某高速公路运营桥梁现浇箱梁纵向偏移原因分析及纠偏技术

1 工程概况

1.1??桥梁设计及施工情况

该项目为高速公路，公路Ⅰ级荷载，双向8车道。出现病害部位为三跨35?m+40?m+35?m的现浇箱梁，上、下行分幅设置，平曲线半径为3?400?m，纵坡–0.683?%。箱梁为单箱四室结构，高2.2?m，宽19.805~25.015?m，设置纵向和横向预应力，C50混凝土。支座为球形支座，其中26号墩为固定墩。墩柱为1.6?m×1.6?m方柱，高16.272~17.208?m，C40混凝土。基础为钻孔灌注桩，单排桩，直径2?m，桩45.8~54.6?m。

1.2??桥梁偏移情况及现状检测

左、右幅26号、27号墩出现纵向偏转位移，26号墩柱为固定墩，带动上部箱梁纵向往小桩号移动；其中左幅箱梁向小桩号移动约8?cm，右幅箱梁向小桩号移动9.1?cm。25号墩处伸缩缝顶死，失去伸缩能力，28号墩伸缩缝伸缩量超过设计值，伸缩缝拉开，极大地危及了桥梁运营安全。对桥梁现状进行检测，发现桥梁存在以下问题。

（1）上部结构：现浇箱梁自身结构状态良好，梁体未见结构性裂缝。

（2）支座：本联左、右幅26号墩是固定墩，柱顶设固定支座及单向活动支座，支座与柱顶一起发生纵向位移。其他支座均发生纵向位移，但在支座允许位移范围内，没有四氟滑块超出支座上钢板不锈钢板的范围，支座未见明显病害。

（3）柱间系梁：横系梁未见明显病害。

（4）墩柱：墩柱采用1.6?m×1.6?m的矩形截面，发生纵向偏位，其中26号墩柱柱顶向小桩号水平位移约8?cm，倾斜3.9?%，27号墩柱柱顶向大桩号水平位移约2?cm，倾斜1.9?%。墩身外露部分未发现横向及竖向裂缝。其余没有发现明显病害。

（5）桩基：根据探孔、雷达法及旁孔透射波法测试结果综合分析，两墩共11根桩基均为嵌岩桩，符合设计要求；旁孔透射波法测得的桩身波速范围为4?000~4?651?m/s，桩身波速正常；在测试范围内桩身完整性未见明显异常。

1.3??桥梁运行环境的现场调查

（1）该大桥于2012年4月完成该处现浇梁施工，2013年5月完成交工验收，并投入使用，项目交工时地面标高+5.000?m，高出承台0.5?m。

（2）2013年4~6月在27~28号墩施工综合管沟基坑，基坑采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩支护，开挖深度5.6~8.26?m。综合管沟的轴线与桥梁轴线垂直。

（3）2013年7~8月在26~27号墩有市政路施工，市政路的轴线与桥梁轴线垂直，其路面标高+10.200?m，即相对交工地面标高回填了5.200?m，且在进行路基填土时采用了反向堆载控制桩基位移。

（4）2017年2月，新建地铁采用盾构法从26~27号墩中间下穿。在盾构下穿前，采用高压旋喷桩对盾构范围的土体进行了加固。加固分两次进行，时间为2015年9月和2016年7月。高压旋喷桩加固范围为盾构范围外扩3?m，即高压旋喷桩加固土体距离26号墩中心线仅3.75?m，如图1所示。

     

图1??桥梁现状运行环境

（5）桥位地质条件：以26号桩位处的地质孔为例，见表1。

表1??26号墩桩位处地质资料

     

2 病害原因分析

2.1??支座安装错误或设置不合理 

支座是传递荷载，支撑上部结构的主要载体，也是桥梁的薄弱环节，同时梁体的偏移同支座的安装及选择有一定的关系。为约束梁体的位移，需要设置固定支座、单向支座（纵向移动横向固定或者横向移动 纵向固定）、自由支座，但是常发现由于施工的失误将支座装错，特别是单向支座装反，这样既限制了梁体正常的位移，又容易造成梁体偏移。经过现场排查，该桥梁支座设计合理，安装正确，故排除支座安装错误和设计不合理的原因。

