黄河桥梁桩基顶推钢套筒加固施工及控制技术

于利存++姚晓飞++周江

文章编号：1000033X（2016）12009304

收稿日期：20160527

基金项目：陕西省科学技术研究发展计划项目（2013K0905）

摘要：水流冲刷常导致桥梁桩基耐久性、承载力降低，使结构安全性不足。文章依托某公路大桥主桥桩基加固工程，通过总结分析顶推钢套筒主动加固桩基法的技术方案、加固构造、施工工艺、施工监控以及应用效果，发现该项技术能有效降低黄河水流冲刷的危害，且对土层桩侧摩阻力较小的桥梁群桩基础加固具有良好的适用性，可为类似桩基加固工程提供参考和借鉴。

关键词：冲刷；桩基加固；钢套筒；顶推施工

中图分类号：U445.4文献标志码：B

Pile Foundation Reinforcement of Bridge Across Yellow River with

Steel Sleeve Jacking and Control Technology

YU Licun， YAO Xiaofei， ZHOU Jiang

（CCCC First Highway Consultants Co.， Ltd.， Xian 710075， Shaanxi， China）

Abstract： Given that water scouring often leads to the reduction of durability and bearing capacity of bridge pile and compromises structural safety， the pile foundation reinforcement project of a bridge across the Yellow River was taken to study the technical solutions， reinforcement structure， construction technology， monitoring of the construction process and application effect of steel sleeve jacking， an active reinforcement method for pile foundation. It is found out that this method effectively reduces the damage to the bridge by the current of Yellow River， and is suitable for pile cluster with less friction resistance from soil.

Key words： scour； pile foundation reinforcement； steel sleeve； jacking

0引言

黄河水流夹沙量高，汛期水流速大，水流冲刷已成为跨黄河桥梁失效的主要原因之一。冲刷使桥梁桩周土层不断减少，桩基外露桩长增加，桩身混凝土及钢筋受到侵蚀，桥梁承载力降低，结构安全性受到威胁。对损伤桥梁桩基及时进行修复并采取相应的预防性措施，是消除结构安全隐患的重要保障[12]。

目前针对桥梁冲刷病害的加固措施主要有围堰套箍法、普通钢套筒和水下玻纤套筒加固3种。围堰套箍法是使用钢板桩围堰进行临时围护，以常规的增加截面法加固桥墩[34]。普通钢套筒加固是指对桩身进行清理后，在桩身外安装钢套筒，钢套筒不顶入土层，或嵌入土层05～1 m后，将钢套筒中的水抽干浇筑填充混凝土的一种桩基加固方法[56]。水下玻纤套筒加固又称“夹克法”，是利用玻纤套筒加固系统与桩基粘结成一个整体并阻止钢筋进一步锈蚀，修复并永久保护混凝土表面的一种桩基加固技术[7]。这3种措施的共同缺点是嵌入土层深度小，在黄河水的不断冲刷下，无法起到长期防冲刷的作用；此外，围堰套箍法加固施工措施费用高，水下玻纤套筒加固对含高沙量的黄河水的磨损适应性差[8]。

本文针对某黄河公路大桥的结构类型、病害情况、地质条件提出深度顶推钢套筒主动加固桥梁桩基的方案，并对其加固构造、施工工艺、施工监控以及应用进行详细介绍，以期为日后类似工程为鉴。

1工程概况

某黄河公路大桥主桥为8跨100 m钢管混凝土系杆拱桥，主桥下部结构为空心墩，群桩基础，每个桥墩由2个边墩和1个中墩组成，边墩4根桩基，中墩8根桩基，桩基直径均为2 m，设计桩长为72～78 m。桥梁立面如图1所示。

图1某黄河公路大桥主桥立面

经检测，主桥桥墩桩基河床严重下切，桩基冲刷深度为4.0～9.3 m，部分冲刷深度大于钢护筒长度，致使桩内芯外露，侵蚀严重，桩基普遍出现缩颈、扭曲扩径、钢筋外露锈蚀等病害。这些病害造成桩基耐久性和承载能力降低，结构安全存在一定的隐患，适用性上存在不可接受的缺陷。

2桩基加固方案

2.1加固方案

黄河河道变迁频繁，桩基冲刷深度大，普通钢套筒加固仅能外包冲刷地面线以上部分，无法达到长期防护的作用。根据冲刷深度监测，本桥均为外露高桩承台，冲刷地面线以上外露桩基长度为3.1～9.6 m，且桩基土层主要以侧摩阻力较小的松散粉砂和细砂为主，为钢套筒深度顶推切入土层提供了便利条件。因此，在普通钢套筒加固的基础上，采用深度顶推钢套筒主动加固桩基法，可以达到预防冲刷，提高桩基承载力、耐久性，增强主桥桩基可靠性，延长其使用寿命的目的。

