运营期轨道交通桥梁支座病害治理方法研究

李 强 朱 力

（北京市地铁运营有限公司 北京 100044）

1 引言

目前，城市轨道交通行业已经进入集中跨越式发展阶段[1]。北京是全国最早建设轨道交通的城市，进入21世纪以来，北京市进一步加快了轨道交通建设，截止2018年初，北京轨道交通交付运营里程达609 km，其中桥梁总长约150 km，约占总运营里程的25%。随着运营年限的增加，桥梁病害数量呈逐年增加的趋势，尤其是桥梁支座病害更为突显。

2 支座病害治理的重要性和特殊性

2.1 重要性

随着北京轨道交通桥梁运营年限的增加和交通量的增大，桥梁支座在使用过程中出现了各种病害，其中板式橡胶支座主要病害有:裂纹、钢板外露、不均匀鼓凸与脱胶、支座脱空、超限剪切和支座位置串动等；盆式橡胶支座主要病害有:钢件出现变形并开裂、钢件脱焊、聚四氟乙烯板磨损、位移超限、转角超限、锚栓剪断和钢盆锈蚀等。桥梁支座是连接桥梁上部结构和下部结构的重要组成部件，它能够将上部结构的恒载和活载可靠地传递给墩台[2]，同时承受梁体端部水平移动和转动等造成的复杂荷载，还能减轻上部结构震动对下部结构的不利影响[3]。由此可见，支座的安全可靠直接关系到桥梁结构的安全可靠，一旦发生较严重病害，将严重影响桥梁的承载能力和使用寿命，甚至引起坍塌事故，所以支座病害对桥梁结构的运营安全构成了极大的隐患[4]。为此，支座病害的治理已经成为桥梁养护维修的重点环节。

2.2 特殊性

运营期间轨道交通桥梁支座病害的治理方法，除了要考虑到可靠性和有效性，确保治理工程的质量和安全之外，还应保证轨道交通的正常运营，在不影响正常运营或尽量缩短中断交通时间的条件下完成治理工作[5]。因此轨道交通支座病害治理工作有以下两个主要特点:（1）治理时间紧，支座病害治理必须在每天中的运营结束后进行，按照北京轨道交通运营时间表，北京轨道交通的日有效治理时间仅为3.5 h，这对治理工序提出了很高的要求；（2）各项参数控制要求高，每日治理工作后的轨道交通必须满足第二天正常运营要求，治理工作不能对轨道线路、接触轨、波导管、步行板、声屏障等设备设施产生影响，为此，各项参数要以毫米级来进行控制。

3 治理方法研究

轨道交通治理的特殊性对轨道交通病害支座的治理提出了更高的要求。目前北京轨道交通采取以下三种方法对支座病害进行治理:一是桥梁同步顶升法，主要针对发生严重的转角超限、位移超限、剪切超限及钢衬板脱空的病害支座；二是桥梁预顶升+灌浆料修复垫石法，主要针对上垫石严重腐蚀破损的病害支座；三是垫石局部加固补强法，主要针对下垫石脱空的病害支座。下面对各方法进行详细分析。

3.1 同步顶升法

首先要对病害支座所在桥梁、墩台进行检测，掌握其结构状态，同时对梁体的受力情况进行分析计算，根据不同的上部结构形式制定相应的顶升方案，确定顶升位置、顶升量和顶升力。此外，由于各主梁间的横向联系等结构将上部结构连成了一个整体，因此必须进行上部结构整体同步顶升，梁体才不会出现扭转、结构开裂、负弯矩超限等问题，从而保证上部结构的安全[6]。自2011年以来，北京市轨道交通在运营期间采用同步顶升法共治理了63处病害支座，主要是板式橡胶支座和盆式橡胶支座，其中板式橡胶支座15处，盆式橡胶支座52处。

3.1.1 工艺流程

轨道交通桥梁支座病害治理同步顶升法的主要工艺流程如下所示:

施工准备→搭设作业平台→盖梁顶标高复测，确定顶升高度→检查支座→荷载计算→顶升设备安装→顶升设备调试→试顶升→正式顶升→支座拆除及清理盖梁顶垃圾→更换支座→落梁→顶升设备拆除→拆除作业平台，清理现场→完成作业。

3.1.2 施工过程分析

（1）顶升系统

同步顶升系统主要由电动机、高压液压泵、油箱、千斤顶、油管、分流器及操作控制系统等组成。一个泵站的流量通过分流器输出，分别提供给多个执行油缸，位移控制系统根据不同测点回馈的信号，控制每个油缸的带载顶升速度，实现整个桥梁上部结构的同步提升动作，从而实现同步顶升的目的[7]。

