外包鋼筋混凝土法在橋梁水中樁基病害處置的應用

■陳學健

（1.福建省高速技術咨詢有限公司，福州 350001；2.福建省海絲高速公路工程設計有限公司，福州 350007）

截至2021 年底，我國運營公路橋梁有96.11 萬座，總里程達到7380.21 萬m[1]。 橋梁作為道路的咽喉，在保障道路安全通行方面具有舉足輕重作用。 然而， 近年來關于橋梁病害引發的事故報道層出不窮，在跨江、河橋梁中出現的事故頻率較高，一方面是因為水下樁基屬于隱蔽工程， 存在可視性差、檢測難度大等局限，導致病害未能及時發現；另一方面是因為水下樁基施工受水流速度、 氣候條件、施工機械設備等條件制約，施工質量得不到保障。 如何有效保障橋梁健康運營成為社會關注焦點。 以閩侯縣甘竹大橋水中樁基加固工程為工程背景，分別對該橋的水中樁基病害特征、處置方案以及加固施工技術要點展開全方面分析，可為同類梁橋樁基病害處置提供參考。

1 工程概況

甘竹大橋位于三福高速公路閩侯連接線上，跨越閩江流域，全長1376 m，主橋采用（65+120+65）m的預應力混凝土箱形變截面連續剛構，下部為薄壁墩，群樁基礎；引橋跨徑均為35 m，共32 孔，上部結構為預應力混凝土T 形截面連續梁，雙柱式墩基礎。設計洪水頻率：1/100。 橋址處江面寬約1200 m，由主槽和淺灘組成，其中14#～28# 墩樁基常年處于水中，水深為3.4～15.6 m，大部分樁基水深為7～12 m。受上游水口電站泄洪及潮水影響，高低水位差約2 m。該橋于2002 年開工，2004 年竣工通車。全橋實景如圖1 所示。

圖1 全橋實景圖

2 樁基病害

2019 年某檢測機構對該橋的14#～28# 墩水中樁基構件進行專項檢測，發現該橋42 根樁基均存在不同程度的病害，嚴重影響到橋梁的健康運營，亟需加固處置。

2.1 樁基病害分類

根據該橋水中樁基病害檢測報告，根據樁基表面混凝土侵蝕剝落、鋼筋外露銹蝕等病害程度的不同，可將全橋42 根樁基病害分為3 類：第一類是表面有輕微沖蝕、小面積砼剝落、暫未出現鋼筋裸露現象；第二類是樁基表面混凝土大量剝落并有小面積的縱筋及箍筋裸露；第三類是樁基表面混凝土被侵蝕嚴重（縮頸）并有大面積鋼筋網（嚴重銹蝕、斷裂）裸露。 典型樁基病害示意如圖2 所示。

圖2 不同類別典型病害樁基示意圖

2.2 病害成因分析

通過查閱該橋水文資料、病害特征分析及查閱相關文獻的基礎上， 該橋樁基病害成因可歸為環境、管養、施工3 個主要方面因素[2-3]。

2.2.1 環境因素

橋址地處閩江下游，距海岸口較近，下游水質受海水潮汐倒灌影響，水中氯鹽濃度高；樁頂與系梁接連處（浪尖區）每天承受海水沖刷及潮汐漲落的干濕交替循環，使得42 根樁的樁頂段均出現混凝土剝落、疏松等病害現象。

2.2.2 管養因素

早年閩江沿線居民生活用水及化工污水未經處理直接排入江中，加快促進鋼筋銹蝕速率；另一方面一些不法商家盲目開采閩江河沙，造成河床急劇下切、沖刷變遷，嚴重影響到了樁基的穩定性與承載力。

2.2.3 施工因素

橋梁樁基采用鉆孔灌注樁法工藝施工，施工過程中未采取有效的措施保證鋼筋籠下放、保護層厚度控制精準定位，導致部分樁基表面混凝土剝落層較薄出現大面積鋼筋網、縮徑等現象；也存在樁頂混凝土超灌量不足、未嚴格按照規范進行樁頂鑿除，造成樁頂段混凝土施工質量得不到有效保障，成為薄弱環節段。

