轻质FRP模壳加固水下墩柱施工技术研究

轻质FRP模壳加固水下墩柱施工技术研究

汤啸天1，柳林1，李相辉1，周家凯1，王志豪2，赵康2

（1. 江苏现代路桥有限责任公司，南京 210018；2. 南京林业大学土木工程学院，南京 210037））

摘要：墩柱基础作为桥梁工程的重要组成部件，其服役状态直接影响了桥梁的使用寿命以及通车安全性。本文介绍了一种新型轻质膜壳加固水下墩柱施工技术，对比分析现有加固技术优缺点，总结施工工艺要点，结合工程实例为后续类似桥梁水下加固工程提供参考借鉴。

关键词：桥梁工程；轻质膜壳；水下加固；施工工艺；施工技术

前言

截止2020年底我国各类公路桥梁总计约有90万余座，其中中小跨桥梁占比86.1%，相当数量的桥梁基础以及墩柱均处于常水位以下。江苏省近些年针对桥梁水下桩基础质量进行了专项检查，统计结果显示病害桩基占比约为6.6%，严重影响了桥梁的结构安全。如何快速高效的对病害桩基进行加固时目前亟待解决的问题。

1 加固方法原理

新型轻质FRP模壳加固方法是指在无排水施工条件下，利用轻质耐腐蚀FRP模壳和水下不分散混凝土材料，通过环向包裹工艺，在既有桩柱的外围穿上一层防腐“外衣”。防腐“外衣”和桩柱之间形成一个环向空间，然后在内部配置玄武岩纤维网格，填充水下不分散混凝土，从而达到对有病害混凝土桩柱的防腐保护，同时增强桩柱承载能力的效果。

轻质FRP模壳是利用高强、轻质、耐腐蚀的玄武岩纤维及其网格制品，通过耐腐蚀树脂复合而成。轻质FRP模壳厚度约0.5~0.8cm厚度，单位重量8~13kg/m2，直径一般有1.8m，1.6m两种直径规格。目前有三种高度标准节：100cm、50cm、30cm，根据加固高度合理选择搭配、拼接。考虑水下施工的难度，尽量减少水下作业难度和作业时间。在标准节拼装时，设计了简单容易操作的装配式拼接工艺，大大降低了水下作业难度和时间。

2 施工优缺点分析

目前水下桩柱加固方式常用方法有围堰+钢套筒加固、钢套筒、玻纤套筒夹克法加固[1]。对于钢套筒加固技术[2]，其优点在于混凝土浇筑密实，对病害处理彻底，对于原混凝土桩的胀模、混凝土局部凸出等容易解决；钢板可深入河床。然而缺点则是钢围堰施工难度大，周期长，费用高，钢套筒容易锈蚀；钢套筒重量大，排水后施工[3]。对于夹克法[4]加固技术其有点在于质量轻，纤维耐腐蚀性好；不过缺点也较为明显主要表现为刚度低，易变形，填充空间小，填充密实度难以保证；玻纤套筒水下包裹桩柱，作业时间长，不易解决原混凝土桩的胀模、混凝土局部凸出等[5]。

经调研分析，几种加固技术优缺点分析汇总如表1所示。对于轻质FRP膜壳加固技术，可以发现纤维膜壳质量轻（模壳减轻66%左右），强度高，快速搭扣易拼装，节段式拼装，人工作业难度小，水下作业时间短，耐腐蚀性好；填充空间可根据情况任意设定，能够解决原混凝土桩的胀模、混凝土局部凸出等问题；膜壳可深入河床，混凝土填充密实。

表1 现有水下墩柱加固技术优缺点分析

3 施工工艺

（1）勘察现场，复核图纸和现场情况，结合实际情况，搭设脚手施工平台，施工平台的高度与宽度，以满足施工要求即可。

图1 轻质FRP模壳加固水下桩施工工艺流程图

（2）表面处理与基础整平

水下桩基处理主要包括两个方面：一是对桩基表面进行处理；二是对桩基底部周围河床进行平整。

首先桩身加固前对对桩身表面清理。利用水下清理设备清除结构表面的水生生物、淤泥等杂质。再者检查桩身表面外漏钢筋，对外露钢筋除锈处理。另一方面对于桩身底处理。首先清理桩身周围淤泥，清除桩基底部淤泥可利用抽水泵，将淤泥质抽离排出原位置。对于桩周边的混凝土、石块等水中弃料进行清理，再对桩底周边的沟、坑利用级配砂石整平处理，使桩基底部基本保持平顺。

（3）安装FRP网格

FRP壳体和混凝土桩柱间有10~30cm间隙，中间配置10*10cmFRP网格筋，网格筋与模壳之间的距离控制在3cm，通过混凝土垫块确定。网格筋搭接20cm，用扎丝绑扎。

