作者單位：中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，西安710054

作者簡(jiǎn)介：饒波，男，工程師。

摘要：由于石拱橋特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和環(huán)境因素，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中常面臨防水病害的威脅，不僅影響橋梁的正常使用，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全也可能構(gòu)成嚴(yán)重威脅。本文結(jié)合某石拱橋病害治理工程實(shí)例，針對(duì)石拱橋防水層病害進(jìn)行深入研究，通過(guò)實(shí)地調(diào)查、理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施相結(jié)合的方式，系統(tǒng)地探討了石拱橋防水病害的類(lèi)型、成因以及整治方法，提出了一種系統(tǒng)可行的石拱橋病害防治技術(shù)方案，并詳細(xì)總結(jié)了施工流程，可為類(lèi)似工程提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：石拱橋；病害分析；注漿技術(shù)；施工工藝

1引言

石拱橋在我國(guó)歷史悠久，具有能夠就地取材、施工技術(shù)簡(jiǎn)單、建造成本低的優(yōu)點(diǎn)，在鋼筋和機(jī)械設(shè)備缺乏的年代大量興建，因此，我國(guó)現(xiàn)存石拱橋數(shù)量較多［1］。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，石拱橋的病害情況尤為突出［2］，尤其是在石拱橋原有設(shè)計(jì)不滿足當(dāng)前運(yùn)載需求的情況下，腹拱圈開(kāi)裂、主拱圈開(kāi)裂、防水層破壞等病害逐漸顯露，嚴(yán)重威脅著交通運(yùn)輸?shù)陌踩?。本文依托位于陜西省?nèi)的某石拱橋，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工工藝進(jìn)行研究，采用新技術(shù)、新工藝恢復(fù)石拱橋防水層，減緩拱橋石砌體的劣化，形成了一套系統(tǒng)可行的石拱橋防水層病害防治技術(shù)方案和具體施工流程，可為類(lèi)似工程提供一定的參考。

2主要病害及原因

本文選取西安局集團(tuán)公司某處有防水層病害的石拱橋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工整治試驗(yàn)，以此進(jìn)行石拱橋防水層病害治理施工工藝及關(guān)鍵技術(shù)研究。該石拱橋全長(zhǎng)19 m，石拱部分為石砌拱橋，孔跨式樣為1-12 m石拱，主拱圈拱頂厚度為70 cm，矢跨比為1∶2.3，拱圈合龍溫度為5～30 ℃。整個(gè)橋臺(tái)基礎(chǔ)均為臺(tái)階型140級(jí)火山質(zhì)凝灰土，并位于穩(wěn)定的花崗巖層上。本座石拱橋?yàn)閷?shí)腹式拱橋，采用三合土作為防水層，因橋面有滲水而軟化失效。

該石拱橋存在的主要病害：一是主拱圈結(jié)晶體析出、勾縫脫落；二是拱圈石砌體風(fēng)化，部分石材出現(xiàn)裂縫破損；三是拱圈設(shè)置的泄水孔排水功能弱化。石拱橋病害情況如圖1所示。

造成石拱橋滲水的原因很多，主要是防水層自身老化損壞，加之橋面面層鋪裝密水性能差，或者橋面破損沒(méi)有及時(shí)修補(bǔ)，導(dǎo)致橋面水沿橋面結(jié)構(gòu)層不斷下滲，最終造成拱圈滲水［3］。

本石拱橋產(chǎn)生病害的主要原因?yàn)樵陂L(zhǎng)期服役的過(guò)程中，道床碎石在列車(chē)荷載作用下逐漸破碎，加之外部環(huán)境的風(fēng)化作用，泥質(zhì)顆粒含量增加，肋腹填料逐漸密實(shí)，透水性能弱化。橋體內(nèi)部積水導(dǎo)致排水不暢，積水與砌體砂漿內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)，析出結(jié)晶物質(zhì)，風(fēng)干后附著在拱圈表面，同時(shí)隨著外部環(huán)境溫度的變化，導(dǎo)致砌體勾縫砂漿脫落，對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)質(zhì)量造成一定的影響。

