水红铁路托摩地大桥开裂桥墩更换设计

刘东亮 张勇

1.中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，西安 710054；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

水红铁路是贵州省六盘水市境内的一条支线铁路。自六盘水市钟山区起，经水城县至盘县红果镇，全长166 km，为单线Ⅰ级电气化铁路。1997 年12 月1 日开工，2004 年 2 月 19 日正式运营。该铁路托摩地大桥为8 × 24 m 预应力混凝土简支T 梁，桥梁全长211.16 m，采用150 号片石混凝土圆端形实体桥墩。检查发现，6#墩高29.90 m，墩身混凝土开裂严重，影响行车安全，须采取整治措施。6#墩病害整治施工涉及营业线，需在高空作业，安全风险巨大，设计需首先考虑施工过程中T梁的支撑安全。

1 桥墩病害原因分析

混凝土收缩、动荷载作用、碱硅酸反应、施工环境恶劣，混凝土配合比不良、施工工艺欠佳等因素均有可能引起桥墩混凝土裂缝［1-7］。

对6#墩局部开凿后发现，粗骨料与砂浆黏结不紧密，蜂窝麻面较多，表面剥离现象普遍。竣工资料显示，6#墩混凝土施工时使用了SO3含量超标的骨料。混凝土硬化过程中硅质矿物逐渐与水泥中的钾离子、钠离子发生化学反应，产生凝胶，凝胶吸水膨胀引起混凝土严重开裂，导致墩身混凝土强度不足。混凝土骨料中SO3和硅质矿物含量超标是病害产生的根本原因。

2 桥墩病害整治方案比选

通常采用钢板或钢筋混凝土抱箍墩身增大其截面、封闭墩身裂缝、墩身植筋、加固桥墩地基土体、加固桥墩基础等方法［8-16］，或同时采用上述几个方法组合来整治桥墩病害。这些方法均是基于桥墩混凝土完好而对桥墩进行病害整治，既有文献对桥墩混凝土出现严重问题时的整治措施研究较少。本文从最大限度利用既有桥梁墩台和梁体，确保施工安全，缩短施工工期，减少对既有运营铁路的干扰、彻底整治病害桥墩和节省投资6 个方面考虑，提出3 个整体更换桥墩方案。

方案 1：更换 6#墩，利用原桥 8 孔 24 m T 梁。在列车正常运营条件下，先在6#墩左右两侧各增设一个矩形柱［17］，柱顶横桥向设置双横梁门式框架墩［18］，然后拆除原6#墩，其余墩台及其上部T 梁、孔跨、桥面系均维持现状。

方案 2：更换 6#墩，利用原桥的 6 孔 24 m T 梁。将原桥的第 6 孔 T 梁由 24 m 改为 16 m，第 7 孔 T 梁由24 m改为32 m，原桥8×24 m T梁调整为（5×24+16+32+24）m T梁。因6#墩两侧的桥梁跨度由（24+24）m等跨改造为（16+32）m 不等跨，故需新设6#墩。架设1 孔 16 m T 梁和 1 孔 32 m T 梁时需 移 动 2 孔 24 m T 梁并改造5#和7#墩为不等跨墩。移架T梁和改造5#、7#墩在封锁线路条件下施工。

方案3：更换原桥所有桥墩，利用原桥的7 孔24 m T梁。将原桥由8×24 m T梁调整为（1×12+7×24+1 × 12）m T 梁。利用原桥的 7 孔24 m T 梁和 2 个原桥台，新设8 个桥墩和2 孔12 m T 梁。新设墩均位于梁跨中间，新设墩施工期间列车正常运营，移架T梁在封锁线路条件下施工。所有24 m T 梁均须移位重新架设，原桥墩全部废弃。

三个方案优缺点对比见表1。可见：方案1 最优，因此托摩地大桥桥墩病害整治最终采取方案1进行设计并组织实施。

表1 三个方案优缺点对比

3 细部设计

门式框架墩主要由桩基础、承台、墩柱、横梁、支撑块、支撑纵梁、桥墩顶帽等组成，如图1所示。

图1 门式框架墩示意

3.1 桥墩基础

以原6#墩承台（横桥向13.70 m、纵桥向11.50 m）为中心，沿横桥向设置2个纵桥向长7.30 m、横桥向宽5.70 m、高2.50 m 的新承台，与原6#墩承台间留出0.20 m 的缝隙，便于门式框架墩柱施工和原6#墩的拆除。每个承台下设4 根直径1.50 m 的钻孔灌注桩基础，桩长10.00 m。承台顶与原设计承台顶平齐。

3.2 墩柱

在2 个新承台上各设一个矩形门式框架墩柱，纵桥向长4.00 m、横桥向宽3.00 m，柱高（等截面段）24.90 m。墩柱与每道横梁连接处设长2.50 m、高0.85 m 的加腋，用于增强抗剪功能，减少结构因受力产生的扭曲效应。柱顶钢筋绑扎长度适当加长，深入横梁位置。