（4）FRP膜壳拼接安装以及封底

根据现场水位以及是否有系梁等情况，FRP模壳拼装时可以在水上进行也可以在水下进行。水上拼装相对简单，好拼装，利用操作平台，每拼装完成一节，往下下沉一节，直至拼接完成，完全沉入桩基底部。具体拼装步骤如下：

1）环向拼接

模壳由两个半圆体组成，两个半圆体对接成一圆形壳体，然后通过安装好的搭扣紧密连接，快速拼装完成。

2）纵向拼接

利用环向拼接的方法，将两环拼接好的FRP膜壳纵向连接延长，连接方法通过安装在壳体上的不锈钢搭扣快速搭接。拼接接缝处设置了内层加强板，防止接缝处漏浆。

依照环向、纵向拼接的方法，依次将所有的模壳拼装完成。

（5）表面处理（水面以上拼接FRP模壳）

在水面以上拼接模壳时，每拼装两环，向水中下沉一环。一般水面以上30cm为最佳操作位置，便于拼装。模壳下沉时通过在膜壳上安装四个掉点，用葫芦起吊慢慢下沉到水中并固定。

（6）灌压水下填充材料

1）壳体和桩柱之间填充水下不分散混凝土，混凝土强度按照设计要求，严格按照设计配合比进行配置。

2）一般现场拌制，做好拌制前准备。按照投料顺序投料，采用搅拌机拌合，均匀拌和，每组拌合时间约10min。

3）先封底浇筑。轻质FRP膜壳安装固定后，利用6~10cm直径的PVC管做导管，配合使用PVC漏斗灌注。将导管插入桩柱与网格之间，距离底部距河床10cm左右。首先对模壳内浇筑区域进行封底浇筑，浇筑高度10~15cm，以防整体浇筑时，基底承受压力过大，造成模板底部翻浆、模板开裂等现象发生。

4）整体浇筑，封底浇筑完成12小时后，进行整体浇筑。考虑到水下不分散混凝土的水中流动性、自密实性，正式浇筑采用双导管水下灌注法，即将两套导管对称布置在桩基外围，同时进行灌注。拌合好的混凝土经自制拌料斗底部的圆孔流入PVC漏斗，经PVC管灌入水下桩基加固区域。灌注过程中，根据混凝土灌注量，通过拔管或者截断PVC导管，调整PVC导管埋深，使其埋深控制在1.5~2m。

5）浇筑面模压，混凝土浇筑至设计高度后，缓慢向上拔起导管，使其底面略低于混凝土浇筑面，缓慢浇筑混凝土直至水下混凝土溢出模板。然后拔出导管，平整按压浇筑面、模板外侧清洁。

4 工程案例

某公路涉水桥梁，墩柱出现混凝土脱落，钢筋锈蚀严重等病害，需进行加固处理，病害墩从板梁底面到水面有1.5m，检测时水深1.5m，水下墩柱1.5m，变截面墩柱，上部分直径1.1m，下部分直径1.3m，因在结构新建阶段，墩柱出现胀模情况，鼓出部分约20cm，桩身表面大部分有生物附着，桩身成网状形沟槽、混凝土脱落，钢筋笼外露，钢筋锈蚀严重。具体如图2所示。

图2 病害墩柱加固前后示意图             图3 轻质FRP膜壳加固示意图

加固设计采用了轻质FRP膜壳加固技术，膜壳设计直径1.7m，加固深度2.5m，现场施工过程如图4所示。

图4 施工过程

5 结论

目前传统桥梁桩基加固方法工期长，成本高，急需寻找一种快速高效的施工技术应用到现场，引进新型桥梁加固技术势在必行。本文论述了一种新型轻质FRP膜壳加固水下墩柱方法，对比了其与现有加固工法的优缺点，重点阐述了其施工工艺，结果表明轻质FRP膜壳加固法可以有效的减少现场施工作业难度（模板质量减少66%），提高施工效率，节段式拼装，不易锈蚀、耐久性好，加固范围可调节，节约工期减少间接成本，其在桥梁水下墩柱加固施工中有着广泛的应用前景。

参考文献

[1]张晓明.新形势下公路桥梁标准化养护探析[J].中国标准化,2022(24):216-218.

[2]刘银超.公路桥梁养护及维修加固施工技术分析[J].科技创新与应用,2022,12(35):193-196.

[3]魏洋,吴刚,吴智深.水下桥墩加固新技术[J]. 建筑结构，2010，40(增刊):683-686.

[4]周家强.桥梁墩柱维修加固中“夹克法”的应用[J].交通世界,2021(Z1):203-204.

[5]徐海明.桥梁墩柱加固施工关键技术研究[J].交通世界,2022(07):48-49.