深度顶推钢套筒加固法是利用群桩承台，使用千斤顶反顶钢套筒嵌入土层至冲止高程，以钢套筒作为施工模板和永久防护构造的方式进行桩基外包加固[9]。预制截面尺寸比原桩略大的钢套筒，分节段安装、顶推钢套筒，并配合高压射水及泵吸清除钢套筒与桩身之间的土层，灌注水泥砂浆，使钢套筒和原桩连接为一体，达到桩基冲刷防护和加固补强的效果。

2.2钢套筒加固构造

为使钢套筒起到长期防护的作用，将钢护筒嵌入至冲止高程，各桩基钢套筒设计长度为16 m。每根钢护筒共划分为14个节段，1个首节段、11个标准节段和1个末节段。首节段长为24 m，标准节段长为12 m，末节段长为04 m（图2（a））。桩基实际检测直径为21～23 m，钢套筒外径为25 m。每个节段由2个半圆柱组成，并均匀设置4道纵向加劲肋，首节段设置45°刃角（图2（b））。钢套筒壁厚为20 mm，纵向加劲肋厚为16 mm。钢套筒和其他钢构件均采用Q345C钢板。各构件间采用焊接形成整体。首节段和标准节段内直接泵送灌注M30微膨胀水泥砂浆，末节段采用压力注浆灌注水泥浆。

图2钢套筒顶推构造

3钢套筒顶推加固施工工艺

桩基钢套筒顶推加固的主要施工工艺流程为：施工平台搭设、桩身处理、钢套筒制作和安装、钢套筒顶推、填充水泥砂浆。

3.1施工平台搭设

采用设置在承台薄壁墩周围的扁担钢梁，通过手拉葫芦和钢丝绳分别吊起的施工平台及临时吊篮的移动轨道梁。整个结构由上至下分别为：承台面上I25b工字钢扁担梁、承台底下I25b工字钢施工钢平台、通过手拉葫芦连接的施工钢平台。施工钢平台四周及承台底面以下平台周围所有临水面均用Φ50×2.5 mm焊接钢管设置护栏。

3.2桩身处理

对桩基原施工钢护筒进行切割，凿除桩身劣化及多余混凝土，锈蚀钢筋除锈。

（1）桩基原施工钢护筒切割。桩基原施工钢护筒采用气切割，对钢护筒沿纵向和环向进行分块切割，切割后从桩基混凝土剥离凿除。

（2）桩身劣化及多余混凝土凿除。对于厚度大于10 cm的多余扩径混凝土采用气泵风镐机械凿除，在凿除前应先进行外露实际桩径测量及主筋保护层厚度探测，凿除后的钢筋保护层厚度不小于原设计厚度，并进行定位放线，标识出应凿除混凝土的外边线；对于混凝土蜂窝麻面、松散、破碎、剥落和钢筋锈胀外露区域以及厚度小于10 cm的多余混凝土，采用人工凿除，使表面粗糙凹凸差不小于6 mm，并将桩基最大直径控制在2.1 m以内。

（3）钢筋除锈。外露锈蚀钢筋先用钢刷对其表面的锈蚀氧化层进行处理，然后涂刷或用高压喷枪喷涂多功能阻锈剂。

3.3钢套筒制作与安装

（1）钢套筒的制作。钢套筒钢管采用厚度为20 mm的钢板卷制成2个半圆管。卷管时，钢管受力方向应与钢板压延方向一致，管体成形必须校圆，失圆度不得大于2 mm。在加工过程中，焊接纵向加劲肋、内衬钢板，钢管各片构件应在岸上预先进行试拼装及防腐处理，并在钢套筒外表面焊接临时吊环，吊环应竖向放置焊接。

（2）钢套筒的安装。

钢套筒先采用2片半圆构件拼接形成1个节段，各节段再进行由下至上竖直拼装。安装时应以事先确定好的原桩基轴线为准，各段筒体纵焊缝十字错开。在钢套筒控制点的高程和轴线均满足设计要求后，固定各片构件的位置，然后施焊接头。

3.4钢套筒顶推

（1）将冲刷地面线以上部分钢套筒安装到位，并预留承台与钢套筒间千斤顶的安装空间。

（2）在钢套筒定位准确后，安装支撑上、下垫板及液压千斤顶同步顶推设备。在钢套筒四周布设4个千斤顶，千斤顶的轴线和钢套筒外壁与纵向加劲肋交线保持在一条直线上。千斤顶的量程控制在最大顶推力的1.25～1.5倍。

