大沽河1号桥位于青岛市城阳区，桥址区地貌形态属低山丘陵地貌单元，地势较平坦，起伏较小。地面相对标高最大值-5.19m，最小值-12.42m，地表相对高差7.23m。该桥处于大沽河入海口，受潮汐影响，河流水较湍急，根据青岛潮汐情况，每月农历初三及农历十八为大潮，潮位最高为5m，最低潮位为3m，对河床冲刷较大。2号墩则位于河道，常年受水流冲刷，涨落潮时期在其周边形成漩涡，对沉井冲刷较大。根据现场勘探，桥址区在勘探深度范围内地层主要为素黏土、粉砂、强风化砂岩及中风化砂岩，桥址区工程地质条件相对较为简单，地层较稳定，最大冻土层厚度为0.50m。
大沽河Ⅰ号桥现状
原有设计技术参数
大沽河Ⅰ号桥是G22青兰高速（原胶州湾高速）跨越大沽河的一座大桥，桥梁中心桩号为K36+897，分左右双幅布置，桥跨布置为（40+3×50+40）m，桥梁总长238.16m，为5跨连续箱形桥梁，桥面宽度为（0.5m+10.25m+0.5m）+0.5m+（0.5m+10.25m+0.5m），总宽23.0m。桥梁纵坡为2％，横坡为2％。该桥于1995年12月28日建成通车，至今已运营25年。
其上部采用斜腹板单箱单室预应力混凝土连续箱梁结构，截面中心高度为2.80m，顶板宽度为11.13m，底板宽度为4.73m。悬臂翼缘长度为2.70m，端部厚度为0.20m，根部厚度为0.40m，跨中截面的顶板厚度为0.20m，底板厚度为0.18m，腹板厚度为0.44m，近支点截面的顶板厚度为0.20m，底板厚度为0.28m，腹板厚度为0.60m，箱梁用50号混凝土制成。
它的下部结构中，0号桥台选用钻孔灌注桩基础，肋板式桥台。1～3号墩以矩形沉井为基础，4号墩采用扩大基础，墩柱为双肢柱式墩。1号墩沉井底面尺寸为593cm×470cm，第一阶壁厚为110cm，第二阶壁厚为100cm；2号墩沉井底面尺寸为573cm×443cm，壁厚为110cm；3号墩沉井底面尺寸为573cm×442cm，壁厚为110cm。墩柱正面宽度158cm，侧面则为宽度150～185cm 倒梯形截面。而4号墩采取扩大基础的形式，其底面尺寸为793cm×458cm。5号桥台则采用扩大基础，肋板式桥台。
重“病”缠身
沉井墩柱病害包括：双幅桥2号墩沉井底部淘空，左幅桥2号墩沉井倾斜、下沉。L-2-1#墩柱向大里程方向纵向倾斜3.19％，横向倾斜1.84％；L-2-2#墩柱向大里程方向纵向倾斜3.70％，横向倾斜0.23％；L-2-1#支座下钢盆相对上钢盆向大里程方向错位31.5cm，L-2-2#支座下钢盆相对上钢盆向大里程方向错位28cm；左幅桥2号墩相应位置桥面下挠11cm，支座错位28cm、31.5cm。
箱梁病害主要表现为：箱梁底板和腹板混凝土开裂，腹板局部产生竖向裂缝，底板局部产生横向裂缝，箱梁内腹板出现竖向裂缝及预应力钢束锈蚀。
在支座方面，支座严重锈蚀，部分支座滑动功能失效，对梁体造成过约束。
此外，箱梁翼板、底板存在大面积钢筋锈蚀，混凝土胀裂剥落，墩柱存在多处钢筋锈蚀，混凝土胀裂剥落。
加固维修方案
微型钢管桩加固
本次桥梁病害的出现及发展，主要因2号墩沉井下沉偏位所致，本次桥梁维修的重点工序为下部结构加固，并防止沉井、墩柱继续下沉偏位。因此，下部结构加固就显得尤为重要。根据地勘，沉井下部为风化岩层，在左幅桥2号墩沉井壁内增设小直径钢管混凝土组合桩。新增桩基采用直径20cm钢管混并凝土组合桩，桩长2000cm，沉井部分长556cm，入岩1444cm，南北侧桩中心距60cm，东西侧桩中心距10cm。每个沉井布置18根，分别置于左幅桥2号墩沉井东西两侧，每侧9根。新增桩基混凝土采用高强无收缩压浆料，28d强度达到50Mpa以上，钢管则为Q345B型，外径140mm，壁厚14mm。
