CN103938553A - 预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法，包括设置污染预防膜，搭设包临时设施，待加固水下结构表面处理，预制混凝土面板拼装，底部密封，灌浆，施加预应力，拆除临时设施等步骤。本发明可实现可靠的快速无排水水下结构加固，最大限度的降低了水下结构维修加固的时间成本与资金成本，并且还可进行主动加固，进一步保证加固的质量和效果。

Description

预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法

技术领域

本发明涉及一种水下结构加固的方法，具体涉及一种本利用预制混凝土管片快速拼装加固如桥梁基础、墩柱、坝体等水下结构的方法，属于水利工程技术领域。

背景技术

筑物如房屋、桥梁、隧道、大坝等，随着服役时间的增加，会由于受到材料老化、荷载增加、外部撞击等因素的影响而导致结构出现不同程度的损伤，这些损伤将严重影响结构的继续承载能力和耐久性能，严重时将影响所述建筑物的使用安全性，特别是对于位于水下的结构由于其环境比水上更加恶劣，问题尤为突出和严重。

尤其是我国作为一个江河湖泊众多的国家，大量的桥梁使陆上交通连成网络，已成为我国经济飞速发展的重要保障。据统计，截止到2007年，我国各类桥梁约有五十二万座。但是这些桥梁随着运行时间的增长和交通量的与日俱增，各种各样的病害不断出现，如支座老化、梁体开裂、露筋等已引起工程技术人员的注意。相对于桥梁上部结构而言，下部水下结构由于其使用环境和使用条件更为恶劣，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、船舶碰撞、浮冰及地震袭击、环境载荷（如生物附着）和工作载荷等，均易导致桥梁水下结构形成各类损伤缺陷，且不易被发现。调查发现，在上部结构基本能满足使用要求的条件下，许多桥梁水下桥墩、桩柱会出现不同程度的混凝土表面脱落、蜂窝、裂缝、露筋、淘空等病害，这些损伤、缺陷将导致桥梁承载能力和耐久性能的降低，严重危及使用安全。因此，对水下结构的加固维修应引起高度的重视。

当前，对于水下结构病害整治、维修加固的公知方法之一是围堰弃水外包钢筋混凝土法，即首先在待加固水下结构四周设置围堰，如钢板桩围堰等，围堰的大小取决于待加固结构的大小及后续操作空间的需要，围堰的高度取决于水的深度；围堰设置完毕后，抽出围堰内部的水，检查是否有漏水或渗水现象，并进行必要的堵漏、防渗处理；对待加固结构表面进行处理，如清除表面的松散混凝土、附着物等，在其四周绑扎钢筋、支护模板、灌注混凝土；最后对围堰进行回收再利用。但是，该方法面临着弃水、防水等难题，而且往往会耗费大量的时间和费用，并且在施工过程中占用航道空间，这对于交通运输繁忙的河段，其间接影响不可估量。因此，如何简化水下结构的维修加固工艺、缩短施工工期、降低水下结构加固对航道交通的影响，一直都是工程技术人员面临的一个棘手的问题。

针对目前水下结构加固难度大、费用高、周期长的现状，中国发明专利CN200910080051.9公开了一种“纤维增强复合材料网格筋加固水下结构的方法”，即先由潜水人员对待加固结构表面进行处理，然后将纤维增强复合材料网格筋包覆于待加固结构的表面，在待加固结构外部设置隔离体并保证缝隙密封效果，紧接着灌注水下固化环氧树脂或其他浆体，最后对隔离体进行拆除。该方法是一种不排水的加固方法，在一定程度上解决了目前水下结构加固的难点问题，但是也存在一些不足之处：待加固结构与后加固部分之间存在明显的二次受力效应，即后加固材料的受力滞后，很难充分发挥纤维增强复合材料网格筋对待加固结构的约束效应，使材料性能大大浪费；由于所灌注的浆体固化需要一定的时间，因此灌浆后隔离体不能立即拆除，这将大大增加加固的时间成本和降低隔离体的周转效率，而且导致相应的临时设施不能得到及时的拆除再利用，进而影响整个加固工程的进度和费用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种对诸如桥梁基础、墩柱、坝体、水池等水下结构常见病害、承载力不足等维修加固中需要用到模板的新型加固方法，实现可靠的快速无排水水下结构加固，以期最大限度的降低水下结构维修加固的时间成本与资金成本。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法，包括以下步骤：