經(jīng)綜合判定，該拱橋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，拱頂泄水管及排水孔被碎石碎屑及泥土堵塞，導(dǎo)致泄水管及其附近滲水、滴水、泛白。本次病害治理的主要目的是解決拱圈因內(nèi)部積水導(dǎo)致拱圈泛白、砌塊砌縫砂漿脫落以及拱橋內(nèi)部積水問(wèn)題。

3病害治理

通過(guò)規(guī)范的橋梁防水技術(shù)作業(yè)進(jìn)行病害治理，能夠強(qiáng)化橋梁結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，降低橋面滲漏問(wèn)題的發(fā)生概率，減少水對(duì)結(jié)構(gòu)造成的侵蝕，提高橋梁的運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)延長(zhǎng)其使用年限［4］。本節(jié)對(duì)病害治理的原則、方案和注意事項(xiàng)進(jìn)行介紹。

3.1病害治理原則

采用再造防水層阻擋水源的原則，通過(guò)化學(xué)注漿阻擋水源。使用特制化學(xué)注漿材料，在裂隙中注漿，使其凝固充填裂隙，達(dá)到止水效果，可采取封縫、埋管、嵌縫、化灌等工藝［5］。

（1）采用黏度較低、粘結(jié)性能好的注漿材料及特殊的注漿工藝，達(dá)到充填、滲透、固結(jié)等止水和補(bǔ)強(qiáng)目的。

（2）為減少對(duì)結(jié)構(gòu)體損傷，采用微創(chuàng)工藝，布孔形式采用梅花形布孔，孔間距按砌體接縫尺寸確定，最小間距為30 cm?？讖皆O(shè)為16 mm，初步深度為200 cm，實(shí)際深度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)確定。采用干鉆換桿法進(jìn)行鉆孔，分段鉆至設(shè)計(jì)深度。

（3）為了降低注漿壓力對(duì)軌道的變形影響，確定注漿孔距碎石道床頂距離，考慮上覆填料比重，確定注漿壓力。注漿壓力不大于上覆自重應(yīng)力的1.5倍，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合注漿料黏度確定漿液深度和有效半徑。

（4）根據(jù)注漿材料黏度、砌體勾縫間距、填充材料孔隙和注漿壓力，合理確定特定壓力下注漿孔間距。在確定孔間距前提下，確定注漿壓力，避免對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)和線路運(yùn)行影響。

砌縫砂漿的填充效果如圖2所示。

3.2病害治理方案

結(jié)合該石拱橋病害原因，對(duì)石拱橋病害治理涉及的材料進(jìn)行篩選，初步確定了四種病害治理材料，主要是聚氨酯防水凝膠、聚合物水泥、改性環(huán)氧注漿料及丙烯酸鹽注漿液，分別用于隔水層、替補(bǔ)砌縫水泥砂漿、止水與加固拱圈、拱圈砌縫脫落砂漿的修補(bǔ)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論，對(duì)注漿孔的布設(shè)形式和間距進(jìn)行了優(yōu)化。注漿孔采用梅花形布設(shè)形式，間距約為60 cm。橋梁拱圈背后注漿，注漿孔的布設(shè)形式和間距與橋梁側(cè)墻的布設(shè)形式及參數(shù)一致，如圖3所示。為了降低鉆孔數(shù)量對(duì)拱圈的影響，砌塊砌縫注漿孔與拱圈注漿孔合并為同一注漿孔。首先對(duì)砌縫進(jìn)行注漿，待漿液凝固后，在同一位置重新鉆孔，然后進(jìn)行拱圈背后注漿。鉆孔位置選擇在砌塊砌縫位置，以保證砌塊的完整性，避免對(duì)拱橋關(guān)鍵支撐受力結(jié)構(gòu)造成損傷。

另外，對(duì)剝落的拱橋石灰縫重新施作，如圖4所示。首先在既有灰縫處開(kāi)槽，深度約為3 cm。然后對(duì)內(nèi)部松散較嚴(yán)重的地方進(jìn)行打孔，并埋設(shè)7 mm注漿孔，深度約為10 cm，注入裂縫封閉膠。最后使用環(huán)氧砂漿恢復(fù)既有灰縫。

