水下桥墩加固新技术

[摘要] 总结了若干最新日本水下桥墩结构加固技术，包括新型沉箱干作业法加固水下结构技术、压入钢管加固技 术、预制混凝土面板快速桥墩加固法，给出了几种加固技术的基本原理与施工工艺，同时对各技术的工艺特点进行了系统地分析，指出在桥梁水下结构加固方案选择时，应充分考虑各桥梁加固技术特点。

[关键词] 桥梁,桥墩,水下,结构,加固,桥梁加固,结构加固,加固技术,桥墩加固 

0 引言 

根据有关部门的统计，截止到2007 年，我国各类 桥梁约有52 万座，每年开工建筑的桥梁约为10000 余座。这其中相当数量的桥梁基础、墩柱位于水中， 桥梁水下结构的使用条件和使用环境较之水上结构更 为恶劣。例如：水下较高的静态应力和疲劳应力、河 水冲刷、淘刷、磨损、气蚀、严寒地区的冻融和侵蚀 （化学腐蚀和电化学腐蚀）、船舶碰撞、浮冰及地震袭 击、环境荷载（如生物附着）和桥梁上部结构传递的 工作荷载等，均易导致桥梁水下结构形成各类损伤缺 陷，且不易被发现，这些损伤、缺陷导致桥梁承载能 力和耐久性降低，严重危及行车安全和桥梁的寿命。 因此，研究可行的快速、便捷、低成本的桥梁水下结构加固技术具有重要的意义。在大量收集国内外相关 技术资料的基础上，总结了若干最新桥梁水下结构加 固技术，为我国桥梁加固工程实践提供技术参考。 1 新型沉箱干作业法加固水下结构技术 传统上，进行桥梁水下结构的检测与结构加固需使用 水下设备或使用临时钢板桩围堰，这些方法都耗用大 量费用和时间。日本五洋建设公司针对水下结构加固 难题开发了下沉钢箱法桥梁加固技术（Neo-Dry Repair Method，NDR 工法），该技术是为了获得干燥的作业 环境实施桥墩水中部分的加固而开发的施工方法，其利用拼装的钢沉箱，下沉环抱于桥墩四周，在钢沉箱 与桥墩之间设置反力支撑抵抗深水压力，钢沉箱底部 设置止水装置，形成一个与水隔离的空间，为桥梁加固工 程创建一个干燥的工作环境，可用于河流和港口的水 下结构检测、修复和桥梁加固。 

该技术主要结构构造有钢沉箱、内部支撑及止水 构造，其桥梁加固原理如图1 所示，钢沉箱由可利用浮力 调整的双重钢板单元构成，沿待结构加固四周拼装成 平面环状箱体，设于结构加固外侧，并设置了止水构 造，提供防水隔断，内部排水实现内部干燥的作业空 间，内部支撑间隔布置于钢沉箱与待加固结构之间， 在抽水之后为钢沉箱提供侧向水压力平衡，由于两侧 支撑之间互相平衡，整个临时设施是自平衡体系。新 型沉箱干作业法通过水上作业及钢沉箱最小限度的隔 水工作完成桥梁加固施工，由于钢沉箱临时设置于桥墩外 侧，隔离了四周的水，在钢沉箱内部获得干燥的作业 空间，从而能够确保桥梁加固施工的工作性和安全性，由 于钢沉箱可以重复使用，具有较好的经济性能。

该桥梁加固技术的具体施工工艺如下（其关键工艺如图2 所示）： 

（1）钢沉箱陆上拼装 为了运输方便，钢沉箱可 根据需要分割成较小单元在工厂制作，然后运输至现 场在陆上拼装成两个半体；同时，安设内部侧向支撑。 为了使钢沉箱象船舶一样地浮游，钢沉箱底部设置永 久底板，其内部可根据需要注水、抽水实现下沉与上 浮。 

（2）钢沉箱安装 在待结构加固结构周围清理、底面 整平之后，钢沉箱下水，采用船舶进行拖航，至预定 位置进行闭合组合，使用千斤顶进行位置微调，注水 沉设，进行安装，清扫底面，同时，在钢沉箱底板尖 端部和既有构造物的间隙处设置止水构造。 