准备工作，在施工区域设置污染预防膜，并搭设水上施工工作平台；

对待加固水下结构表面进行处理；

在待加固水下结构的表面设置筋材笼；

围绕待加固的水下结构拼装预制混凝土面板；

底部密封，对拼装后的面板底部进行水下不分散混凝土或水下不分散砂浆封闭；

灌浆，向拼装完成后的面板和待加固水下结构之间的空隙内灌压水下固化环氧树脂、水下不分散砂浆或水下不分散混凝土等材料；

张拉预应力，根据加固目标的要求决定是否需要张拉横向预应力，如果需要，则需在灌浆材料达到预定的强度后张拉预应力筋；

拆除临时设施，加固完成。 

进一步地，完成对所述待加固水下结构的表面处理后，在对待加固水下结构进行抗弯加固时，在所述待加固水下结构的底部承台上钻孔制作锚孔，锚孔的直径应比纵向筋的直径大4mm~8mm，锚孔的深度Ld至少为100mm或大于等于10倍纵向筋的直径。

进一步地，在锚孔制作完成之后，在所述待加固水下结构与预制混凝土面板之间的空隙内安放筋材笼，在横向筋与纵向筋相交的节点处设置定位垫块，纵向筋的下端通过水下固化树脂锚入固定在所述承台上设置的锚孔内。  

进一步地，所述预制混凝土面板具有纵向与横向拼接接头。能够方便的围绕待加固水下结构进行拼装，起到外侧模板的作用，同时作为结构附加增强层共同参与受力。

进一步地，所述待加固水下结构为一柱状体时，所述预制混凝固面板为环向管片，沿环向拼装在所述待加固水下结构的外部；所述待加固水下结构为平面结构时，所述预制混凝土面板为平板，沿待加固水下结构的待加固面外部进行设置，并将所述面板的两端与待加固水下结构之间进行密封处理。

进一步地，在位于底部的第一节面板外侧用混凝土进行封闭，密封所述第一节管片或平板的底部。

进一步地，灌压水下固化环氧树脂或水下不分散砂浆或水下不分散混凝土时，自下而上进行灌压，使灌压管的下口在灌压过程中一直埋于灌注材料内，面板内的水随着灌压过程从面板上端溢出。

进一步地，在对待加固水下结构进行主动加固时，可以在所述预制混凝土面板预留的横向孔道内穿预应力筋并进行张拉，减小二次受力的影响，最大限度的发挥后加固材料的性能。

进一步地，预应力筋的张拉可分两次进行：第一次张拉至较小的值，以预紧横向面板；第二次张拉在灌压的水下环氧树脂或水下不分散砂浆或水下不分散混凝土达到规定的设计强度后进行。

最终形成的预制混凝土面板快速拼装加固水下结构包括环绕待加固水下结构外部的筋材笼，所述筋材笼纵向筋的下端通过水下固化树脂锚入固定在所述待加固水下结构的底部承台上设置的锚孔内，所述筋材笼外环绕拼装有预制混凝土面板，所述预制混凝土面板可穿拉环向预应力筋进行主动加固，所述预制混凝土面板与待加固水下结构之间的空隙内填充有水下不分散混凝土或砂浆等水下材料，底部的第一节面板外侧封闭有混凝土。

在本发明中，主要涉及待加固水下结构、预制混凝土面板、水下固化环氧树脂（或水下不分散砂浆或水下不分散混凝土）等几部分，其中：待加固水下结构可以是各类桥墩、基础、坝体、水池或其他水下结构；预制混凝土面板可以是曲线型的、也可以是直线型的，可以施加预应力、也可以不施加预应力，可以采用机械吊装拼装、也可以采用人工搬运手动拼装；水下固化环氧树脂（或水下不分散砂浆或水下不分散混凝土）灌压于待加固水下结构与预制混凝土面板之间的空隙，根据加固目标的要求决定是否需要在空隙之间安放筋材笼。

本发明克服了公知的水下结构加固方法存在的缺陷，具有以下显著特点:

（1）本发明施工工艺简单，所使用的材料、构配件及所采用的技术工艺都适用于水环境，可以直接在水下进行施工，实现快速不排水加固的目的，且不会对河道通航造成太大的影响；

（2）预制混凝土管片在工厂制作、实行工业化生产，加固质量有保证；

（3）预制混凝土面板拼装迅速，它既是灌浆操作时的模板，又是结构加固的一部分，加固后不用拆除；

（4）可以对预制混凝土面板施加横向预应力，降低二次受力的影响，使后加固材料的性能能够得到充分的发挥；同时，相对于待加固水下结构而言，预应力的施加相当于主动约束，可以提高待加固水下结构本身的性能；

（5）通过施加横向预应力，可以实现抗剪加固；通过在待加固水下结构与预制混凝土面板之间安放筋材笼，可以实现抗弯加固；

（6）该方法可设计性较强，包括面板的形式、配筋量、预应力度及灌浆材料的选择等；

（7）适用范围广，可以对桥梁墩柱、基础、坝体、水池等进行水下加固，同时也可以对水上结构进行加固。

附图说明

图1是本发明预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法的工艺流程图；

图2是加固桥墩用的预制混凝土面板的结构示意图；

图3是加固桥墩用的预制混凝土面板的结构示意图；

图4是预制混凝土面板的拼装过程示意图；

图5是待加固水下桥墩示意图；

图6是在施工区域设置的污染预防膜示意图；

图7是在待加固水下桥墩的底部承台上设置的锚孔剖切示意图；

图8是在图7的结构上安放将筋材笼的结构示意图；

图9为拼装第一节预制混凝土面板并对面板外侧底部浇注封闭混凝土的示意图；

图10为在水下继续拼装后续面板的结构示意图；

图11为面板拼装完成后的示意图；

图12表示向预制混凝土面板与待加固水下桥墩的空隙中灌压水下不分散混凝土（或水下不分散砂浆或水下固化环氧树脂）；

图13为当灌浆材料达到预定的强度后进行环向预应力张拉的示意图；

图14是图8中                                               处的局部放大图；

图15是图8中处的局部放大图。

具体实施方式

如图1所示，本发明预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法包括以下步骤：

准备工作，为了防止加固过程对周围水域造成污染，在施工区域设置污染预防膜，并搭设水上施工工作平台等临时性设施；

结构表面处理，采用高速喷水枪等除去待加固水下结构表面的附着物及进行其他必要的结构表面处理；

设置筋材笼，根据加固目标的需要，在待加固水下结构的表面设置筋材笼；

面板拼装，将工厂预制的混凝土面板在现场围绕待加固的水下结构进行拼装；

底部密封，对拼装后的面板底部进行水下不分散混凝土或水下不分散砂浆封闭；

灌浆，向拼装完成后的面板和待加固水下结构之间的空隙内灌压水下固化环氧树脂、水下不分散砂浆或水下不分散混凝土等材料；

张拉预应力，根据加固目标的要求决定是否需要张拉横向预应力，如果需要，则需在灌浆材料达到预定的强度后张拉预应力筋；

拆除临时设施，加固完成，拆除水上施工工作平台等设施，去除污染预防膜等。

以下结合图2至图15，对上述工艺流程进行详细说明：

加固水下桥墩用的预制混凝土面板可分为三大类，包括如图2所示的标准块，如图3所示相互配合的楔形块与张拉端块，其中楔形块一般为最后拼装块，以适应面板的制造误差；张拉端块为张拉锚固预应力筋的面板，为便于穿束及张拉预应力筋和适应应力集中的影响，将张拉端截面扩大设计，并在此部位进行预应力筋张拉关键技术的相关设计。纵向定位孔的个数和间距可灵活设计，但须满足通用的原则，即面板无论是正放还是倒放，无论是通缝拼装还是错缝拼装，都不至影响定位效果；环向预应力筋穿束孔的个数和间距则需根据加固目标进行设计，同时也应满足上述通用性原则，防止出现错孔现象。面板本身的普通钢筋可根据面板制作工艺、转运要求及加固目标进行设计。

