重载铁路水冲受损桥墩适应性分析及加固控制技术

何占元

国能朔黄铁路发展有限责任公司， 河北 沧州 062350

随着大轴重、高密度、长编组的重载运输快速发展，加之冲刷、撞击等外部作用，桥梁结构病害损伤加剧，有的已经危及运输安全。如何快速、安全、高效完成病害桥墩基础加固改造是首先要解决的难题。

针对铁路水冲受损桥墩的适应性以及加固改造问题，国内外学者开展了深入研究。文献［1］采用模拟分析方法，开展了铁路桥墩基础冲刷对桥墩自振特性的影响理论分析和现场试验研究。文献［2-3］采用理论分析和试验方法，研究了重载运输条件下的桥墩纵向受力特征和动力响应规律。文献［4-5］以重载铁路桥墩为对象，研究了在大轴重重载列车运行、制动等工况作用下的桥墩纵向受力特性。文献［6-7］系统分析了冲刷对桥墩单桩承载力、自振频率以及简支梁桥频率的影响，探讨了简支梁桥桥墩受冲刷后模态频率的变化规律。文献［8-9］基于桥墩托换加固施工，提出了桥梁变形、应力、轨道平顺性等监测与控制方法。文献［10］以天津津滨轻轨桥梁墩柱托换工程为背景，探索了不中断行车条件下的桥墩加固技术、安全监控方法和控制标准。文献［11-12］采用理论分析和现场试验方法，研究了加固施工对桥墩和既有桩基的影响规律，提出了墩身加固施工安全监测方法。既有研究主要涉及冲刷对结构性能的影响及加固技术，但关于重载运输条件下的桥墩适应性分析和加固监测技术研究较少。

本文依托重载铁路水冲受损桥墩组合加固工程，采用现场试验、数值模拟、在线监测相结合的方法开展大轴重条件下重载铁路水冲受损桥墩适应性分析及加固控制技术研究，分析冲刷和加固对桥梁性能的影响规律，以期为类似桥梁病害处理和列车运行安全保障提供参考。

1 运营列车作用下受损桥墩适应性分析

1.1 工程概况

一座重载铁路大桥为上下行分离式桥梁，上行通行轴重21.0 ~ 30.0 t的重载列车，下行则主要通行轴重5.2 ~ 7.5 t的空车。大桥桥墩为双柱式圆端形板式墩，采用共用基础、桥墩分离的结构形式，摩擦桩基础。桥墩高度较低，为3.87 ~ 4.37 m。承台尺寸均为8.4 m × 4.0 m × 2.0 m。桩长12.0 ~ 17.0 m。

因上游水库突然泄洪，最大洪水流量超过100 m3/s。洪水在多个桥墩形成集中冲刷，桥墩承台全部外露，桩基最大裸露高度达5.0 m，最大冲刷深度达10.0 m，已经形成局部深坑，并接近原设计局部冲刷线。桥梁结构形式及冲刷情况见图1。

图1 桥梁结构形式及冲刷情况

1.2 冲刷过程中桥墩振动监测

洪水通过时基础周围约束高度的减小直接导致桥墩整体刚度、稳定性和承载能力降低，桥梁振动明显增大，对列车安全运营造成一定的影响。为保证安全，洪水通过时采取列车限速运行的措施，并采用891‐Ⅱ拾振器、INV数据采集仪、IMC数据采集仪组成实时在线检测系统完成冲刷过程监测，部分实时监测数据见图2。图中，S为冲刷深度。

图2 桥梁振动与冲刷深度关系

由图2可知：

1）洪水冲刷后，运营列车作用下的桥墩墩顶横向振幅和主梁跨中横向振幅较为离散，但比洪水冲刷前有显著增大趋势，墩顶振动增大趋势更明显。

2）洪水冲刷前，运营列车速度相对较高，基本为60 ~ 75 km/h，桥墩墩顶横向振幅在0.10 mm以下，主梁横向振幅在0.20 mm以下。洪水冲刷时，运营列车限速通行，通行速度为30 ~ 45 km/h，桥墩墩顶横向振幅增至0.10 ~ 0.20 mm，且较为离散，主梁跨中横向振幅增至0.20 ~ 0.30 mm。说明随着冲刷深度逐渐增大，桥墩和主梁振动逐渐增大，桥梁结构横向振动加剧。