3 樁基處置方案

水中有害離子介質在不斷侵蝕樁基混凝土，若未得到有效處置將會導致樁基承載力不足而失效坍塌。 結合竣工圖資料及檢測報告對該橋樁基承載力進行檢算，當前樁基承載力滿足要求。 因此，對該橋樁基處置時，應重點考慮樁基耐久性處置，且盡可能提高結構承載力。 常見的橋梁水中樁基病害處置方法較多， 有抬樁法 （適用于摩擦樁承載力不足）、外包鋼筋混凝土法、鋼套筒法、混凝土缺陷修復法（輕微病害）、夾克法等幾類[4-5]。 以下分別對外包鋼筋混凝土法、鋼套筒法、夾克法這3 種方式進行比較分析。

3.1 外包鋼筋混凝土法

外包鋼筋混凝土法指在原有樁基基礎上，外澆筑一層鋼筋混凝土層，可有效遏制樁基病害進一步擴散，還能增大樁基構件的穩定性。 該方案需要搭設圍堰干作業平臺，為樁基表面病害處置、鋼筋補強、植筋、綁扎鋼筋、澆筑混凝土等工藝提供干作業環境。 該方法適用于樁基表觀病害嚴重且水深小于18 m 的情況。 外包鋼筋混凝土法加固示意如圖3所示。

圖3 外包鋼筋混凝土法加固示意圖

3.2 鋼套筒法

鋼套筒法是指采用特殊防腐處理的鋼套筒將原有樁基包裹起來，并在縫隙中注入水泥漿的一種方法。 其原理為通過將樁基與外界空氣、水等介質隔離，起到延緩樁基混凝土脫落、鋼筋銹蝕速率原理的效果。 該方法可有效增強樁基的軸向抗壓強度，具有施工速度快、費用較低的優點，但水中施工作業復雜、安全系數底低，加固質量可控性弱。 該方法適用于水流速度小、病害較輕且水深在8 m 內的情況。 鋼套筒法加固示意見如圖4 所示。

圖4 鋼套筒法加固示意圖

3.3 玻纖套筒法

玻纖套筒法是近年來常用的一種橋梁樁基加固方法。 加固前需要按以下工序進行：對原有樁基表面銹蝕鋼筋進行防銹與補強處置→舊混凝土表面鑿除至露出新鮮混凝土→清洗→玻纖套筒安裝→灌注環氧砂漿液。 該方法可有效提高樁基的耐久性與耐腐蝕性，具有材質輕、水中操作性強的優點，但存在一定的局限性，如若原樁基表面鑿除、清洗不到位，將嚴重影響加固效果。 該方法適用于淺水（6 m 內）樁基耐久性處置。 玻纖套筒法加固示意如圖5 所示。

圖5 玻纖套筒法加固示意圖

3.4 方案比選

綜合上述3 種水中樁基加固處置方法分析，可以得出以下結論：外包鋼筋混凝土法需要在干作業環境下實施，搭設輔助圍堰平臺措施費用高、工期長，加固質量可以得到有效保證還可以增加樁基的承載力；鋼套筒法施工周期較短、費用較低，但加固質量得不到有效控制， 對于群樁基礎實施難度大、風險系數高；玻纖套筒法造價低、施工便捷，適用于水深淺且病害較輕的一、二類樁基。3 種不同的樁基加固方案對比結果如表1 所示。

表1 3 種水中樁基病害處置方案對比

通過對比2017、2019 年水中樁基定檢報告可知，該橋42 根樁基病害發展速度快：2017 年三類病害樁基數量僅占5%、二類樁基占14%、一類樁基占81%；而2019 年三類病害樁基達數量達到48%、二類樁基占19%、一類樁基占33%。 綜合樁基病害發展速率、水文條件等各方面因素考慮，該橋推薦采用外包鋼筋混凝土法對其進行加固處置。

4 外包鋼筋混凝土法施工關鍵技術

外包鋼筋混凝土法樁基加固處置的施工技術難點最關鍵的是圍堰輔助平臺搭設；其次是病害處置過程中的鋼筋除銹防銹補強、樁基植筋、樁基鑿毛、鋼筋板扎、澆筑混凝土等主要工序。