预制混凝土面板的拼装过程如图4所示，为了便于拼装定位，在预制混凝土面板的纵向设置了定位孔，通过插入定位筋实现纵向上下两块面板的快速拼装，同时为了加强拼装后面板的整体性，采用错缝拼装的形式。对所述的预制混凝土面板拼装的纵向接合面和横向接合面之间的连接处均设有密封垫，使拼装完成后的预制混凝土面板形成一个密封体，防止灌浆时出现漏浆现象。

图5是待加固水下桥墩示意图。如图6所示，在对待加固水下结构1的混凝土表面进行处理之前，为了防止加固过程对周围水域造成污染，需在施工区域预先设置污染预防膜3，并搭设水上施工工作平台等临时性设施。对待加固水下结构1的混凝土表面进行处理时可以使用高压风动镐、高压水枪等清除待加固水下结构1表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土及附生在混凝土表面的水生物；采用水下砂轮机打磨结构表面混凝土砂浆浮层，露出混凝土结构层，对于较大孔洞处可以采用修复材料修复平整。

在完成对图6所示的待加固水下结构1的混凝土表面进行处理后，如图7和图8所示，在对待加固水下结构1进行抗弯加固时，在所述待加固水下结构1的底部承台2上钻孔制作锚孔4，所述锚孔4的制作可以采用水下冲击钻，根据所采用的筋材笼5的各纵向筋的间距、预定位置及纵向筋的直径要求在底部承台2上进行钻孔制作锚孔4，锚孔4的直径比所述筋材笼5的纵向筋直径大4mm-8mm；如图15所示，所述锚孔4的深度Ld至少为100mm或大于等于10dl，以满足筋材笼5的纵向筋锚入承台2内的锚固强度要求，其中dl为筋材笼5的纵向筋的直径。将所述筋材笼的纵向筋下端插入锚孔4内，并通过水下树脂24将纵向筋的下端锚固在所述承台上设置的锚孔4内。

此外，如图8和图14所示，在筋材笼5的纵向筋和横向筋相交节点处的内部和外部均可设置定位垫块51，定位垫块51不必满布于所有节点，可间隔几个节点酌情设置，只要能保证筋材笼5与待加固水下结构1之间、筋材笼5与预制混凝土面板之间的间距满足设计要求即可。

如图9所示，为了加强预制混凝土面板6的定位效果，在底部第一节面板拼装完毕之后，采用水下不分散混凝土71或水下不分散砂浆72或水下固化环氧树脂73等材料填充预制混凝土面板6与待加固水下结构1之间的空隙，同时，在此之前应采用水下不分散混凝土71或水下不分散砂浆72做底部密封处理，防止灌压材料漏浆。

如图10所示，当第一节面板6定位准确无误之后，可快速完成后续面板的拼装工作，为了保证拼装后面板6的密封性，需在拼装过程中对面板的纵向接合缝与横向接合缝之间进行密封处理，如采用水下固化环氧树脂73等，同时，可以采用预紧预应力筋的方法来增强环向的密封效果。

预制混凝土面板拼装完成后的结构如图11所示。

如图12所示，当完成所有预制混凝土面板6的拼装并做好纵横向接合缝的密封处理之后，在所述预制混凝土面板6与待加固水下结构1之间的空隙中进行灌压作业时，采用公知的水下高压灌注技术，通过位于临时施工平台上的高压灌浆机将预先配置好的水下不分散混凝土71或水下不分散砂浆72或水下固化环氧树脂73等材料灌入面板与待加固之间的空隙中。灌压管如图12中的箭头所示，由预制混凝土面板6的顶部向下伸入面板的底部，在灌压过程中一直埋于灌压材料内，自下而上连续稳定的进行灌压作业。灌压过程中，面板与待加固水下结构之间空隙中的水由面板6的上端溢出。

如图13所示，当采用主动加固时，则需对管片施加环向预应力，要求为：待灌压浆体（水下不分散混凝土71或水下不分散砂浆72或水下固化环氧树脂73等）达到预定的强度要求后，采用公知的预应力筋张拉设备86对环向预应力筋8进行张拉与锚固，预应力度视加固目标的需要进行设计；为了减轻由于预应力筋沿环向的预应力损失不同而造成的有效约束不均匀的现象，相邻两节预制混凝土面板6的张拉端的位置应对称布置，所有张拉端在平面上宜均布在待加固水下结构四周；为了防止由于锚固端预应力筋8外露而引起筋材锈蚀，进而引起使用中预应力损失等潜在病害，需对锚固后的预应力筋进行相应的保护，如在预应力筋的锚固节点与张拉节点处填充水下固化环氧树脂73进行密封。