3.3材料的選擇

防水材料性能直接決定橋面防水效果，對(duì)保證橋梁結(jié)構(gòu)安全性、耐久性具有重要作用。不同類(lèi)型的防水材料，有其各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)。可采用環(huán)氧樹(shù)脂煤焦油配合高壓聚乙烯塑料薄膜和Ｊ-１防水冷膠料的設(shè)計(jì)加強(qiáng)型防水層材料、深入水泥混凝土構(gòu)建物內(nèi)部使用的HM1500防水劑材料、高聚物改性瀝青防水卷材及聚氨酯防水涂料。

既有線石拱橋防水一般采用重新鋪設(shè)防水層的施工工藝，該工藝需清理橋面道砟，在封鎖點(diǎn)內(nèi)才可實(shí)施。施工難度較大，耗時(shí)耗力。

為了能夠在不封鎖線路情況下進(jìn)行施工，降低施工及運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，故采用輕便型施工方法，所需材料固結(jié)時(shí)間快，具有耐候性、耐酸堿、持久性強(qiáng)等特點(diǎn)，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)一次施工即可達(dá)到所需厚度，且涂膜抗拉強(qiáng)度高，延伸性能好、粘結(jié)濕度高。結(jié)合施工工藝，本次整治使用聚氨酯防水凝膠、聚合物水泥、改性環(huán)氧注漿料、丙烯酸鹽類(lèi)注漿液材料。

3.3.1適用于潮濕環(huán)境

聚氨酯防水凝膠固體含量可高達(dá)90%以上，單位面積用量少，一次施工可達(dá)到所需厚度，涂膜抗拉強(qiáng)度高，延伸性能好，粘結(jié)濕度高，耐候性強(qiáng)，耐化學(xué)腐蝕，耐老化，防霉性能好，并有阻燃性，可以通過(guò)添加橡膠粉末做成防滲漏密封膠泥。

3.3.2黏附力性能好

聚合物水泥是水硬性膠凝水泥，基料為硫鋁酸鹽水泥，主要成分為無(wú)水硫鋁酸四鈣和硅酸二鈣，加入聚丙烯酰胺，是一種水溶性高分子聚合物，也是水溶性高分子化合物。它可以作為分散材料的有效增稠劑、增黏劑或穩(wěn)定劑，制作出親水的水溶性凝膠，對(duì)許多固體表面和溶解物質(zhì)有良好的黏附力。加有聚丙烯酰胺的水泥砂漿呈現(xiàn)出較好的結(jié)合和黏著性，增強(qiáng)堵漏施工的質(zhì)量。

3.3.3滲透力強(qiáng)

改性環(huán)氧注漿料可灌性好、黏度低，可滲透到寬度為0.1 mm的縫隙內(nèi)，是較好的可注漿性材料。該材料起初黏度低，有明顯的增韌效果，尤其適用灌注細(xì)小裂縫、滲漏修復(fù)和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。

3.3.4抗?jié)B性能強(qiáng)

丙烯酸鹽類(lèi)注漿液抗?jié)B性能優(yōu)異，凝膠體滲透系數(shù)小，水較難通過(guò)注漿后的結(jié)構(gòu)。彈性好，遇水膨脹，在干濕循環(huán)條件下可二次膨脹，不影響凝膠性能。強(qiáng)力黏結(jié)于混凝土基面，即使凝膠體本身遭到破壞，粘結(jié)面仍保持完好。

3.3.5具有結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)作用

在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的高頻振動(dòng)等環(huán)境下適應(yīng)性及耐久性較好。材料對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)影響小，具有補(bǔ)強(qiáng)加固作用。

3.4施工步驟和注意事項(xiàng)

3.4.1施工步驟

施工步驟分為：布孔及埋設(shè)注漿止逆閥→注漿及孔口壓力控制→根據(jù)位置調(diào)整注漿壓力→清理溢流漿液及封堵。

（1）布孔及埋設(shè)注漿止逆閥

按照設(shè)計(jì)要求開(kāi)設(shè)注漿孔，呈梅花形布設(shè)，孔徑為16 mm，間距60 cm。鉆孔完成后采用空氣吹孔方式，清理孔內(nèi)碎物等雜物。埋設(shè)專(zhuān)用注漿止逆閥，使用T形扳手等工具鎖緊針頭。

