灵桥为国内唯一的单跨中承式三铰拱结构钢桥, 2005年被列为浙江省省级文物保护单位, 设计使用寿命为70年, 现已超期服役。灵桥自建成以来, 历经战争创伤、环境侵蚀和船只撞击等, 状况逐步变差, 尤其是2011年11月7日, 灵桥发生严重的船撞桥事故, 经专业单位的检测及工程院院士等权威桥梁专家鉴定, 认为灵桥结构安全风险较大, 已不满足使用要求, 属于危桥, 需要进行抢修。根据宁波市政府2012年第5期会议精神, 同意灵桥大修工程采用“原地维修, 修旧如旧”的原则实施, 在消除安全隐患、保障交通通行的前提下, 最大限度地保存灵桥的文物价值。

灵桥为单跨中承式三铰拱结构钢桥 (见图1) , 跨长97.536m, 桥宽25m。该桥主拱圈采用帽形断面, 矢跨比为1/6.5, 竖曲线为半径R=88.201m的圆弧线。全桥共设等间距布置的H形截面吊杆12对, 吊杆中心距为7.925m。

灵桥下部结构采用空箱式桥台和松木斜桩。空箱式桥台长13.8m, 宽22.1m;桥台内部划分为宽1.68m的条状空间。松木斜桩长30m, 桩向桥梁外侧下方斜插入地面, 与平面的夹角分别为75°, 50°, 17°, 每个桥台桩基由102根桩组成^[1]。

钢拱肋倾斜较大, 下游侧拱脚段严重变形, 构件局部钢材锈蚀严重, 拱脚内腔积水严重, 托架及横梁船撞变形部分铆钉锈蚀烂头, 大量弹坑痕迹, 接缝处锈蚀、膨胀, 短吊杆存在严重变形, 焊缝开裂。

1) 海曙侧上游钢筋混凝土承台破坏较严重, 该承台共有4条明显裂缝:裂缝1为通缝, 此裂缝贯穿了承台基础的两个相邻侧面后继续延伸到顶面, 此裂缝长约1 250mm, 裂缝侧面最宽, 部分最宽处达15.4mm, 裂缝深度在110mm以上;裂缝2处于承台海曙侧侧面, 此裂缝长约760mm, 裂缝最宽处宽2mm;裂缝3处于承台顶面, 此裂缝长320mm, 最宽处宽1.2mm;裂缝4也为通缝, 此裂缝贯通承台基础顶面和下游侧面, 长约320mm, 最宽处宽1.2mm (见图2) 。

2) 海曙侧上游拱铰高程比其他拱铰低100mm以上, 这种现象是基础变形引起的可能性比较大, 下游侧基础受过炮弹破坏^[2]。

1) 桥梁上部结构荷载变化情况

灵桥基础已使用70余年, 1936年建成时, 桥宽约19.8m, 桥面主要通行马车、行人及少量小汽车。随着时代的发展, 并经过1994年大修时对桥面的拓宽, 现状桥面宽25m, 桥梁活荷载以汽车荷载为主, 两侧通行非机动车和行人。因本次大修对上部结构进行了加固和改造, 桥梁恒荷载在1994年大修基础上又有所增加 (见表1、表2) 。

2) 桥台基础荷载组合 (见表3)

3) 桥台基础检算结果

考虑桥台后土抗力, 按初步设定的木桩布置, 检算桥台基础结果如表4所示。

以上计算结果表明:桩顶承台位移均在4mm范围内, 但单桩最大轴力N_max除恒荷载状态下在地基承载力的容许范围内, 主力和主力+附加力状态下原桥台基础木桩均在超负荷运营, 主力状态超载约26%。同时, 由于初步设定的木桩基础斜桩较多, 靠近拱铰支点附近的竖直桩还出现140~190k N的上拔力。

基于以上检算结果及基础承台存在明显裂缝和拱铰高差较大等病害, 并考虑加固改造后的灵桥还要安全使用40年, 已超出原有桥台基础的使用寿命, 木桩基础的承载力不宜过度放大, 为了保证结构安全及其耐久性要求, 加固现有桥台基础, 提高其抗水平推力非常有必要。

1) 减少对老基础的扰动在满足结构安全的前提下, 为最大限度地保留灵桥基础的文物价值, 本次加固在“尽量减少对老基础的扰动、尽量不破坏老基础的结构及木桩基础、使老基础继续发挥使用功能”的原则下进行设计。