冲刷过程中对桥墩自振频率进行定时测试，发现实测9#墩横向自振频率随冲刷深度增加而逐渐减小，自振频率降低值与冲刷深度成正比；冲刷趋于稳定时，实测桥墩横向自振频率由14.5 Hz降至7.3 Hz，降幅近50%，说明桥墩刚度随冲刷深度增加而逐渐降低。

1.3 冲刷条件下适应性分析

采用数值模拟方法开展提速、提高轴重条件下的桥墩适应性分析研究。建立整体有限元模型，将洪水冲刷视为墩台基础周围土体缺失，采用移动荷载法计算运营列车作用下的桥梁结构振动响应。重载列车作用下的桥墩振动响应分析结果见图3。

图3 桥墩振动响应

由图3可知：

1）墩顶横向自振频率与冲刷深度成反比例关系。在冲刷初期，桩基上部承台逐渐裸露，自振频率下降速率较小。随着冲刷的不断增加，承台全部裸露而桩基上部逐渐显现，桥墩横向自振频率下降速度逐渐增大。当冲刷深度达到8.0 m时，自振频率降至冲刷前的50%，桥墩刚度大幅降低。承台裸露对桥墩刚度影响相对较小，桩基裸露则引起了自振频率和刚度的显著下降。

2）相同速度、不同轴重列车作用下，随着冲刷深度增加，桥墩墩顶横向振幅逐渐增大；当桩基全部裸露时，桥墩横向振动增幅更为明显，进而引起主梁发生较大振动。

3）不同轴重列车作用下，随着速度提高，桥墩横向振动逐渐增大，近似表现为三阶段特征。第一阶段是40 km/h以下低速情况，随着速度增加，墩顶横向振幅逐渐增大，但增幅较小；第二阶段是速度提高到50 km/h时，墩顶横向振幅明显增大，振幅比前一速度级增大约1.5倍；第三阶段是超过50 km/h时，随着速度增加，墩顶横向振幅有增大趋势，但增幅小于第一阶段，速度的提高对桥墩振动的影响减弱。

2 加固方法与风险分析

2.1 加固目标

基于重载列车安全通行要求，桥墩加固需满足以下性能指标：①桥墩刚度比加固前大幅提高，墩顶横向振幅降低；②增大基础截面尺寸，提高基础稳定性。

2.2 加固方法

采取增补桩基法 + 增大承台法 + 墩身连接加固的组合方法进行桥墩加固。具体方法：首先在承台四周增补一定数量桩基，然后换填基础下方土体，继而增大承台尺寸并将增补桩基与扩大承台连接成一体。同时采用混凝土横向连接对桥墩进行加固，并与承台连接为一体，最终实现全面加固，见图4。

图4 组合加固设计方案

由于桥下净空有限，现场加固开挖、钻孔与回填等施工均采用小型机械和冲击钻孔的方式。与常规的托换加固、外包加固或基础加固等方法相比，大轴重运输条件下的水冲受损桥墩加固施工风险更大、影响因素更多、运输要求更高。如何保证加固施工期间的施工安全与大轴重列车的运营安全是关键。

2.3 加固施工风险分析

桥墩加固整个过程分为设计、施工、后期维护管理等多个阶段。按照管理学中的层次分析法思想，施工阶段的风险权重最大，对施工的安全性影响也最大。整个施工具体流程为：施工准备→基础开挖及防护→桩基钻孔及浇筑→既有承台凿毛及植筋→桩头凿除→基础换填→扩大承台及墩身连接钢筋绑扎→新旧承台、新增桩基和墩身连接混凝土整体浇筑→河道回填。

在桥墩加固改造过程中，由于施工工序、结构本身、材料以及列车荷载随时间变化不断改变，结构形状、体系特征、结构刚度、结构自振特性、结构受力及变形等均会不断变化，结构具有变化速率较小的时变性。借鉴风险管理思想对施工阶段的风险源进行辨识与分析，涵盖人员、结构、运输等方面。施工过程风险点分析结果见表1。