在仅需对待加固水下结构1作约束或抗剪加固时，在将筋材笼5置于待加固水下结构外围的过程中，纵向筋的下端可不做锚固要求，即可不在待加固水下结构1的底部承台2上进行锚孔4的钻孔作业，甚至可以不放置筋材笼，直接利用预制混凝土面板6的约束作用进行抗剪加固。其他作业步骤、方法、工作原理和有益效果与上述实施方式相同，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

准备工作，在施工区域设置污染预防膜，并搭设水上施工工作平台；

对待加固水下结构表面进行处理；

在待加固水下结构的表面设置筋材笼；

围绕待加固的水下结构拼装预制混凝土面板；

底部密封，对拼装后的面板底部进行水下不分散混凝土或水下不分散砂浆封闭；

灌浆，向拼装完成后的面板和待加固水下结构之间的空隙内灌压水下固化环氧树脂、水下不分散砂浆或水下不分散混凝土；

张拉预应力，根据加固目标的要求决定是否需要张拉横向预应力，如果需要，则需在灌浆材料达到预定的强度后张拉预应力筋；

拆除临时设施，加固完成。

2.如权利要求1所述的预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法，进一步包括，完成对所述待加固水下结构的表面处理后，在对待加固水下结构进行抗弯加固时，在所述待加固水下结构的底部承台上钻孔制作锚孔，锚孔的直径应比纵向筋的直径大4mm~8mm，锚孔的深度Ld至少为100mm或大于等于10倍纵向筋的直径。

3.如权利要求2所述的预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法，进一步包括，在锚孔制作完成之后，在所述待加固水下结构与预制混凝土面板之间的空隙内安放筋材笼，在横向筋与纵向筋相交的节点处设置定位垫块，纵向筋的下端通过水下固化树脂锚入固定在所述承台上设置的锚孔内。

4.如权利要求1所述的预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法，进一步包括，所述预制混凝土面板具有纵向与横向拼接接头。

5.如权利要求1至4任一项所述的预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法，进一步包括，所述待加固水下结构为一柱状体时，所述预制混凝固面板为环向管片，沿环向拼装在所述待加固水下结构的外部；所述待加固水下结构为平面结构时，所述预制混凝土面板为平板，沿待加固水下结构的待加固面外部进行设置，并将所述面板的两端与待加固水下结构之间进行密封处理。

6.如权利要求5所述的预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法，进一步包括，在位于底部的第一节面板外侧用混凝土进行封闭，密封所述第一节管片或平板的底部。

7.如权利要求1所述的预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法，进一步包括，灌压水下固化环氧树脂或水下不分散砂浆或水下不分散混凝土时，自下而上进行灌压，使灌压管的下口在灌压过程中一直埋于灌注材料内，面板内的水随着灌压过程从面板上端溢出。

8.如权利要求4所述的预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法，进一步包括，对待加固水下结构进行主动加固，在所述预制混凝土面板预留的横向孔道内穿预应力筋并进行张拉。

9.如权利要求8所述的预制混凝土面板快速拼装加固水下结构的施工方法，进一步包括，预应力筋的张拉可分两次进行：第一次张拉至较小的值，以预紧横向面板；第二次张拉在灌压的水下环氧树脂或水下不分散砂浆或水下不分散混凝土达到规定的设计强度后进行。

10.一种预制混凝土面板快速拼装加固水下结构，其特征在于，包括环绕待加固水下结构外部的筋材笼，所述筋材笼纵向筋的下端锚入固定在所述待加固水下结构的底部承台上设置的锚孔内，所述筋材笼外环绕拼装有预制混凝土面板，所述预制混凝土面板内穿拉有用于主动加固的环向预应力筋，所述预制混凝土面板与待加固水下结构之间的空隙内填充有水下不分散混凝土或砂浆，底部的第一节面板外侧封闭有混凝土。