考虑桥下净空高度只有3.7m，钻机已结合现场实际净空进行改装。同时，微型桩内Q345B钢管需分节进行下放安装，每节3m，节与节之间通过焊接相连，每节钢管焊接之前进行坡口处理，节破口角度为30°。为保证压浆密实度及钢管桩与沉井的摩擦力，需要对最下部两节钢管和最上部一节钢管周边予以打孔处理，每根钢管打孔12个，孔径20mm。压浆时，封堵上部微型桩孔，利用专业压浆设备作业。考虑到沉井与下部河道岩层接触部位存在脱空，为预防压浆料从脱空部位流出，可先在左幅桥2号墩周边下放钢板实施围护封堵，并于脱空部位周边孔内脱空区域下放外径196mm的薄壁钢套管，钢套管长度为2m，下放位置为沉井下部4.5m-6.5m之间。为防止钢套管与微型桩孔壁之间漏浆，钢套管两端采用缠绕密封条或橡胶皮带，封堵两端孔隙。采取以上两种措施均可达到封堵脱空的效果。
图1 左侧桥2号墩单侧微型桩施工示意图
压浆前，应对微型桩内部进行二次清洗清孔排水，完成后立即压浆；压浆过程中，按照配比配备压浆料，调整好压浆机后先予试压，保证压浆设施正常运转后方可正常压浆。当最上端开始排出压浆料后，继续压浆一段时间，当压力达到0.4Mpa时关闭阀门，停止压浆。随后拆除压浆设备，进行下一根微型桩压浆，以此类推，完成所有微型桩的压浆施工。
图2 左幅2号墩防冲刷侧面
沉井下部脱空部位处理及防护
左幅2号墩沉井四周设置临时围堰，开挖至沉井底部，清除松散风化岩层，采用混凝土置换并在外侧做相应防护。在左幅桥2号墩沉井外侧增设防冲刷构造。新增防冲刷构造采用混凝土结构，构造高度2.5m，总宽度1.5m，入岩深度1.0m。新增混凝土采用C40海工混凝土。
由于河道水流较急，且其下部为岩层，无法了解具体情况，安装围堰较为困难，围堰止水成为下部施工的重点，亦为此工程的难点。根据计算，采用双层围堰，即由两层单壁围堰组合为一套双壁围堰，下放至水中后，在两层围堰中间堆放黏土或成袋水泥进行封堵。
根据现有沉井尺寸，加上墩柱防冲刷结构尺寸，按照设计，计划安装钢围堰尺寸为顺桥向9m，水流方向10m。
图3 单壁钢围堰
钢围堰由壁厚10mm钢板加工而成，通过在加工厂生产，现场拼装的方法进行围堰安装。考虑到桥下净空受限，无法利用常规设备安装围堰，需使用小吨位吊车对钢板围堰分块吊装，借助小型挖掘机振动锤振动下放安装。
作用于钢围堰上的流水压力用下式进行计算：
P——流水压力(kN)
A——钢围堰阻水面积(㎡)，最大为45㎡；
γ——水的容重，一般取10kN/㎡；
g——标准自由落体加速度(m/s2)，取9.8；
v——计算时采用的流速(m/s)，取最大流速为2m/s；
K——围堰形状系数，取值为1.33。
计算的流水压力P=122.14KN，根据方案设计，每面围堰采用21根12#槽钢与沉井进行焊接为一体，而按照规范，12#槽钢承载力为200MPa，抗滑移力为2.71MPa。即槽钢承载力远大于抗滑移力。
左幅桥2号墩柱外包混凝土
对左幅桥2号墩墩柱采用外包混凝土套箍调直。对于外包混凝土的厚度，黄岛侧为33.5cm～26.8cm，青岛侧则为66.8cm～88.3cm。而侧面只有20cm。凿除沉井上部126cm素混凝土，并在沉井顶面加厚混凝土，平均加厚厚度为50.6cm。对2号墩墩柱外露钢筋进行除锈处理，然后涂刷阻锈剂。新旧混凝土间通过植筋和涂刷界面剂加强连接。在墩柱顶部增设支座垫石，填充基础沉降造成的高差，外包混凝土选用C40海工混凝土。
支座更换维修
