻纖套筒加固法可實現“水下施工”，無需搭建圍堰和排水設備，可用于本工程樁基修復，但是本工程樁基裂縫為受力裂縫，其修復措施應該兼具封閉和補強作用，修復材料應提供一定的抗拉抗壓強度，而玻纖套筒加固主要為耐久性修復，若考慮強度補強需在套筒與樁基的環形空腔中增加鋼筋網片，空腔灌漿量會大幅增加，根據施工單位報價單根樁修復費用接近10萬元。

為此根據現有新材料新技術，經綜合比選，結合樁基裂縫出現位置的不同，采用兩種不同的修復方法：裂縫與樁頂距離較大，無法保證水上裂縫封閉施工時間時，采用鋼套筒壓力灌漿法，鋼套筒作為高強灌漿料的模板和受力構件，通過壓力灌漿可實現水下施工，并與原樁形成整體提高抗彎強度，單根樁修復費用約4萬元；裂縫在樁頂附近，具備水上封閉裂縫施工條件時，采用復合纖維材料包裹法，復合材料采用水下固化膠，施工方便，費用最省，單根樁修復費用約2.5萬元，兩種方法都能起到耐久性修復和補強作用。

3.2.1 鋼套筒壓力灌漿法

當裂縫與樁頂距離S較大時，裂縫位置露出水面時間較短，無法保證裂縫注膠或裂縫封閉施工時間，采用鋼套筒壓力灌漿法進行修復，見圖2。

圖2 鋼套筒壓力灌漿法示意圖（mm）Fig.2 Steel sleeve pressure grouting method（mm）

在大管樁外部包覆鋼套筒，并在鋼套筒與管樁間的環形空腔內壓力灌注高性能灌漿材料，實現對裂縫的封閉包覆，確保樁基耐久性。鋼套筒一方面作為灌漿模板，另一方面與原樁基通過高強灌漿料形成整體后原樁基承載能力明顯提高。鋼套筒內壁設置剪力鍵以增強傳力效果。鋼套筒在現場合抱拼接，拼縫采用高強螺栓連接。根據GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應用技術規范》[6]要求，確定鋼套筒內壁與大管樁之間的環形空間厚度為60 mm。鋼套筒包覆長度原則上超過裂縫位置不小于500 mm，底部和頂部均設置橡膠止漿條。鋼套筒的設計使用年限按40 a考慮，防腐措施為預留腐蝕裕量加防腐涂層。防腐涂層防腐蝕年限按照20 a考慮，平均腐蝕速度k取0.3 mm/a；涂層設計使用年限20 a；保護效率按70%考慮，計算得出腐蝕裕量Δδ=7.8 mm。

本工程鋼套筒壁厚取12 mm，扣除腐蝕裕量剩余厚度4.2 mm，經計算，可提供抗彎強度約1 798.8 kN·m，與原大管樁的抗裂彎矩（1 576.614 kN·m）相近。

原大管樁的混凝土強度為C60，本工程選用的高性能灌漿材料，1 d后抗壓強度達30 MPa，28 d后的抗壓強度≥80 MPa。流動度適合灌漿工藝，初始流動度≥290，30 min流動度≥260。鋼套筒內灌漿采用壓力灌漿，壓力灌漿從預制安裝在鋼套筒底部的注漿管進去，在鋼套筒頂部的溢漿口排出套筒內的水、氣，確保灌滿鋼套筒。

3.2.2 復合纖維材料包覆法

對于裂縫在樁頂及樁頂附近的基樁，具備低水位時水上封閉裂縫施工條件，采用復合纖維修復系統進行修復（簡稱TFRP粘貼法），見圖3。

圖3 復合材料包覆法示意圖（mm）Fig.3 Composite fiber material cladding method（mm）

TFRP纖維增強復合材料是由纖維布與水下專用樹脂現場粘合而成的強韌復合纖維板，單層厚度1.3 mm，能保證水下固化。其性能指標如表1、表2所示。

表1 復合纖維修復系統性能指標Table 1 Property index of composite fiber repair system MPa

表2 水下專用樹脂性能指標Table 2 Property index of underwater special epoxy material

TFRP纖維增強復合材料與混凝土的彈性模量相當，應力應變關系為線彈性，與混凝土樁身的正粘結強度及水平抗剪強度足夠大，能與樁身結構粘結成一體[7]。因此可以參考GB 50367—2013《混凝土加固設計規范》[8]進行抗彎加固設計。經計算，在不考慮原大管樁鋼絞線的作用時，原大管樁粘貼單層復合材料可提供抗彎強度610.7 kN·m，則3層豎向纖維布可提供610.7×3=1 832.1 kN·m的抗彎強度，與原大管樁抗裂彎矩（1 576.614 kN·m）相近。