（3）千斤顶采用同步顶推，顶推力与位移双控。在顶推过程中使钢套筒顶面保持水平，顶面最大高差不大于5 mm。

（4）在钢套筒内壁预先安装BW150型射水泵，边冲刷筒内壁土层边顶推，同时采用自吸无堵塞排污泵清理泥浆。在千斤顶满量程前应使用顶推连接柱接长，顶推连接柱的轴线应与千斤顶的轴线一致。

（5）当顶推长度大于钢套筒节段时，安装下一个钢套筒标准节段，此流程循环进行，直到钢套筒顶推至设计标高。

3.5水泥砂浆泵送和灌注

当最后一个钢套筒标准节段安装完成后，清理套筒内壁泥浆时，预留50 cm土层不进行清理，作为封底层。采用砂浆搅拌机搅拌，通过架设水平管道运输泵送M30微膨胀水泥砂浆填充钢套筒首节段和标准节段。水泥砂浆必须连续一次性浇注完，并在钢套筒内的桩两侧同时灌注。灌注时灌注管沿桩周来回缓慢移动，砂浆从管下端灌进；严格控制泵送量，同时用振动棒搅动，使钢套筒内水泥砂浆填充均匀密实。

3.6安装封顶节段钢套筒和压力注浆

钢套筒末节段采用压力注浆，使末节段顶面与承台底顶紧，并在底端设置注浆孔，顶端设置排气孔。末节段顶面与承台顶间采用密封胶进行密封硬化后，进行压气试验，以检查封闭带是否封严。从注浆孔注入水泥灌浆料，直到顶端所有排气孔均溢出水泥浆为止；待钢套筒内水泥砂浆初凝后，对注浆孔和排气孔及时填塞，并在表面进行焊接密封。

4钢套筒顶推控制

4.1钢套筒顶推监控内容及要求

钢套筒顶推以顶入深度为控制目标，以最大顶推力作为主要终止条件，以钢套筒偏位、同桩基各千斤顶顶推力差异、承台及其他构件出现异常损伤为辅助终止条件。钢套筒顶推具体监控内容及控制要求有以下几点。

（1）钢套筒顶推力。记录实际各桩基不同节段钢套筒的总顶推力；实际总顶推力不大于理论计算最大顶推力，同一桩基各千斤顶的油表读数相差不大于10%。

（2）钢套筒偏位。在施工全过程中对每个钢套筒顶均匀设置4个高程观测点，并测量每个钢套筒节段的垂直度；同一节段钢套筒顶各点高程差不大于5 mm，垂直度不大于05%。

（3）结构异常损伤。在钢套筒顶推过程中，派专人观测承台裂缝的变化情况、承台与桩基的结构状况以及其他结构异常响应，避免产生新的结构病害。

4.2钢套筒顶推控制结果

本工程选择在黄河枯水期进行施工，施工周期共60 d，顶推钢套筒加固208#～210#桥墩共48根桩基；其中43根桩基钢套筒均顶推至设计高程，且实际总顶推力小于理论计算最大顶推力值，钢套筒偏位和结构损伤监控均满足要求。另5根未顶推到位桩基钢套筒参数见表1。

由表1可见，5根桩基钢套筒的实际顶入长度为设计钢套筒长度的055～060倍，实际总顶推力均已达到理论计算最大顶推力，且实测的钢套筒垂直度和高程差均已超限。采用单侧加大顶推力、加大射水、抽沙力度等多种措施后，依然无法顶进。

通过快速围堰开挖209#34桩周围砂土，同时切割40 mm×40 mm 小窗口，用长钢筋插捣桩周，发现河床面以下部分桩基局部扩径，钢套筒纵向加劲肋紧贴桩基扩径部位，并挤出一条纵槽。由于扩径处空间狭小，砂土已被严重挤密，导致钢套筒无法继续向深部顶进。分析认为此类桩基存在局部扩径，导致钢套筒单侧被卡倾斜，无法继续顶进；钢套筒倾斜产生的水平力将对原桩基产生不利影响，在此条件下终止顶推。

5结语

深度顶推钢套筒主动加固桩基法无需修建水中围堰和搭设反力架，施工难度较小，安全性高，速度快，工程造价低，且冲刷防护深度大，可有效提高受侵蚀桩基的承载力和耐久性，是桥梁水下或陆上高桩承台桩基一种极为有效的加固方案，尤其适用位于粉土、粉砂、细砂等侧摩阻力较小的土层桩基加固。本文针对某黄河公路大桥桩基的土层资料、结构类型和病害状况，将钢护筒顶推工艺应用于桩基加固中，其钢护筒最大顶入土中深度达13 m，目前尚属国内类似加固工程中的首例。工程实践表明，深度顶推钢套筒主动加固桩基法可操作性强，加固效果显著，能够有效地解决桩基冲刷和强度削弱问题，可为类似桩基加固工程提供借鉴。

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[责任编辑：高甜]