高桩码头可用于软土地基, 且可用于建设深水大码头, 因而在我国已建成的港口码头中应用非常广泛。但由于高桩结构轻盈, 构件安全储备较重力式码头相对要小, 在使用期较为复杂的海洋环境中, 发生破损及病变的几率相对较大, 这些因素都造成了目前大部分在役高桩码头在梁、板、桩等部位存在结构破损的问题, 严重威胁到码头的正常使用, 必须进行及时的加固维修, 才能保证码头的正常安全运营。

对码头进行加固维修, 必然影响码头日常生产运营, 如桩基修补时采用补桩法需拆除上部结构, 整个施工周期耗时很长, 且期间码头无法使用;对梁板结构修复时搭设施工平台是必然选择, 平台搭设的便利性与安全性将直接影响最终工期。

对于货运量繁忙的大港口和关乎国计民生的油气码头等, 每停运1天, 其经济和政治影响都是难以估量的。因此对于在役高桩码头, 如何通过快速、有效的施工技术, 实现码头整体结构的加固或升级改造, 是亟待解决的技术难题。

目前对高桩码头的维修加固, 重点包括下部桩基和上部梁板两部分。对于下部桩基, 在受损桩基或者断桩修复加固时, 根据桩的破坏程度, 主要有两侧补桩代替法、修补原桩法、外包碳纤维布法等, 这3种方法均能在一定程度上达到对受损桩基修复的目的, 但是受损桩基承载力提高的效果并没有系统定量的数据, 特别是水下修复施工质量难以保证。此外, 对于两侧补桩的施工方法, 存在施工效率较低、施工难度较大、对上部结构影响较大、造价高等问题。

对于上部梁板结构大面积破损的修复, 必须在钢筋除锈后恢复混凝土保护层。传统恢复保护层的方法一般可以分为砂浆压抹、立模现浇混凝土和喷射混凝土等。砂浆压抹只适用于恢复截面高度较小的情况, 对恢复7cm或以上保护层厚度的情况不适用。立模现浇混凝土模板搭设支点是个难题, 且从下部灌浆不易灌满, 在新老混凝土间容易出现缝隙。喷射混凝土对施喷的空间有一定要求, 且从下往上喷操作难度大和材料损失较大。有研究指出, 提高钢筋混凝土中混凝土施工质量的均匀性比采用高强混凝土及增加保护层厚度对减缓钢筋混凝土内钢筋锈蚀速度的效果更理想。因此解决现浇的整体性和密实性问题是实现梁板有效修复的关键。

在对梁板进行修复加固施工时, 一般需要搭设施工平台, 目前用于这类工程的施工平台形式多样, 主要有满堂钢管支架平台、浮式平台、钢丝绳反调平台, 满堂钢管不适合深水码头, 浮式平台易受波浪影响不安全, 钢丝绳反调平台没有上述缺点, 但吊点的数量和位置、搭设的顺序、平台的稳定性值得深入研究。

该石化码头位于广东省大亚湾, 码头岸线总长为360m, 平面成突堤形式布置, 由内引桥、工作平台及外引桥组成, 如图1所示。码头工作平台结构形式采用高桩梁板式结构, 于1997年1月建成并投入使用。2014年对该码头的检测发现:码头主体部分处于浪溅区范围内的横梁、纵梁、桩帽、梁连接处、面板及底板等构件均出现了严重的混凝土爆裂、剥落、钢筋锈蚀、露筋、板底部主筋断裂等现象且存在继续劣化的趋势。为确保码头的安全使用, 同年实施对该码头梁板和桩基的维修和加固。

本次维修加固工程受可作业施工时间和空间的限制十分突出。一方面码头处于大亚湾, 为不规则半日混合潮, 风浪和潮差比较大, 维修部位大部分处于潮差区和浪溅区, 施工受潮水影响很大;另一方面维修期间码头不停产, 且靠船期间现场禁止动火 (包括明火、用电等) 和一切有可能产生火花的工作。