（3）水中混凝土打设 为了填埋钢沉箱底板和既 有构造物的间隙，防止涌水，进行水中不分离性混凝 土浇筑。 

（4）钢沉箱内部排水安装内部支撑，对钢沉箱 内部进行固定，随后，抽去钢沉箱内部水。 

（5）结构加固 上述工作确保了结构加固干燥的 作业空间，继而对该结构进行需要的桥梁加固，可采用普 通的外包钢筋混凝土加固技术，通过凿毛、植筋等技 术措施实现后结构加固与原有结构的可靠粘结，从而 实现对水下结构的可靠桥梁加固。 

（6）钢沉箱回收 桥梁加固工程完成之后，向钢沉箱内部注水，撤去内部支撑，将钢沉箱拆为两部分，排去钢沉箱夹层内的水，使之浮起并由铅垂状态转向水 平状态，实现对钢沉箱回收与重复利用。 

新型钢沉箱干作业法使得位于河流和海洋中的水 下桥墩实现低成本、干燥环境下的结构加固成为可能，由于其采用工作钢沉箱桥梁加固技术，具有以下显著工艺特 点：

1）由于调查，修复和桥梁加固工作可以进行干燥的条 件下，工作环境和安全性改善，施工的质量提高；

2） 运输和安装可以借助于浮力进行，从而消除如梁下空 间的最低要求和选择适当的机器；

3）由于沉箱预先在 工厂生产，在现场操作的时间大大减少；

4）水上工作 的领域面积较小，从而最大限度地减少中断交通和其 他经济的影响；

5）适用于不同形状的结构，包括圆形、 椭圆形及矩形的结构基础或结构墩柱，以及墙式结构 （使用钢板桩）；

6）由于沉箱可转换为或用于桥梁加固或修复结构的组成构件，这种新方法也被证明是经济的。 

2 压入钢管桥梁加固技术 

普通桥梁加固方法一般仅能对结构基础以上部分进行 加固，但经常也存在桥墩与桩基础直接相连，不能像 一般结构那样地明确区分桥墩和基础，且对于桥梁下 部结构，尤其是桩基础等水下结构，其最大弯矩点理 论上并不位于基础顶部，通常位于基础以下数米，因 此，对基础下部入土一定范围进行加固是十分必要的， 而通常限于现有技术的局限，一般无法实现这一目标。 最近，日本Raito公司开发了压入钢管法加固桥墩技术 （SSP工法）0，结构加固原理如图3所示，其利用静力压入 技术，将节段焊接拼装的加固钢管沿加固结构四周压 入基础中，高压喷射清洗钢管与加固结构间隙间的泥 土，灌注无收缩高性能砂浆，这一技术可实现位于基 础以下部分结构加固，同样也适合于水下桥墩或桩 基础加固。其具体工艺如下（其关键工艺如图4所 示）。 

（1）反力钢板的设置 为了实现静力压入钢管的 目的，在桥墩或桩基础靠近顶部设置反力钢板，反力 钢板固定于待结构加固结构四周侧面，在静力压入时，其 反力通过自身实现平衡。 

（2）压入装置和加固钢管的设置 沿结构加固四周布置千斤顶压入装置，千斤顶顶部反力于上部反力钢板,加固钢管按施工方便需要划分节段，沿环向由 多片现场焊接。 

（3）加固钢管的压入 通过压入装置施压，将加固钢管静力压入基础。 

（4）千斤顶的移动 在加固钢管压入过程中，根据千斤顶行程调整千斤顶位置。 

（5）次加固钢管的连接 第一节钢管压入之后， 拼装焊接下一节钢管，依次循环压入，直至达到设计 要求。 

（6）高压喷射清洗 高压喷射清洗加固钢管与待 加固结构之间的泥土。 

（7）填充砂浆的填充 待泥浆清洗完毕,灌注无收缩高性能砂浆，加固完成。 

压入钢管加固技术适用于碎石土（碎石最大直径 小于现有结构与加固钢管之间的间隙）、淤泥质土、粘 性土、有机质土等土质条件下的直径300~1500mm 各 种桥墩、桩基础构件的加固，梁下空间不小于2.5m（如 果空间过小，可从基础顶面向下挖掘），其具有以下显 著工艺特点：