表1 施工过程风险点分析结果

3 桥墩加固施工安全监控

洪水通过时，对大桥8#—10#墩冲刷比较严重，为保障运输安全，冲刷后立即进行了加固处理。为避免洪水冲刷对其他桥墩产生影响，对全桥14个桥墩进行了组合加固施工，并建立了安全监控系统。

1#墩原始高度为4.0 m，5#墩原始高度为5.5 m，其他桥墩高度为4.0 ~ 5.5 m。后续影响分析和监控分析均针对1#墩和5#墩开展。

3.1 施工过程影响分析

加固前须要分析施工关键工况对桥墩振动的影响，根据计算结果合理确定后续监控内容和施工技术。C80列车作用下，不同工况5#墩墩顶横向振幅变化曲线见图5。

图5 不同工况5#墩墩顶横向振幅变化曲线

由图5可知：加固施工全过程对桥墩振动有显著的影响，且随列车速度增加，墩顶横向振幅逐渐增大；间隔开挖和间隔钻孔施工条件下，墩顶横向振幅数值均小于同时开挖和顺序钻孔施工，说明间隔施工对桥墩振动影响相对较小。桥墩加固施工中需对墩顶横向振幅进行监测，可采取间隔钻孔和间隔浇筑的施工方法。

3.2 监控设计

重载运输具有更大的荷载作用、冲击振动、运行随机性和更高的设备条件要求，基于“安全第一、监控关键、科学预测、保障安全”的原则和风险分析结果进行监控方案设计。现场监控从以下两方面开展。

1）控制列车运行速度。在基础开挖、桩基施工和基础加固施工期间，桥上列车限速50 km/h运行，以降低大轴重列车对桥梁结构的冲击和振动作用。

2）监控桥梁结构关键指标变化。主要监控列车信息、墩台基础沉降、水平位移以及桥梁动力响应，具体指标见表2。

表2 施工监控内容

3.3 测点布置及方法

每个桥墩墩顶上方各设置1个沉降观测点和1个水平位移观测点；每个承台上方设置4个观测点同时监控承台顶沉降和水平位移变化。在每个桥墩墩顶上方布置2个振动测点，监测列车和施工耦合作用下的墩顶横向和纵向振幅动力响应变化；在典型桥跨跨中外侧挡砟墙上安装拾振器测试桥跨横向振动；在桥上钢轨上安装磁钢传感器，监测列车速度变化。现场监控测点布置见图6。

图6 现场监控测点布置

墩台基础沉降和水平位移监控采用人工测量方式，沉降和变形测量分别采用电子水准仪和全站仪。在基础开挖施工前建立控制网并采集3次初始值，正式施工开始后每天固定时间测量，将初始值和固定时间测量数据进行对比，评判沉降和水平位移。

采用891‐Ⅱ型拾振器、智能信号数据采集仪及相关设备组成无线桥梁健康监测系统，实现列车速度、桥墩动力响应等信息的自动化采集和分析。利用振动数据和列车达到数据进行双控触发采样，在现场设置监控总站，监测信号实时采集、实时分析、实时存储、实时预警。若某趟列车引起的振动响应数据超过报警值，系统实时向相关人员推送报警信息，现场人员立即采取措施，以保障施工安全和列车运营安全。

3.4 监控标准及流程

基于保障列车运营安全、结构受力和变形正常、可实施性三个原则确定施工控制标准。根据铁运函〔2004〕120号《铁路桥梁检定规范》［13］规定并考虑设计、施工因素确定最终控制标准。

控制标准分为两级：第一级是报警值，允许达到，但必须立刻报警并停止现场施工，分析原因并采取相应对策后再行施工；第二级是限值，所有监控参数均不允许达到限值标准。监控参数控制指标见表3。

表3 监控参数控制指标 mm

整个加固施工过程分为两个阶段，即加固前准备阶段和加固施工全过程阶段，通过全面综合检测评判加固完成后的最终状态。施工监控流程见图7。

图7 施工监控流程

3.5 沉降和水平位移监测结果与分析

沉降和水平位移是评判结构稳定和安全的重要指标。现场监测在2020年内完成，其中基础开挖阶段为8月6日—9月1日；桩基施工阶段为9月2日—10月7日；基础加固阶段为10月8日—11月4日。本文仅列出部分桥墩监测数据。重载铁路桥墩加固过程中典型桥墩沉降和水平位移监控结果见图8。