（2）注漿及孔口壓力控制

試驗(yàn)過(guò)程中遵循先上后下的注漿順序，同一作業(yè)面擬采用跳孔方式進(jìn)行注漿，且依據(jù)不同鉆孔位置設(shè)定注漿壓力作為壓力控制參數(shù)，以保證漿液填充均勻。注漿過(guò)程中，時(shí)刻注意泵壓和流量的變化，若吸漿量很大或壓力突然下降，注漿壓力長(zhǎng)時(shí)間不上升，應(yīng)查明原因，如工作面漏漿，可采取封堵措施；如跑漿可通過(guò)調(diào)換漿液、調(diào)整漿液配比，縮短漿液凝膠時(shí)間，進(jìn)行大泵量、低壓力灌注，必要時(shí)采用間歇注漿，以達(dá)到控域注漿的目的。

（3）根據(jù)位置調(diào)整注漿壓力

結(jié)合灌注施工前取樣數(shù)據(jù)，擬定孔口壓力控制范圍：拱頂壓力在0.3 MPa以?xún)?nèi)，其他部位為0.5 MPa。當(dāng)壓力值突然增加時(shí)停止注漿，待結(jié)構(gòu)內(nèi)部漿液擴(kuò)散后再進(jìn)行注漿；當(dāng)注漿量達(dá)到預(yù)期值但壓力值低于預(yù)期時(shí)，應(yīng)持續(xù)注漿，直到達(dá)到目標(biāo)值，并保持壓力10 s。同排注漿時(shí)優(yōu)先采取調(diào)孔施工方式，注意觀察注漿壓力變化及注漿孔周邊結(jié)構(gòu)裂縫是否有溢漿現(xiàn)象，如達(dá)到設(shè)置壓力值或有溢漿情況時(shí)，應(yīng)采取間接式補(bǔ)灌直至飽和；注漿過(guò)程中若發(fā)生串漿，可采取2孔同時(shí)注漿措施。

（4）清理溢流漿液及封堵

注漿完成后清理溢流漿液，拆除注漿止逆閥，使用聚合物速凝水泥對(duì)注漿孔進(jìn)行封閉處理。

3.4.2注意事項(xiàng)

（1）在泄水孔周邊注漿時(shí)，應(yīng)使用內(nèi)窺鏡隨時(shí)觀察泄水孔內(nèi)情況，防止過(guò)量注漿導(dǎo)致泄水孔堵塞。

（2）注漿材料應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)禁使用過(guò)期或結(jié)塊的材料，必要時(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)。漿液調(diào)配應(yīng)符合要求，灌注施工前要對(duì)漿液凝膠時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［5］。

（3）注漿過(guò)程中，若同排注漿應(yīng)實(shí)行調(diào)孔施工，同時(shí)時(shí)刻注意泵壓和流量的變化，若吸漿量很大或壓力突然下降，注漿壓力長(zhǎng)時(shí)間不上升，應(yīng)查明原因并處理。

（4）如工作面漏漿，可采取封堵措施；如跑漿可通過(guò)調(diào)換漿液、調(diào)整漿液配比，縮短漿液凝膠時(shí)間，進(jìn)行大泵量、低壓力灌注，必要時(shí)采用間歇注漿，以達(dá)到控制注漿的目的。

（5）拱頂范圍內(nèi)注漿時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制壓力及單孔注漿時(shí)間，防止過(guò)量注漿造成道床隆起。

（6）注漿時(shí)應(yīng)佩戴好防護(hù)用具（口罩、手套、護(hù)目鏡、雨靴等），防止使用注漿機(jī)時(shí)漿料噴濺到眼睛。

4現(xiàn)場(chǎng)施工

4.1施工目標(biāo)

本次試驗(yàn)注漿旨在通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，獲得數(shù)據(jù)信息，為該石拱橋后續(xù)的防水層病害治理方案制定與實(shí)施奠定良好基礎(chǔ)，具體目標(biāo)如下：