2) 确保新老基础共同受力由于缺乏老桥原始设计资料, 且受到检测手段的限制, 老桥台的受力状况及承载力存在一定的不确定性, 从而导致新老基础共同受力时, 其荷载分配比例难以准确衡量。设计时根据老基础相关历史资料、检测报告、地质勘察报告及基础加固方案, 采用有限元软件对老基础的极限承载力以及新老组合基础的极限承载力进行了数值模拟分析, 构造形式需考虑新老基础的变形协调, 确保新老基础共同受力, 满足结构受力要求。

3) 施工可行性结合工程实际、周边环境及施工场地条件等, 合理布置新建加固基础的位置及构造, 提高工程实施的可行性。

为有效保护老桥基础, 并使其能够继续发挥作用, 在进行加固方案设计时, 尽量考虑在老桥台的台前及两侧设置新建基础, 避免在老桥台的台后进行扰动。据此, 拟定以下2个加固方案。

本方案考虑老桥台基础与新建基础共同承担上部荷载反力。由于老桥台承载力难以准确衡量, 参考检测报告中提供的老桥台基础极限承载力。计算时假定老桥台承担部分恒荷载反力, 其余荷载由新建基础承担。

采用在老桥台前方与拱肋对应处新建2根3.2~3.6m的变截面钻孔灌注桩, 桩长45m, 桩顶设置横向系梁连接两根桩基, 桩基施工过程中设置的钢护筒参与作用。在老桥台上植筋后, 将新建基础的桩帽与老桥台浇筑成整体共同受力。为方便与老桥台的承台植筋连接, 桩帽在连接老桥台侧设置为矩形, 在临水面一侧设置为圆弧形。基础加固构造如图3所示。

本方案采用在桥台两侧增设群桩基础和转换梁的方案, 由新建基础承担全部上部荷载反力, 不考虑原木桩基础的承载作用。

在老桥台两侧新建钻孔灌注桩基础和承台, 每个桥台单侧各设置12根1 500mm钻孔灌注桩, 桩长45m。拱座下设大转换梁将拱座传下来的荷载传递到承台上, 转换梁顺桥向宽5.5m、横桥向长20.7m、高度为4m, 拱座顺宽2.5m、横宽3m、高1.75m, 承台及拱座采用钢筋混凝土结构。基础加固构造如图4所示。

1) 方案1优点: (1) 在台前加大直径钻孔灌注桩, 不会削弱老桥台的承载力; (2) 传力可靠性较高, 容易形成整体共同受力; (3) 老基础附近无需大面积开挖, 对老桥台和松木桩扰动较小; (4) 新的铰接构造可以与钻孔灌注桩统一考虑。缺点: (1) 在狭小空间的场地内实施大直径钻孔灌注桩施工难度较大; (2) 在江东侧实施本方案需要占用一定的河道宽度 (在现状基础上局部约外扩1.5m) 。

2) 方案2优点: (1) 采用常规直径钻孔灌注桩, 钻孔桩施工难度相对较小; (2) 新基础承担全部荷载, 规避了老基础现状不明带来的风险; (3) 老基础的木桩和承台当作地基处理, 提供安全储备。缺点: (1) 新基础规模较大, 需要在桥台两侧进行开挖, 施工场地难以布置; (2) 2个承台间的转换梁受力大, 桩基础、拱座与转换梁之间的荷载传递复杂, 传力可靠性相对较差; (3) 需进一步探明老桥台基础 (承台、木桩) 的构造布置情况; (4) 需查明老桥台是否存在横桥向斜木桩, 在桥台两侧进行开挖, 对老桥台基础扰动较大, 可能会破坏松木桩; (5) 拱铰处混凝土需要凿除后更换新的铰接构造, 新老结构构造结合难度较大。

经对以上方案比选, 从技术可行性、结构可靠性、工程经济性等方面综合考虑, 最终采用方案1。

在不影响原基础的情况下, 国内桥梁维修加固工程领域采用φ3.2~φ3.6m变截面超大直径钻孔灌注桩结构尚属首次应用, 总体上具有以下特点。

1) 因为年代久和技术条件限制, 老基础及空箱结构无法完全摸清, 原施工设计图纸与实际结构存在较大偏差, 施工过程中不确定因素较多, 施工组织难度大。

2) 地质情况较复杂, 地层中存在片石、孤石、条石层, 且桩位位于河堤岸边, 河堤附近存在大量抛石, 空箱以下2m还有0.8~1.2m厚混凝土及更深层有微风化块石, 并有干强度高、含铁锰质结核厚夹层, 导致基础加固中的钢管桩、钢板桩、护筒的插打施工以及钻孔施工困难^[3]。