工期紧、安全要求高是本工程的主要特点和难点, 维修施工一方面要减少对码头生产的影响, 另一方面要考虑消除安全隐患。因此合理选择施工平台搭设方法和修复工艺, 从而安全、快速、有效的实施维修作业, 是本项目能否顺利进行的关键。

该码头结构隐患治理工程规模较大, 修复难度高, 施工条件受各方因素限制较多, 作为施工必备条件的施工平台搭设是决定工程进度和质量的关键因素之一。为保证施工质量及进度要求, 在工作平台底面分段、分区搭设固定式工作平台, 作为构件维修加固使用。

平台搭设前, 先在码头面搭建临时钢梯供人员上落, 再在桩身上布置卡桩钢管, 利用已搭设卡桩钢管作为支点, 从一端开始搭设悬挂式施工平台。搭设流程如下:埋设膨胀螺栓→安装钢丝绳→铺设钢管→搭设竹条板→安装安全防护网。

在面板底部打设膨胀螺栓, 作为吊点的着力点。膨胀螺栓与钢丝绳连接。钢丝绳底部绑扎成圆环, 钢管穿过圆环作为形成平台骨架。沿码头纵向每4m布置1个吊点, 沿码头横向每1.5m布置1个吊点。考虑水位影响和施工方便, 平台底部至码头面板底部约为1.8m。吊点布置如图2所示。

1) 安装钢丝绳 钢丝绳通过与膨胀螺栓连接, 形成悬挂式受力结构。

2) 铺设纵向钢管 平台骨架采用ϕ60钢管, 每根钢管固定长度6m。长度超过6m处, 采用对接扣件 (一字扣) 对接连接2根钢管。

3) 铺设横向钢管 每隔2m铺设1道横向钢管。横向钢管置于纵向钢管上方, 通过直角扣件 (十字扣) 与纵向钢管垂直交叉连接。

3) 搭设竹条板 在横向钢管上方搭设竹条板, 用钢丝把各个连接部位绑扎牢固。

4) 安装安全防护网 在平台外侧的钢管上安装竖向钢管和纵向栏杆, 栏杆范围满挂安全网。

为确保平台安全, 采用Midas建模进行受力计算, 采用不计质量的钢板模拟施工平台上铺的竹条板, 考虑施工人员荷载 (均布荷载) 及结构自重荷载作用下的平台受力情况。其受力及计算如图3, 4所示。

经计算钢丝绳的最大受力为19kN, 远小于钢丝绳的最小破断拉力150kN;钢管最大截面弯矩应力为13MPa, 小于Q235钢材强度设计值;钢管最大挠度值为4.325mm, 小于最大允许挠度l/400=6 000mm/400=15mm, 满足要求。

对梁板结构底部大面积破损区域进行修补时, 既要保证下部的新浇混凝土与上部旧混凝土交接紧密, 防止留下空隙, 又要考虑面板的整体性, 尽量保证一次完成一块面板底部修补区域的浇筑, 因此合理选择支模方式和浇筑方式非常重要。

凿除面板底部破损部位, 并完成钢筋除锈和补筋后, 每隔一定间距钻孔并安装螺栓。

在平台组装模板后, 沿螺栓装入并安装槽钢和使用螺母限位, 旋动螺母实现模板结构的整体提升。同时, 采用取芯钻在码头面板从上往下钻孔, 形成混凝土现浇管道。钻孔布置原则是在满足混凝土填充密实的前提下尽量减少钻孔数量。

模板提升就位后, 对模板侧面进行密封, 从码头面进行混凝土浇筑, 浇筑顺序从板的一个角点至对角, 使板内空气能充分排出。浇筑完成即实现对面板底部的大面积破损修补。