图8 典型桥墩沉降和水平位移监控结果

由图8可知：三个施工阶段桥墩沉降和水平位移数值差异较小。与基础开挖和基础加固阶段相比，桩基施工阶段桥墩沉降数据更离散；与基础开挖和桩基施工阶段相比，基础加固阶段墩顶水平位移数据更离散。说明桩基施工阶段的冲击钻孔对墩台基础有一定程度的冲击作用，且冲刷和开挖引起墩台基础刚度降低。冲击钻孔引起桥墩出现较大的沉降和水平位移，而基础开挖和基础加固施工对桥墩的稳定性影响较小。

现场实测承台顶与墩顶沉降的大小及方向基本一致，承台顶与墩顶水平位移的大小及方向也基本一致，说明整个施工过程中墩台未发生明显的倾斜变形。

3.6 桥梁振动响应结果与分析

列车作用下桥梁动力响应是反映运营性能、结构刚度的重要指标。桥梁动力响应监控结果见图9。

图9 桥梁动力响应监控结果

由图9可知：

1）在整个加固过程中，墩顶横向振幅和纵向振幅实测值很小，均在设定报警值范围内。墩顶横向振幅为0.02 ~ 0.23 mm，具体表现为三阶段变化规律。在基础开挖阶段，桥墩横向振动较小。随着基础开挖和桩基施工逐步开展，桥墩横向振动逐渐增大。随着桩基施工结束而基础加固开始，墩顶横向振幅显著减小，比基础开挖和桩基施工时减小50%以上。可以认为，基础埋深减小引起的刚度降低和冲击钻孔施工引起的地面振动是导致桥墩横向振动加剧的直接原因。

2）与1#墩相比，基础开挖和钻孔施工阶段5#墩横向振幅较为离散；结合现场施工记录，钻孔施工阶段，5#墩未按要求进行交替钻孔，采取了顺序钻孔方式，顺序钻孔引起桥墩振动增大，而在基础加固阶段进行了部分外侧钢管支撑的方式，具有一定的抑振效果，因此横向振幅有所减小。

3）随着施工进度变化，桥墩墩顶纵向振幅变化规律不明显，基本在0.07 mm以下变化，满足设定报警值（≤ 0.38 mm）的要求。桥墩纵向振幅在一定程度上体现了列车纵向荷载变化。现场监测数据变化规律表明各施工工序对其影响较小。

4）桥跨结构跨中横向振动振幅（0.10 ~ 0.80 mm）较小且离散，满足设定报警值和限值（报警值≤ 2.54 mm，限值≤ 3.56 mm）的要求。实测第5孔桥跨横向振动与桥墩横向振动变化规律基本一致，也表现为三阶段变化规律。随着基础开挖深度增加和钻孔施工开始，桥跨横向振动显著增大。随着基础加固开始，结构振动明显降低，桥墩横向振动减小是引起桥梁振动降低的重要原因。

与2012—2016年桥梁检测数据对比，监控过程中桥梁横向振动远小于正常过车时的数值，说明列车速度对桥梁振动响应比较敏感，限制列车运行速度对减小桥梁振动具有良好效果。

4 结论

本文以受洪水冲刷的重载铁路浅基桥墩为对象，采用现场试验、数值模拟和在线监测的方法，研究大轴重运输条件下冲刷程度、荷载类型等多因素对水冲受损桥墩刚度、稳定性和动力响应的影响，并基于安全运营需求，提出一种“实时监测+定期监测”相结合的加固施工安全监控方法，得到结论如下。

1）冲刷引起墩台基础土体流失和约束降低，导致桥墩刚度减小、稳定性下降和振动加剧；随着冲刷深度增加，桥墩与主梁振动响应逐渐增大，桥墩自振频率逐渐降低；大轴重列车作用下，桥梁振动响应与列车速度、轴重均成线性关系。

2）列车运行速度和墩顶横向振幅是重载铁路受损桥墩加固安全监控的两个重要指标，现场安全监控体系须对列车速度和桥墩振动进行实时监控，确保施工安全和线路运营安全。

3）加固过程中基础开挖、冲击钻孔引起桥梁横向振动显著增大，但对墩台基础的沉降和水平位移影响较小。