3) 3.6m钢护筒插打时, 需用到大吨位吊装设备施工, 存在老承台基础整体往河中滑移的风险, 安全风险非常大。

4) 由于桥梁位于闹市中心, 施工场地较小, 而施工设施、设备体积较大, 施工场地布置受限。

根据检测报告, 由于拱铰处混凝土开裂严重, 同时受现状拱铰位置不能移动的限制, 在进行新建加固基础施工时, 需要对老桥台拱铰附近的老承台及其上部的空箱结构进行必要的局部凿除, 以满足拱铰受力及施工要求。

为尽量减少对老基础的扰动及对既有结构的保护, 水面以上采用绳锯进行切割, 水面以下利用低潮期采用水钻钻孔成槽, 将混凝土板切割成小块。

受起重设备、地质条件、加工设备、运输车辆及线路等的限制, 钢护筒采用“3节制作、3次施沉”的工艺。

为保证钢护筒的准确定位及竖直度, 在施工平台顶及施工平台底各设置1层定位导向架定位。上层由焊接在钻孔平台上的钢框架组成, 下层导向架设在平台面下3m桩间加强的连接系位置, 先焊成整体然后焊接在钢护筒四周的4根钢管桩上。

为避免大型吊装设备占位老空箱上引起老基础整体滑移, 采用50t×2门式起重机配合APE400B (并联) 振动锤插打钢护筒。若钢护筒下沉困难, 施工中将采取以振动下沉为主, 辅以吸泥下沉。下沉过程中应用全站仪实时监控垂直情况, 发现超过偏差及时纠正。为确保门式起重机安全, 振动下沉时门式起重机吊具与振动锤之间松脱, 无法利用起重设备达到纠偏效果, 故采用丝杠水平顶推装置+竖向千斤顶装置进行护筒纠偏^[4]。

1) 钻机选型

根据桩径、桩长及桥址区地层岩性, 以及为减少对文物及周边建筑物的影响, 采用KTY4000型全液压动力头钻机成孔。

2) 钻头配备

根据灵桥桥头地质特点, 土层地质情况为:杂填土、素填土、粉土、黏土、细砂、粉质黏土以及土层中可能存在的条石、片石、孤石和松木斜桩, 采用四翼刮刀钻头和滚刀钻头交替钻进^[5]。因钻头常规直径为3m, 故对钻头改制成直径为3.2m。

3) 泥浆循环系统布置

由于施工场地受限, 采用1个小型泥浆沉渣池+1艘泥浆船相结合的循环系统, 泥浆沉渣池利用钢板及型钢组合箱形结构, 钻孔施工过程中, 在压风机送出的高压空气作用下, 泥浆顺着钻杆从孔底抽出, 沿出浆管进入沉渣池, 砂石经过筛分器筛分排至沉渣池进行沉淀, 泥浆流入泥浆分离器, 处理后的泥浆沿回浆管流入桩孔内循环, 分离出的钻渣通过沉渣池溜槽排放到泥浆船上^[6]。

4) 变截面成孔工艺

将内径3.6m钢护筒插打至变截面处。先用3.2m钻头钻至设计底标高, 然后在钻头腰带上焊接翼板和钢丝绳刷, 增大钻头直径为3.6m, 对护筒壁进行刮刷, 将护筒范围内桩孔直径扩大至3.6m, 这样就形成3.2~3.6m变截面桩径^[7]。

5) 复杂地质情况下技术处理措施

当土层为杂填土、素填土、粉土等时, 采用四翼刮刀钻头按照不同土层选择不同的钻压和钻速进行钻进, 当遇到片石、条石、孤石、松木斜桩时, 采用滚刀钻头按照钻机运转状况调整钻压、钻速进行钻进, 护筒内体积较大石块、松木等杂物利用抓斗进行配合清理, 并及时提钻处理钻头附着物及钻杆中石块、松木等堵塞物^[8]。

系梁设置于桥端拱铰桩基之间, 连接桩顶。系梁底标高-0.600m, 系梁高2m、宽2m。系梁采用钢套箱施工, 与老桥台紧贴在一起, 两者不做连接, 钢套箱一侧与钢护筒焊接成整体, 钢套箱作为永久结构与系梁共同受力。新加固基础和老基础在拱铰位置、在老桥台的承台上植筋后, 拱座与老承台浇筑为一个整体。

系梁施工工艺流程为:钢护筒切口→桩头混凝土清除→老桥台植筋→安装钢套箱→绑扎系梁及拱座钢筋→浇筑系梁及拱座混凝土。

灵桥基础加固方案采用3.2~3.6m变截面超大直径钻孔灌注桩结构创目前国内市政桥梁和桥梁基础加固先例, 此方案在满足基础结构安全的前提下, 既最大限度地保留了灵桥基础的文物价值, 又解决了施工场地狭小、地质条件复杂、新老基础共同受力的难题, 该桥基础加固技术可为类似工程提供借鉴。