1）适用于水中结构的部分修复与加固； 

2）焊接工作位于陆上，质量可靠；

3）对基础加固时 无需重新构筑基础，加固的同时实现原结构的防腐施 工；

4）上部开放的工作面，工人工作条件较好；

5） 作业过程低噪声、无污染；

6）作业条件受恶劣气候条 件影响小；

7）无需大规模的临时隔水措施，不需要大 型设备，经济性较好；

8）加固过程对路面交通无影响； 

9）对结构尺寸及外观基本无改变，不影响通航净空。 

3 预制混凝土面板快速桥墩加固法 

除了采用拼装钢沉箱或钢管的方法形成水下桥墩 加固的封闭空间或填充模板，日本又利用预制混凝土 面板作为加固时填充材料的模板，开发了预制混凝土 面板快速桥墩加固法（PRISM工法，Precast Rapid Intensification System to Manipulate RC Piers）0，该施 工技术是以神户地震为契机发展起来的一种加固方 法，采用高耐久性的预制混凝土面板包裹既有桥墩， 用特殊的钢扣件闭合连接之后，对预制混凝土面板与 既有桥墩间灌注水下不分散砂浆（图5），实现在不排 水的条件下对水中桥墩进行加固，消除了传统加固方 法中大规模的临时设施，对抗震结构加固工程在施工工期 与经济性方面表现出良好的优势，适用于码头、河流、 运河、港口等水下结构加固。具体工艺如图6所示。 （1）准备工作 为了防止对周围河流造成污染， 在施工区域设置污染预防膜，清除柱脚的沉积淤泥。 （2）临时工程 搭设施工工作平台，依靠既有桥 墩，设置起重设备。 （3）混凝土表面处理 采用高速喷水枪等除去桥 墩表面的附着物。 （4）底部锚孔制作 钻削弯曲加强钢筋锚孔。 （5）抗弯钢筋设置 对锚孔注入钢筋固定用胶黏 剂，植入弯曲加强钢筋。 （6）混凝土面板预制与拼装 生产预制混凝土面 板（预制厂生产），在现场沿桥墩四周水下拼装预制混 凝土面板，底部固定锚栓安装。 （7）填充水中不分散砂浆 填充水中不分散砂 浆。 （8）水上部分施工 包括水上加强钢筋的连接， 水上预制混凝土面板组件拼装，水上砂浆浇注，水上 砂浆采用低收缩砂浆。 （9）临时设施拆除 加固完成，拆除起重设备等 工作设施，去除污染预防膜等。 预制混凝土面板快速桥墩加固法利用预制混凝土 面板作为其加固时的砂浆浇注外侧模板，相对于一般 的钢模板施工钢材用量低，且混凝土面板内置横向加 强钢筋可实现对桥墩的抗震或抗剪加固，其装配式施 工，速度快，工艺简单，具有以下工艺特点：1）内含 加强筋的预制混凝土面板可提供抗剪加固；2）桥墩柱 脚设置弯曲加固的加强钢筋，可获得弯曲桥梁加固效果；3） 中间贯通的横向钢筋为桥墩提高延性实现约束桥梁加固； 4）采用的高耐久性预制混凝土面板，使用寿命长；5） 不排水加固成为可能，缩短施工期限、降低成本。 

4 结语 

介绍与总结了若干最新水下桥墩结构加固技术， 包括新型沉箱干作业法加固水下结构技术、压入钢管加固技术、预制混凝土面板快速桥墩加固法，其中： 新型沉箱干作业法利用工作钢沉箱为水下结构加固创造了干燥的作业环境，其加固工作与陆上无异，工作 环境和安全性改善，施工的质量具有可靠保证，但是， 虽然钢沉箱可重复利用，首次投入仍然较大；压入钢 管加固技术所需设备简单，工艺简便，尤其可实现基 础下部入土一定深度的结构式加固，这是一般结构加固技术所不 具备的，但对上部空间具有一定的要求，尤其是对于 我国许多桥墩底部设置连梁的结构加固常常存在一定 困难；预制混凝土面板快速桥墩加固法利用预制混凝 土面板作为桥梁加固时填充材料的模板，节省钢材用量， 由于现场快速拼装，桥梁加固速度快，采用不分散砂浆填 充，同样属于无排水施工，在工期与费用方面相对于 传统方法具有较显著的减小。 综上，在水下桥墩结构加固工程实践中，应根据 以上各桥梁加固技术特点选择合适方案。

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