对面板底部存在裂纹裂缝和保护层脱离剥落的部位进行开凿, 开凿部位达到破损位置周围, 直至钢筋外露2～3cm和露出新鲜的混凝土。施工中的具体要求有以下几点:①开凿时先采用砂轮机切割, 再用电镐、冲击钻等凿除, 一方面提高凿除效率, 另一方面能减少对面板的振动。②开凿应使钢筋完全露出, 并适当扩大开凿范围, 直至露出新鲜混凝土。③对于同一结构段的构件, 不应同时开凿, 应以间隔的方式进行修补, 避免同时开凿后结构承载能力不足。

对钢筋进行清洗、除锈, 充分除去其盐分, 除锈后要及时涂刷阻锈剂。根据现场钢筋锈蚀情况增补钢筋和重新植筋。

在面板上部自上而下钻孔, 直至到达面板底部, 从而形成混凝土灌注通道, 相邻灌注孔的距离由现场混凝土坍落度及扩散度试验确定。施工中的具体要求有以下几点:①钻孔选用取芯钻, 钻头外径应≥101mm。②钻孔数量既不宜过多而导致面板结构整体性降低, 又要保证数量足够从而利于混凝土流动, 一般由现场混凝土坍落度及扩散度试验确定, 约每2m直径范围内布置1个孔, 板的四周布置各布置1个孔, 就能满足浇筑的混凝土填充密实。

根据码头面板底部修复的特点, 采用悬吊式模板, 如图5所示。该模板系统由螺杆、螺母及槽钢组成, 在面板钻孔设置反吊点, 采用槽钢作肋, 其上方铺方木楞和2cm厚木板, 通过螺栓反吊在面板下部。模板拼装好后, 通过旋动螺母实现模板的整体提升。模板安装工艺如下:面板顶板钻孔→安装悬吊螺栓→模板拼装→整体提升模板→安装侧模。

利用在面板上开的孔作为通道, 灌注自密实混凝土, 如图6所示。灌注时插入在孔口使用插入式振捣棒振捣, 在下部模板辅以附着式振捣棒振捣。施工中的具体要求有以下几点:①混凝土采用自密实混凝土, 严格控制粗骨料的最大粒径。②灌注顺序从板的一个角点至对角, 每个孔位处混凝土从孔口溢出后再灌注下一孔。③所有孔位完成一遍灌注后, 按灌注顺序再进行一遍振捣和补灌。

浇筑混凝土后应做好养护工作。自密实混凝土可在短时间内硬化, 因此1d后可拆除侧模并洒水养护, 底模在3d后拆除, 拆模后立即洒水养护, 保证混凝土面的湿润。

模板拆除后, 通过目测检查混凝土表观质量, 发现板底混凝土外观情况良好, 表面平滑, 无蜂窝麻面或沟槽裂缝。为检查内部质量, 分别采用了钻芯取样和超声检测两种方法。钻芯检测随机抽取2个位置, 芯样结果显示新浇筑混凝土与旧面板混凝土结合处平顺无缝隙。超声检测在板上布置30个测点, 检测结果表明面板混凝土均匀性合格, 没有可疑的缺陷区域存在。

玻纤套筒加固技术, 又称“夹克法”, 基本概念是采用一个永久性、高强度的套筒来保护结构, 从而达到耐盐碱、腐蚀性污染物、干湿循环和冻融循环破坏的目的。如图7所示, 具体是因应待修复结构物的截面形状, 预制与结构物截面形状一样, 但尺寸稍大的高强防腐蚀玻璃纤维套筒, 安装于结构物上, 并利用高轻度环氧类修复灌浆填充结构物外表面与玻璃纤维套筒之间的空隙间隔。

一般套筒与待加固结构的空隙间隔为13～50mm, 破损越严重填充的间隔应越大。根据检测情况, 本项目桩基截面的损失率约10%, 基本处于中等偏小的损坏状态, 综合考虑桩基安全储备和浆料灌注方便, 选用30mm的间隔, 即加固部分的桩基截面为560mm×560mm。