3.3 横梁

在矩形墩柱顶外侧，沿横桥向设置两道净跨16.40 m、高2.50 m、宽1.20 m 的横梁，两道横梁间沿纵桥向空出2.40 m 宽，原6#墩拆除前位于空中间。原6#墩的顶帽在门式框架墩横梁施工过程中用于支撑24 m T 梁。施工横梁混凝土时预设钢筋，与后续门式框架墩顶帽钢筋绑扎在一起。浇筑横梁混凝土时通过柱顶钢筋将横梁与门式框架墩柱固结在一起。

3.4 支撑块

在凿除原6#墩顶帽处部分混凝土和施工门式框架墩顶帽前，需将24 m T梁的支撑点从距梁端0.30 m处向跨中移动1.75 m，由支座支撑改为钢支墩临时支撑，完成T梁的第一次支撑转换，如图2所示。

图2 钢支墩临时支撑T梁示意

临时支撑由支撑块和钢支墩同时承担。为减小钢支墩的支撑高度，增强其支撑T梁的稳定性，在两道横梁顶面T梁中线处各设置一个长1.00 m、宽0.50 m、高0.50 m 的钢筋混凝土支撑块。支撑块与钢支墩临时支撑T梁，腾出24 m T梁梁底支座处的空间。

3.5 支撑纵梁

先凿除原6#墩顶帽部分混凝土作为施工空间，然后沿纵桥向在两片T梁原支座支撑处穿两组长3.40 m的组合工字钢形成两根支撑纵梁，如图3 所示。纵梁端部支撑在门式框架墩的两道横梁上，加强门式框架墩顶帽与横梁之间的连接，增大桥墩顶帽浇筑施工时的安全储备。

图3 支座永久支撑T梁示意

3.6 桥墩顶帽

在钢支墩临时支撑T 梁的条件下，浇筑门式框架墩混凝土顶帽。将顶帽钢筋与横梁浇筑时预设的钢筋连接，并将支撑纵梁与钢筋一起浇筑在混凝土中，形成横向长6.00 m，纵向宽3.20 m，高1.00 m 的门式框架墩顶帽，顶帽上支撑垫石中预留支座螺栓孔。

3.7 安装支座

门式框架墩顶帽混凝土达到设计强度后，在支座支撑处通过支座螺栓将24 m T 梁与门式框架墩顶帽支撑垫石连接，将T 梁由钢支墩临时支撑转换为支座永久支撑，完成T梁支撑的第二次转换。

4 更换桥墩施工

采用钢板桩围堰支挡，施工钻孔桩基础。承台、桥墩柱、横梁等采用现浇施工，其中门式框架墩柱、横梁等需现场搭设支架，在列车运行间隙施工。24 m T 梁钢支墩临时支撑与支座支撑之间的转换、门式框架墩顶帽施工均需封闭线路，人工结合千斤顶等施作。

具体步骤：①钻孔灌注桩施工；②浇筑桩基承台；③浇筑门式框架墩的矩形墩柱；④浇筑门式框架墩的横梁；⑤浇筑横梁顶临时支撑块，移动T 梁支撑点位置，临时支撑T 梁；⑥凿除原6#墩顶帽部分混凝土；⑦穿纵梁；⑧浇筑门式框架墩顶帽混凝土；⑨安装桥梁支座；⑩拆除原6#墩。

施工用时总计188 d。其中施工准备、施作门式框架墩的桩基础、拆除原6#墩等共计80 d，这段时间不影响列车运营。与行车有关的时间为108 d，分别为间断封锁线路施工13 d和在列车运行间隙施工95 d。

该桥梁6#墩更换已于2018 年2 月完工，彻底解决了因混凝土裂缝导致桥墩混凝土强度不足的问题，消除了安全隐患。历经3年多的运营，结构安全、铁路运营正常，未发生其他病害，整治效果良好。

5 结论

在满足铁路运营条件下采用双横梁门式框架墩整体更换既有桥墩是可行、有效、安全的。本次施工具有以下特点：

1）双横梁门式框架墩基础、矩形墩柱和横梁在施工过程中没有与原有桥墩发生冲突，施工不影响既有桥梁的运营。

2）施工过程中采用临时支撑块与钢支墩相结合支撑T梁，其支撑点位置和支撑方式的选择，为原有桥墩顶帽部分混凝土的凿除及新设门式框架墩顶帽的施工创造了施工空间，同时满足了施工期间既有T 梁的稳定支撑和铁路的正常运营。

3）纵梁的使用加强了门式框架墩顶帽与横梁之间的连接，增大了门式框架墩顶帽浇筑施工时的安全储备。

4）双横梁门式框架墩的横梁在施工过程中兼具施工支架功能，不仅为施工提供了稳定、便捷的支撑，确保了施工和铁路行车安全，而且节省了施工用支架材料。