（2）监测系统

监测系统主要包括数据采集系统、无线传输系统、数据分析系统、终端展示屏幕及传感器备份系统。工作原理是由主控计算机通过两个数据采集控制系统对现场安装的应变、应力传感器、位移传感器和温度传感器进行实时数据采集、分析、处理、显示和记录，并通过无线网络传送到现场指挥部。根据不同桥梁结构形式，对梁体位移、主梁跨中纵向应力、横梁应力、轨面高程、轨道爬行、轨道应力和轨道温度等内容进行实时监测，从而实现对同步顶升的全过程监控。

（3）顶升施工

轨道交通的顶升施工必须在停电期间进行，而且日有效工作时间约为3.5 h。因此，必须要合理安排施工工序，并且严格控制每项步骤的作业时间。板式橡胶支座的治理一般需要一个晚上停电周期，具体施工工序和所需时间详见表1；盆式橡胶支座治理一般需要两个晚上停电周期和一个白天运营周期完成，具体施工工序和所需时间详见表2。

表1 板式橡胶支座治理步骤及所需时间

表2 盆式橡胶支座治理步骤及所需时间

（4）支座拆除

在桥梁顶升前应对支座螺栓进行试拧，以保证拆除时螺栓可以顺利取出，同时测量支座上下垫石之间的距离，确定支座的撤出方向。桥梁顶升到位后，先拆除支座下座板上的固定锚栓，拆除时采用电风镐，两侧各设一把镐，钎头插入下座钢板与混凝土粘结处，两把电风镐对称同时振冲，使下座钢板松动并脱离垫石。当下座钢板松动后，依次拆除上座板的固定锚栓，使上座板整体落在下座板上，再用螺栓连接固定拆下的支座，通过自制导轨将其拿出，再由吊车吊下运走。自制导轨如图1所示。

图1 自制导轨

（5）支座安装

施工前要提前核实原支座型号，新支座应采用与原支座相同的型号。安装新支座前应对垫石顶面进行打磨，保证其水平度，并核实螺栓孔位置及直径。试拧支座螺栓，确认新支座钢板螺栓孔的直径，准确计算垫石高度，并要经设计与监理单位复核支座预留安装高度，确保安装新支座后的高度误差小于±1 mm。

3.1.3 施工技术要点

对于在运营期间进行的同步顶升施工主要有施工时间短、精度要求高、难度大和多工种协同作业等特点。所以施工时应严格按照设计单位的计算结果指导施工，制定详细周密的施工组织，否则极易在施工过程中出现各种各样的问题，为此在整个施工过程中要注意以下几个技术要点:

（1）要精确计算千斤顶的位置，根据不同梁体结构形式，明确所需顶升力的大小、顶升高度及顶升步骤，顶升时进行位移量和顶升力双指标控制[8]。

（2）施工前要先核对支座型号和尺寸，测量即将更换支座上下四角点的相对高程和支座上、下钢板四角点的相对高程[9]。

（3）正式顶升前要进行预顶升试验，预顶升位移不超过2 mm，试顶升期间检查各环节是否有误与可控。

（4）应对顶梁处两侧各50 m范围内的钢轨、扣件及道床等进行全面检查。

（5）施工应尽量在轨温16～28℃之间时进行；禁止在0℃以下和28℃以上进行轨道施工作业[10]。

（6）做好轨道防护设计，确保顶升过程中轨道的变形在预测范围内，如桥梁不能正常落梁时，仍能保证轨道安全使用，且限界仍满足行车安全需要。

（7）顶升时，控制梁体的顶升速度，顶升速度不应大于0.6 mm/min。

3.2 预顶升+灌浆料修复垫石法

该方法是预先使用千斤顶顶升梁体，使施加的顶压力代替破损垫石上的支座提供的全部支座反力，支座不再受力后，对上垫石进行剔凿，并支模浇筑新垫石。该方法整个施工过程能够维持梁体的现状位置，施工前后不改变梁体现状位置及标高。

3.2.1 工艺流程

轨道交通桥梁支座病害治理预顶升+灌浆料修复垫石法的主要工艺流程如下所示:

施工准备→搭设作业平台→安装千斤顶（与梁底密贴）→千斤顶预压脱换（停运后）→剔除垫石杂物→垫石钢筋网安装、支搭模板→支座灌浆料灌注及现场制作试块→垫石混凝土养护→千斤顶卸载、密贴梁底并锁死（强度满足设计要求）→拆除模板和千斤顶→施工完成。