4.1 圍堰類型選擇

常見的圍堰方式按材料種類不同，可分為土石圍堰、混凝土圍堰、竹圍堰和鋼圍堰等多種類型。 鑒于本工程為在役橋梁，選用鋼圍堰形式搭設施工輔助平臺，具有施工速度快、可大量縮短工期優勢。 結合該橋水文環境與現場實際情況，14#～28# 墩分別采用鋼套筒和鋼套箱2 種圍堰形式，其中鋼護筒圍堰適用于水深在3.4～8.0 m 的較淺樁基施工，鋼套箱圍堰用于8～15.6 m 的深水樁基施工。 近年來，鋼護筒圍堰方法在橋梁淺水樁基圍堰施工中普遍使用，主要施工工序為：施工準備→鋼護筒加工→安裝護筒反力架→鋼護筒下壓→護筒封底混凝土施工→樁基缺陷處置→鋼護筒拆除。 該圍堰施工工藝難度較低、技術成熟，不再贅述。

4.2 鋼套箱圍堰施工要點

4.2.1 圍堰類型選擇

鋼套箱圍堰施工工序如下：河底泥砂清理→安裝導向框→側板安裝→圍堰內繼續用空壓機將砂石抽填到圍堰外→澆筑側板接縫止水砼→鋼套箱圍堰封底→待強、圍堰內抽水→樁基缺陷處置→圍堰拆除。 鋼套箱圍堰的施工技術難點在于圍堰定位安裝及結構防水處理等環節。

4.2.2 施工準備

鋼套箱采用現場加工拼接方案。 在圍堰正式安裝前，應對其進行預拼裝試驗環節，可有效避免在安裝過程中出現尺寸偏差、安裝錯誤等問題。 并清除干凈河床遺留的建筑垃圾等雜物，為圍堰管樁順利打入土層做鋪墊。

4.2.3 定位導向框

為了保證鋼套箱圍堰準確定位，分別在橋墩四周相應位置打入若干根鋼管樁，并用工字鋼將鋼管樁焊接成一個穩定、整體框架結構，作為圍堰安裝導向框。

4.2.4 圍堰單元板安裝

側板從上游水流方向開始拼裝，第一塊具有陰陽轉角的側板應精準定位并保證垂直度滿足設計要求；將第二塊側板順著第一塊側的陰陽槽口插入，以此類推，最終將鋼套箱側模插入形成一個閉合體；最后采用震動錘逐一同步插打至設計標高。

4.2.5 陰陽接頭處理

為了保證圍堰的密封性效果，先用條狀布袋裝入少量的細石混凝土沿著接頭逐漸導入到孔底，確保止水帶到位后，再用漏斗及導管等輔助工具將止水砂漿灌滿，并適當振搗，確保接頭沒有氣泡等空隙。 接頭止水縫處理過程中，應由專業人員嚴格按照規范要求操作。

4.2.6 圍堰封底

封底混凝土的厚度與樁基水中深度、水頭差等相關參數計算，并考慮適當的富裕系數。 封底混凝土澆筑前，先確認基底地質情況與設計要求是否相符、底部是否平整。 在滿足要求的前提下，應采用高壓水槍沖洗封底段樁基表面附著的淤泥雜質，提高封底混凝土與樁基的握裹力與加固效果。 首批混凝土澆筑量嚴格按照相關施工技術指南要求，并安排專職人員負責澆筑過程中導管插拔速率，做到“勤測、勤量”，并做好相關記錄存檔。 鋼套箱圍堰實景如圖6 所示。

圖6 鋼套箱圍堰示意圖

4.3 處置加固施工要點

外包鋼筋混凝土法施工工序如下：準備→腳手架搭設→混凝土表面處置→舊鋼筋處置→樁基鑿毛→樁基植筋→鋼筋綁扎→模板安裝→監理檢查鋼筋→混凝土灌注→混凝土養生→拆模→成品檢驗。