2.2??桥梁平面线形和纵坡影响 

（1）对于平曲线较大桥梁，在长期超负荷及偏载作用下，由于车辆的离心力和偏载作用，桥梁会产生向外的横向位移，本项目平曲线半径大，车辆离心力小，从现场检测来看，桥梁无横向偏移，故排除平面线形的原因。

（2）大纵坡桥梁，在车辆制动力及结构自重在纵坡方向的分力长期作用下，会产生往下坡方向的纵向位移。本项目的桥梁纵坡仅–0.683?%（28号墩为下坡方向），左、右幅均向小桩号侧位移，与纵坡的方向相反，所以排除桥梁纵坡和车辆制动力的原因。

2.3??支座垫石或支座上钢板不平影响

由于施工质量原因，支座垫石不平整或支座上钢板安装不平，上部永久荷载在墩顶产生水平分力，当制动力、温度应力的作用方向与永久荷载的水平力方向一致时，墩柱的倾斜会加剧。当制动力、温度应力反向或消失时，墩柱因上部永久荷载的抑制不能完全恢复，残余位移逐渐累积。经现场检查，该桥支座垫石和支座钢板水平，故排除该项原因。

2.4??运行环境改变导致桩基偏位，带动上部结构偏位

根据桥梁运行环境调查，桥梁交工后，在桥下先后进行了市政道路路基填筑施工、综合管沟基坑施工以及地铁盾构施工。

（1）市政道路路基填筑及运营过程中的车辆荷载。由于不平衡加载，对桩基产生水平附加荷载，特别是在桩基范围内存在以流塑状淤泥为代表的软土层，具有流变性强、触变性强、压缩性高、抗剪强度低等不良工程特性，水平荷载的附加系数更大，地层对桩基的约束能力更差，极端情况下可能在软土层中形成贯通滑动面，产生滑移，对邻近桩基产生极大的侧压力，导致桩身弯曲、偏移，危及桥梁结构安全。

该桥梁完工后，桥梁市政道路路基填筑厚度达5.2?m，虽然施工中采用反向堆载控制桩基的位移，但没有相关记录或测试显示市政道路路基填筑过程中桩基两侧填土高差情况，以及墩柱位移监测情况。同时市政道路完成后车辆通行荷载对桩基也会产生较大水平附加荷载导致桩基位移。从现场墩柱偏位情况来看，26号、27号均向远离市政道路方向偏移，与市政道路路基填筑、车辆荷载对桩基水平附加力方向一致，故判定市政道路施工及车辆荷载是该桥梁偏位的原因。

（2）综合管沟基坑开挖施工或围护结构拆除过程中，土体卸载，基坑外土体向基坑内位移，带动基坑外的桥梁桩基向基坑内位移。基坑位于27~28号，从位移的趋势上讲，27号、28号均会产生向基坑内的位移。从现场检测来看，27号墩的确产生了向基坑方向的位移，但是28号墩基本没有位移。鉴于综合管沟的基坑采用灌注桩+旋喷桩的支护工艺，支护刚度大，且未拆除，故判定综合管沟开挖对该桥梁的偏位有一定影响，但影响不大。

（3）盾构高压旋喷桩加固影响：高压旋喷桩加固时，喷浆压力达到20?MPa以上，对外产生较大水平推力，且加固位置距离桩位较近（距26号墩中心仅3.75?m，27号墩8.24?m），从位移趋势上讲，会对桩基产生远离加固方向的位移，且距离加固体越近，影响越大。从现场检查情况来看，26号、27号位移方向均是远离加固体，且26号墩位移远大于27号墩，故判定盾构高压旋喷桩施工是引起该桥病害的主要原因。

（4）盾构掘进施工：盾构在通过前土体或隆起或沉降，调查发现通过后土体均下沉，即通过周围土体产生向盾构位移。从现场调查来看，26号、27号墩位移均远离盾构方向的，所以排除盾构掘进施工影响。