3.2.2 施工过程分析

千斤顶施加的顶升压力应为支座承载力的100%，顶升时采用压力和位移双指标控制，保证梁体不产生大于0.5 mm的竖向位移[11]。然后对病害支座上垫石松散混凝土等进行全部剔除，剔除前将支座的四周用无纺布或塑料布等材料严密包裹，防止混凝土碎渣及浆液落入支座内。采用对支座扰动较小的电锤等小型设备进行剔除，剔除过程中严禁碰触主梁，剔除受损混凝土并露出基层未损伤的混凝土，将垫石内生锈钢筋网去除，清除浮灰、油污及疏松物，用高压水枪冲洗干净，然后清理浮水及附着物。

模板安装前，安装新钢筋网片，垫石模板采用酚醛覆膜胶合板或木质模板，提前按照实际尺寸加工成型，并在施工前在原支座垫石位置进行预拼装加固，以确保结构尺寸的正确。模板分块加工，安装后组合成一体，用对拉螺栓固定，并用密封胶条和快干型密封胶对模具接缝处进行封闭。

模板经检查验收无误后，采用TGM支座灌浆料进行重力灌浆法施工，施工应在轨道交通停运后进行。在外侧模板预留灌浆孔，预装管径为φ50 mm的PVC管作为灌浆孔，灌浆管口要高出垫石上表面。同时在模板的顶部分别预埋两个管径为φ20 mm的PVC管作为排浆嘴，其中一个排浆嘴应加弯头，以确保脱空部位灌浆的充实。TGM支座灌浆料应在2 h内达到30 MPa，垫石强度达到要求后，卸载千斤顶脱离梁体，新支座受力开始工作。

3.2.3 施工技术要点

（1）由于施工时间的要求，TGM支座灌浆料抗压强度要确保在2 h内达到30 MPa。施工时要做好试块预留工作，并及时送往实验室，以便及时掌握灌浆料强度。

（2）千斤顶采用压力和位移双指标控制，施工期间保证梁体不产生大于0.5 mm的竖向位移。

（3）施工时要对梁体竖向位移、顺桥向位移、横桥向位移、轨道高程变化和钢轨应力进行实时监测，并根据具体的梁体形式设置相应的预警值和控制值。

（4）模板安装要牢固，密封性良好，确保TGM支座灌浆料不会从钢板接缝处溢出。

（5）做好轨道、波导管等桥面设备设施的防护工作，确保施工过程中不对桥面设备设施造成超出限值要求的影响。

（6）由于线路日停运时间一般为3.5 h左右，灌浆料养护需2 h，因此施工时间仅约为1.5 h，为此要严格控制节点工艺，细化施工时间，确保在有限的时间内完成上垫石修复工作。

3.3 垫石局部加固补强法

该方法是采用专用灌浆料对下垫石脱空严重的病害支座进行局部补强，补强过程中梁体现状位置和标高不发生变化。

3.3.1 工艺流程

施工准备→搭设作业平台→清理脱空垫石→封闭垫石→灌浆料灌注→灌浆料养护→拆除封闭垫石钢板（强度满足设计要求）→施工完成。

3.3.2 施工过程分析

在轨道交通停运后，剔除下垫石松散部分的混凝土，并将周边清理干净，用薄钢板对下垫石周围进行封闭加固，然后采用高位漏斗法或压力注浆法向脱空的下垫石注入专用灌浆料，灌注时应保证灌料的密实性，灌浆料要与支座下钢板和垫石紧密贴合，中间无缝隙[12]，待灌浆料强度达到设计要求后拆除薄钢板，施工完成。

3.3.3 施工技术要点

（1）灌浆料抗弯和抗压弹性模量要与待加固构件混凝土材料的相应性能相近，并具有一定的流动性，以便能够顺利注入，此外还要具有塑性膨胀和硬化膨胀双重效应，以保证注入后的密实性。

（2）由于施工时间的要求，灌浆料抗压强度要确保在2 h内达到20 MPa。施工时要做好试块预留工作，并及时送往实验室，以便及时掌握灌浆料强度。

（3）封闭的薄钢板要密实，确保灌浆料不会从钢板接缝处溢出。

（4）由于线路日停运时间一般为3.5 h左右，灌浆料养护需2 h，因此施工时间仅约为1.5 h，为此要严格控制节点工艺，细化施工时间，确保在有限的时间内完成下垫石加固补强工作。

4 结论

目前北京轨道交通已经采用同步顶升、预顶升+灌浆料修复垫石和垫石局部加固补强三种方法治理了将近150处桥梁支座病害，从工程效果看三种方法能够满足各项严格控制指标的要求，对轨道等重要设备影响较小，治理所需时间能够满足正常运营要求，治理效果较好。通过上述分析和实践证明，以上三种方法适用于城市轨道交通桥梁病害支座治理工作，有一定推广意义，对城市轨道桥梁养护维修工作有一定参考价值。