4.3.1 混凝土表面處置

對原樁基表面疏松、破損等病害混凝土以人工鑿除為主、氣動及高壓水槍工具為輔，直至露出新鮮堅硬密實的混凝土基面，鑿除施工時，應謹慎科學作業，避免魯莽、盲目實施對原結構造成不必要的破壞及損傷，鑿除深度在3～4 cm，并采取相應措施保證油污、油脂、灰塵等附著物清理干凈。 樁基表面病害處置現場示意如圖7 所示。

圖7 樁基表面病害處置示意圖

4.3.2 舊鋼筋處置

對外露的縱筋、箍筋等采用鋼刷、化學試劑清除表面銹漬，然后采用噴涂型阻銹劑處理（阻銹劑用量控制在0.4 kg/m2，宜分3～5 遍進行涂刷），阻銹劑具有很強的腐蝕性，若在施工過程中不慎將其滴落在皮膚表面或者眼睛里，應立即用清水沖洗干凈并及時就醫。 對于嚴重銹蝕、斷裂等鋼筋，采用同直徑、同級別的鋼筋對其進行補強，并保證搭接尺寸及焊接質量滿足相關要求。 操作人員上崗前要經過嚴格培訓，并做好個人防護措施，考核合格方可上崗操作。

4.3.3 植筋

為保證新、舊混凝土協同受力，提高樁基承載力，應將原有樁基按梅花狀進行鉆孔植筋。 首先，應精確定位每個孔位位置，若孔位與現有鋼筋碰撞，應對孔點進行微調，不得調整鉆孔深度；鉆擊孔徑略比植筋直徑大2～5 mm、孔深比設計要求深5～10 mm；打孔結束后立即采用無油壓縮空氣機將孔內粉塵吹干凈，并用毛刷等工具將孔壁刷凈。 其次，要對孔壁進行干燥處置，如果孔內進水造成孔壁潮濕可采用電熱干燥方式，若孔壁被油污染，可采用電熱或者化學方法保證孔壁干燥。 最后，用丙酮等試劑將孔壁擦拭干凈，再用植筋膠將鋼筋植入孔內[6]。 植筋處置現場示意如圖8 所示。

圖8 植筋處置示意圖

4.3.4 鋼筋與模板工程

鋼筋網先在鋼筋棚里加工成半圓產品并預留足箍筋搭接長度，鋼筋接頭截面位置應錯開，并采取相關輔助措施確保鋼筋間距、混凝土保護層厚度等滿足要求；鑒于圍堰空間狹小，大型機械不好操作， 鋼筋籠先加工成1/2 圓周并預留箍筋的搭接長度，接頭截面錯開位置、數量要滿足相關規范要求，主筋與植筋采用焊接方式固定。 模板采用兩片半圓木模栓接，每片木模分節組成，雙面膠膠帶襯縫，模板塊與塊之間采用法蘭盤螺栓連接，豎向法蘭盤設定位銷，并嚴格控制模板的垂直度和混凝土保護層厚度，與鋼模板相比，采用木模可有效降低現場操作難度及施工周期。 鋼筋與模板施工工序示意如圖9～10 所示。

圖9 鋼筋綁扎示意圖

圖10 模板安裝示意圖

4.3.5 混凝土工程

為了延緩樁基表面混凝土侵蝕速率、提升樁基耐久性，本項目采用自密實混凝土，其主要性能參數指標如下：3 d 抗壓強度達到25～40 MPa、24 h 豎向膨脹率≥0.02%、抗滲等級≥P12、抗凍等級≥F150、塌落度為220～280 mm、擴展度為500～680 mm。 澆筑過程中應根據澆筑段高度分節安裝模板、 澆筑，嚴禁從樁頂直接將混凝土傾倒入模；配附著式振搗器振搗，振搗過程中實時檢測木模板變形量，避免塌模等施工事故；待砼強度滿足施工要求，方可拆模，并做好后期養護作業。 外包鋼筋混凝土法樁基加固完后的示意如圖11 所示。

圖11 外包鋼筋混凝土法加固示意圖

5 結語

該橋樁基病害專項處置完工接近2 年，42 根樁基定檢均未有新的病害出現， 結構技術狀況良好，達到預期加固處置目的。 該工程水中樁基加固處置案例可為同類橋梁提供借鑒價值意義。