2.5??其他外界因素引起偏位

车辆撞击、地震等外界偶然因素亦会造成桥梁偏位现象，但在该桥梁运营的期间均无发生，所以排除。

2.6??内因

该桥桩基均为单排桩，纵向刚度相对较差，而且本项目覆盖层中存在较厚的淤泥层，对桩基的约束力较差，也是此次桥梁纵向偏位的主要原因之一。

3 纠偏方案确定

针对本桥纠偏，主要有两种思路：一是基础、墩柱、上部整体纠偏；二是仅纠偏上部结构。虽然方案一可以解决桥梁偏斜的病害，恢复桥梁至设计的初始状态，但是目前基础纠偏主要采用硬拉或钻孔陶土纠偏两种方式，无论是硬拉，还是钻孔陶土纠偏，都会对地层造成扰动，从而对桥下正在运营的地铁、综合管沟造成难以预见的风险。经设计单位验算，在桥梁上部纠偏后，在墩柱倾斜状态下，可保障该桥结构受力安全，故本项目选择仅纠偏上部结构的方案。同时鉴于桥梁结构对称性，且27号墩的倾斜远小于26号墩，所以将固定支座由26号墩调整至27号墩。

针对桥梁纠偏施工过程，分别从竖向顶升反力平台及装备、水平纠偏反力及装备、滑动装置、限位装置、监测系统等方面进行介绍。

3.1??竖向顶升反力平台及装备

3.1.1??反力平台选择

反力平台是桥梁纠偏施工的根基，可分为两类：第一类是利用既有桥梁盖梁、墩顶提供反力，这类情况即可以减小施工周期，又安全合理，在空间允许的条件下优先采用；第二类是桥墩上安装钢抱箍或者是在桥下另外设置支架作为反力平台，这种情况通常在独柱墩等墩顶空间小，无法直接架设顶升设备时采用。

墩柱与梁底净距为31?cm，支座垫石与墩柱边最小距离为25?cm，而200?t超薄千斤顶直径20?cm，高15?cm，行程8?cm，可以满足200?t千斤顶安装要求，所以选用将既有桥梁墩顶作为反力平台的方案。

3.1.2??竖向顶升装备

中间墩支座受力1?000?t，过渡墩支座受力500?t，考虑顶升安全系数不低于1.5倍，以及对称布置的原则，中间墩每个支座处布置8台200?t千斤顶，过渡墩每个支座处布置4台（图2、图3）。这种小吨位、多点对称布置的方式将大吨位的集中荷载均匀地分散成多个点，减少箱梁、柱顶的局部受力；同时，多点受力，降低了单个千斤顶失效导致的不利影响；且合力受力点仍然在原支座位置，与原结构受力状态一致。此外，工作吨位小的超薄千斤顶自重轻，便于在这种受限空间下人工安装，降低施工难度。

     

图2??中间墩千斤顶布置示意

     

图3??过渡墩千斤顶布置示意

3.2??水平纠偏反力平台及装备

3.2.1??水平纠偏反力平台

在25号墩、27号墩箱梁底部设置反力钢托座，钢托座的数量与墩柱数量一致，利用墩柱提供水平反力（图4）。按照0.03的摩擦系数计算，单个钢托座最大反力557?kN，现状墩柱可以满足受力要求。

     

图4??水平纠偏反力装置示意

3.2.2??反力装备

单个钢托座处最大的反力为557?kN，选用100?t千斤顶，满足1.5倍的安全系数。左幅布置6台千斤顶，右幅布置5台千斤顶。

3.3??滑移装置

梁体的纠偏施工中，滑动装置主要由四氟滑板+不锈钢板组成。为减小摩擦系数，在不锈钢板上涂抹油类润滑剂。考虑滑移装置对自身的刚度、滑板的平整度及加工精度要求较高，本项目利用桥梁自身的球形支座作为滑移装置。