由于本桥无盖梁，且墩柱顶端范围较小，不满足千斤顶安装要求，需要沿墩柱周边搭设支架安装千斤顶，将支架环扣在墩柱上，以保证其稳定性。支架搭设前，将桥台位置千斤顶搭设在桥台上，在1-4号墩前期进行开挖，作为沉井基础，1-3号墩开挖至沉井表面，保证其基面坚固可靠。而4号墩为扩大基础，将开挖至基础表面坚硬部位。计算的支座处箱梁重量约为1200吨，每一支座处预采用6台500吨千斤顶进行顶升，支架设计为反力支架，满足顶升所需承受的重量。使用外径630mm，壁厚10mm的Q235B钢管搭设支架，中间则用20#槽钢进行连接，支架底端和顶端分别设置30mm厚钢板，上部千斤顶安放在支架上部的钢板上，组成千斤顶反力平台，为承重结构。通过Madis civil软件建立支架有限元模型并进行验算，并采用梁单元形式模拟支架在实际荷载中的荷载效应。支架荷载选取单元荷载形式，荷载数值为实际杆件所支撑范围内所有荷载之和。支架模型如图5所示。
图4 左幅桥2号墩柱外包混凝土
图5 支架模型
根据规范要求钢管最大承受应力为210MPa，采用迈达斯软件进行受力计算，实际最大应力为111.5MPa，满足钢管承载力要求。受力分析如下：
图6 钢管承载力受力分析
施工时，借助小吨位吊车将钢板吊装至沉井上，经调整，保证钢板绝对水平；在钢板上根据千斤顶受力点对钢管安装位置进行定位，借助吊车将钢管吊装到位，每吊装一根，下部均与钢板进行焊接；待6根受力钢管全部焊接安装完毕后，再按照设计焊接下部、上部水平连接槽钢和斜支撑槽钢，将钢管连接为一个整体。钢管最上部同样安装30mm厚钢板，钢板与钢管通过焊接相连。受力支架外侧则以脚手架搭设人工作业平台，与墩柱抱为一体，增强其牢固性。
支座更换维修
箱梁内部增设体外预应力
对于左幅桥1号、5号跨箱梁,将2015年已加固实施的预应力体系进行延长,即预应力长度由2～4跨延长为1～5跨。接长位置用连接器相连,锚固端设于边跨端部,边跨内共增设转向和锚固块4道,体外索规格为22-φ15.24，使用环氧喷涂钢绞线成品索及配套锚具、转向器和连接器。锚固块和转向块选取C50无收缩自密实混凝土。
图7 体外预应力钢束布置立面及平面
箱梁内部增设体外预应力
在左幅桥1-5号跨和右幅桥1号、5号跨箱梁底面增设包含环氧涂层的预应力钢丝进行加固。其抗拉标准强度σpk=1570MPa，张拉控制应力1099MPa，单根张拉力4.6t。新增的预应力钢丝每5m。设置压条一道。施工工序主要包括锚具安装、预应力钢丝安装，预应力张拉，锚固端与张拉端锚具整体防护。大量工作需在梁底板进行，由于桥下净空高度约为4m，第2跨西侧与第3跨下部为水面，其余下部均为陆路，底板预应力张拉需进行满堂支架搭设，搭设高度约为2.3m，水中部分则利用桥检车或施工挂篮辅助施工。
图8 50m中跨箱梁底板体外钢丝平面布置
裂缝和缺陷修补
对全桥混凝土表面裂缝进行维修处置，根据裂缝宽度采取不同的维修处置措施如下：
对宽度<0.15mm 的裂缝，采用环氧树脂胶泥进行封闭，宽度不小于 10cm；
对宽度≥0.15mm 的裂缝，进行灌浆处理，裂缝灌胶材料选用优质结构胶。
而对全桥混凝土表面缺陷进行维修处置，包括混凝土蜂窝、孔洞、锈胀露筋、局部破损等，维修处置措施如下：
对于深度<5cm的混凝土表面缺陷，用环氧砂浆修补。对于深度≥5cm的混凝土表面缺陷，选用环氧细石混凝土修补，内设防裂钢丝网。采用热镀锌方格钢丝网，钢丝直径6毫米，方格孔100mm×100mm。防裂钢丝网M8×100化学锚栓固定，锚栓直径8mm，植筋深度8cm，间距20cm×20cm，以梅花形布置。
凡涉及钢筋外露锈蚀的病害,除锈处理后涂刷阻锈剂；针对钢筋锈蚀面积超过20％的缺陷，将补焊同等直径的钢筋。
通过持续的桥面线性测量及墩顶高程检测，对桥墩沉降和偏位进行微型钢管桩加固效果显著，有效控制了墩柱沉降。与传统加固方式相比，该方案受桥下限高制约较小，施工较为快捷方便，成本较低。
本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志 2023年 第3期 总第23期
作者 / 李海宁 张程
作者单位 /山东高速青岛公路有限公司