本项目桩基的破损集中在上部, 因此加固的最高点应包括桩基顶部以及桩基与墩台结合部。而加固的最低点应在桩基存在裂缝或破损的位置以下, 综合考虑本项目桩基破损高度、损伤发展趋势和可能存在直接观察不可见的细微裂缝, 加固的最低点为裂缝或破损底部往下50cm。

玻纤套筒是由玻璃纤维和聚合树脂材料加固而成, 聚合树脂有稳定剂以防止紫外线。玻纤套筒形状规格因应待加固桩基尺寸而定, 本项目桩基为500mm×500mm预应力混凝土方桩, 因此玻纤套筒为方形, 边长560mm。套筒安装时通过阴阳锁扣和不锈钢螺丝固定, 如图8所示。其他参数如表1所示。

环氧灌浆料采用可用于海水的多用途氢酯环氧灌浆料, 可在水下固化和粘结, 具有很好的流动性、高强度和低吸收性, 在腐蚀性水环境中具有良好的耐化学性, 且施工时不需要排水。环氧灌浆料的参数如表2所示。

安排潜水员对桩身及周围进行探摸, 复核检测报告中反映的大石、杂物堆积深度和桩身损坏情况, 同时记录缺陷位置、形式和破损范围。

本项目最深位置的破损发生在桩顶以下2m处, 因此玻纤套筒的预制高度为2.5m。考虑现场搭设施工平台后, 作业空间受到一定限制, 如果采用套筒整体预制, 只留一边进行阴阳锁头对锁, 则套筒的安装将非常不方便, 因此根据实际情况进行了一点改进, 把套筒分两半预制, 通过两边的阴阳锁头进行对锁安装。

由潜水员采用高压水枪和铲子清除加固范围内的海生物和松散混凝土, 对露筋部位进行除锈处理, 并水下补焊钢筋。

套筒安装和灌浆的施工工艺顺序如图9所示。

把分成两半的玻纤套筒对称就位, 包裹住基桩后, 采用紧固带进行临时固定, 并用不锈钢自攻螺丝每隔15cm对套筒锁扣处进行紧固。灌浆料分A (树脂) B (固化剂) 双组份, 配合比为2∶1。根据现场观察, 灌浆料在1h左右依然能维持较好流动性, 完全固化时间约6h。在水中进行灌注时, 套筒高2m, 灌浆料不到5～8min可流到底部, 且自流平。

修复完成外观如图10所示。采用敲击的方法对套筒加固情况进行检查, 没有存在异响的情况, 证明灌浆料已把套筒与桩身之间的空隙填充密实, 同时表明浇筑修补效果良好, 施工质量合格, 满足验收标准。

1) 通过施工平台的快速搭设技术、梁板结构的整体模板及现浇法修复技术和桩基玻纤套筒修复技术, 解决了高桩码头维修施工耗时长、对码头运 营影响大的问题, 实现高桩码头快速、有效的维修加固, 对繁忙港口的维修施工作业具有重要的指导作用。

2) 悬吊式施工平台通过埋设膨胀螺栓形成着力点, 钢丝绳与螺栓连接形成悬挂结构, 纵横向钢管形成平台骨架, 再辅以竹条板满铺形成作业面。该平台安装及使用均不受波浪的影响, 搭设效率高, 拆卸方便。

3) 采用整体提升式悬吊模板体系, 利用螺母在螺杆上旋紧实现模板的临时定位、整体提升和高程调节, 不受面板下部施工空间狭小、海水水位变动以及码头下部支撑点少等因素的影响, 大大降低了施工难度。采用自密实混凝土由面板上部灌浆孔直接灌注, 利用压强差增强混凝土的流动性, 既达到混凝土密实的效果, 又有利于提高施工效率, 减少人工成本。

4) 分析了玻纤套筒加固厚度、高度的设计和套筒加工的选择, 归纳总结了玻纤套筒加固的工艺流程和注意事项:安装套筒→自攻螺丝紧固锁扣→紧固带临时固定套筒→可压缩密封条封住底部→灌注环氧灌浆料→环氧胶顶部密封→取下临时紧固带。