3.4??限位系统

为避免纠偏工程中梁体滑动跌落或过度纠偏，需要设置限制装置。横向限位装置重新搭设钢管桩支架，支架距离箱梁腹板2?cm的空隙，并塞垫1?cm的滑板。纵向限位装置在梁底顶推的反方向上安装钢托座。

3.5??监测系统 

桥梁纠偏属于分段的动态控制过程，需要进行实时监测，及时掌握桥梁的状态。本项目需要重点监控的主要是两个工况，一是更换支座或安装纵向滑移装置时竖向顶升；二是纵向复位过程，特别是由于工艺的原因，导致墩柱承受额外的水平，需要对顶推力、墩柱位移、应变实时监控。 

4 纠偏方案的实施及控制要求

工艺流程：反力架及限位装置施工→竖向顶升，解除26号墩固定支座，清理球形支座灰尘及摩擦面重新涂抹硅脂油→纵向顶推复位→竖向顶升，更换26号、27号支座。

4.1??竖向顶升

（1）施工期间，车辆依旧在通行，为减少车辆通行的风险，竖向顶升量控制在15?mm以内，上升过程中不均匀高差应控制在2?mm之内。

（2）千斤顶的布置及选型见表2。由于各墩顶支座反力不一致，若采用一般同步控制千斤顶，很难满足要求。因此，采用PLC液压控制系统进行力和位移的双向控制，减小顶升过程中梁体附加应力，同时对液压千斤顶进行分组，与相应位移传感器组成位置闭环，实时监控桥梁顶升的位移和姿态，同步精度为±2.0?mm，保证顶升过程的同步性，确保顶升时梁体结构安全。

表2??顶升过程控制参数

     

（3）顶升到位后，统一在梁底安放临时支垫。然后取出支座，清理支座钢板上的锈迹及污垢，涂抹硅脂油，保证四氟滑块表面的储油槽充满硅脂。

4.2??纵向顶推复位

（1）纵向顶推距离：在年平均气温22.4?℃下，左幅8?cm，右幅9?cm，允许误差±2?mm。摩擦面的摩擦系数小于0.03。

（2）千斤顶的布置及选型见表3。为了提高控制精度，采用PLC系统进行控制。

表3??顶推过程控制参数

     

（3）利用现有支座作为摩擦装置，根据现场顶推千斤顶油压反算，纵向顶推启动时摩擦系数0.02，启动后的摩擦系数0.017，小于设计控制值，墩柱基本无位移，柱底无裂缝。

（4）现场实施：纵向顶推复位于2018年11月30日上午完成，气温22?℃，与设计要求的年平均气温接近。现场实际纵向顶推量为左幅8.1?cm，右幅8.8?cm，顶推完成后两端伸缩缝宽度基本一致，伸缩缝恢复正常。

5 结论

本工程采用PLC液压同步控制技术进行箱梁纠偏复位。建立以墩柱作为竖向反力平台，以小吨位千斤顶对称、分散布置提供竖向顶升力的支撑新体系；确立了在梁底预埋钢托座，墩柱提供水平反力，现有支座作为纵向滑移装置的纠偏系统；圆满地完成桥梁纠偏复位工作。实施过程中各支撑点的竖向高差、主梁的各项应变值、墩柱的位移值等都在控制范围内。主要建议如下。

（1）在桥梁设计中充分重视基础纵横向刚度，特别是在软基发育的地区，尽量减小单排桩或单桩的应用。

（2）在桥梁运营中要充分重视桥梁运营环境的改变对桥梁结构的影响，并且采用相应的预控措施，减小对桥梁结构的影响。同时，针对出现的病害及时处理，避免对结构产生不可逆的损害。

（3）采用PLC液压同步控制技术能在桥梁保持限制通行的情况下实施箱梁的纠偏，使旧桥的修复对社会交通的影响降到最低程度。

（4）以墩柱作为竖向反力平台，以小吨位千斤顶对称、分散布置提供竖向顶升力的支撑新体系，降低工程成本，提高施工安全性。

（5）利用已有的支座体系作为纵向滑移装置，可以降低滑移过程中的摩阻力，提高施工安全性和可靠性。