本工程復合纖維材料包覆法先采用化學注漿法對裂縫進行封閉，封閉完成后，在大管樁外部包覆復合材料。本工程采用4層復合纖維布修復系統，對于存在裂縫的一側粘貼3層豎向纖維布（主纖維方向與裂縫走向垂直），外圍再環向包覆一周纖維布（主纖維方向與裂縫走向平行），確保修補后的裂縫在使用期的耐久性。

復合纖維修復系統施工技術要求如下[9]：

1）對粘貼水下復合纖維的樁體表面打磨、清理，要求磨出混凝土新鮮面，并保證粘貼面平整度達到3 mm/m。

2）經清理打磨后的混凝土表面，若有凹陷處應用修補膠找平。

3）將準備好的水下復合纖維粘貼在樁體上，再用特制的滾筒沿表面多次滾壓，使粘結劑充分浸透，且使其平整，無氣泡。

4）粘結樹脂配比混合及涂刷浸透纖維布：配比準確，充分滲透纖維布，纖維材料的實際粘貼尺寸不得小于設計要求，位置偏差不得大于10 mm，角度偏差不得大于5°。

5）粘貼完成后應檢查粘貼密實度，要求水下復合纖維空鼓數量不得超過10個/m2，空隙率不超過5%及空鼓最大直徑小于20 mm，當纖維布的單個空鼓面積小于100 cm2，可采用針管注膠的方式進行補救。當纖維布的單個空鼓面積大于100 cm2時，必須將該處纖維布切除，重新搭建粘貼。

6）施工環境溫度應≥4℃。

3.3 質量檢測要求

1）施工前由有資質的檢測單位現場取樣送第三方檢測單位檢測。

2）在灌漿的過程中，根據現場情況對灌漿泵中材料和溢漿口溢出材料進行取樣，制作和養護試驗樣本，進行抗壓強度指標性能測試，見表3。要求1 d后抗壓強度達30 MPa，28 d后的抗壓強度≥80 MPa。另外，為驗證鋼套筒水下壓力灌漿密實性，對部分鋼套筒進行了鉆芯取樣，取樣結果顯示灌漿料飽滿密實。

表3 試塊抗壓強度檢測值Table 3 Test value of compressive strength of test block MPa

3）施工完成后對潮濕環境下的復合纖維粘結強度進行現場正拉拔測試，見表4，正拉粘結強度要求≥2.5 MPa[10]，并應按有關要求進行質量檢驗。

表4 正拉粘結強度檢測值Table 4 Test value of tensile bond strength MPa

3.4 修復實施效果

本工程為水下趕潮施工，且碼頭下方空間有限，施工條件極其復雜。設計修復方案時與施工單位反復溝通，重點考慮了施工可行性和便捷性，最后確保了樁基修復按期順利完工。圖4為施工完成2 a后第三方檢測單位拍攝的實景圖，根據檢測報告結論，修復樁基的鋼套筒未見明顯變形變位，樁身復合材料包裹層完好。根據樁基修復完工后碼頭沉降位移的跟蹤監測結果，碼頭未出現明顯的趨勢性水平位移，未出現顯著位移和沉降，碼頭結構安全，處于穩定狀態。

圖4 修復加固樁基實景Fig.4 Picture of strengthen pile foundation

4 結語

目前港口工程混凝土樁基修復加固方法主要包括加樁法、現澆混凝土包覆法、玻纖套筒加固法、復合纖維材料包覆法和鋼套筒壓力灌漿加固法，每種方法各有優劣，應根據不同工程的特點有針對性的選擇樁基修復方案。本文以浙江某碼頭混凝土樁基修復設計為例，針對其樁基缺陷位置位于水位變動區的特點，分別提出了鋼套筒壓力灌漿法和復合纖維材料包覆法進行修復，并成功應用實施。取得了很好的效果，確保了碼頭結構安全，可為今后類似樁基修復加固工程的設計提供借鑒。