（1）確定特定注漿壓力下丙烯酸鹽漿料的滲透范圍，即滲透半徑，以便后續(xù)合理布置注漿孔。

（2）通過(guò)注漿過(guò)程控制，獲得適宜注漿壓力值，避免過(guò)度注漿帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，如橋面抬升和環(huán)境污染。

（3）通過(guò)觀測(cè)儀器，揭示砌縫病害情況，實(shí)現(xiàn)砌縫膠接與止水過(guò)程的控制。

4.2施工方案

4.2.1橋臺(tái)側(cè)墻背后的現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)

根據(jù)拱橋的砌塊尺寸和砌縫間距，在注漿孔周邊布設(shè)觀測(cè)孔，并記錄觀測(cè)孔道與注漿孔之間的距離以監(jiān)測(cè)注漿情況。為確保漿料能夠充分滲透，應(yīng)將注漿孔深入內(nèi)部填料層約15 cm，檢查注漿嘴封閉帶是否嚴(yán)密，待封膠完全固化，將注漿設(shè)備放在操作臺(tái)上，開(kāi)始注漿，其中側(cè)墻及拱圈注漿如圖5所示。采用丙烯酸鹽類(lèi)材料進(jìn)行注漿，考慮到拱橋內(nèi)部填料相對(duì)松散，孔隙比較大，漿液在其內(nèi)部擴(kuò)散時(shí)，壓力會(huì)急劇衰減，應(yīng)確保注漿壓力不超過(guò)5 000 Pa。監(jiān)控注漿量和注漿壓力，當(dāng)裂縫內(nèi)部漿液溢出時(shí)，立即進(jìn)行封堵。膠體強(qiáng)度達(dá)到要求后，用角磨機(jī)將多余膠體打磨掉，使其平整干凈［6，7］。需要注意的是，注漿施工環(huán)節(jié)需要嚴(yán)格控制注漿量，且要求施工技術(shù)人員嚴(yán)格地按照注漿加固工藝的規(guī)范進(jìn)行操作，避免出現(xiàn)漿液過(guò)多或不足的情況［8，9］。待注漿工序完成以后，做好施工區(qū)域的防護(hù)，禁止人員踩踏。

4.2.2拱圈的現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)

基本試驗(yàn)步驟與橋臺(tái)側(cè)墻注漿試驗(yàn)一致，但鑒于拱圈不同位置與橋面的垂直距離不同，因此在拱圈部位設(shè)置三處試驗(yàn)點(diǎn)，并根據(jù)需要調(diào)整注漿壓力和注漿量。拱圈注漿現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。在拱圈泄水孔位置附近進(jìn)行注漿試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)內(nèi)窺儀對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行觀察，如圖7所示，確保注漿效果良好，同時(shí)避免發(fā)生堵塞的情況。

4.2.3拱圈砌縫注漿試驗(yàn)

進(jìn)行鉆孔作業(yè)，采用內(nèi)窺鏡觀察砌縫砂漿的填充情況。該試驗(yàn)注漿原理與上述注漿相同，唯一不同的是鉆孔深度與拱圈相結(jié)合。然后使用環(huán)氧樹(shù)脂凝膠進(jìn)行砌縫注漿，以實(shí)現(xiàn)止水和加固的目的。在注漿試驗(yàn)過(guò)程中，要充分借助觀測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)砌縫膠結(jié)與止水的過(guò)程控制。

4.3重要參數(shù)控制

（1）最大注漿壓力控制在5 000 Pa較為適宜，此時(shí)注漿材料的滲透半徑約為0.5 m。

（2）為了保證漿液不過(guò)度擴(kuò)散，同時(shí)在墻背后形成良好的隔水層，注漿孔的布設(shè)間距應(yīng)控制在60～70 cm。

（3）拱圈砌縫注漿試驗(yàn)顯示，砌縫砂漿填充不密實(shí)，存在空隙，使用環(huán)氧樹(shù)脂凝膠可以實(shí)現(xiàn)止水和加固目的。

5結(jié)語(yǔ)

對(duì)石拱橋病害制定小型機(jī)械化、流水化的施工方案，可有效避免交叉作業(yè)，不僅縮短了施工周期，而且無(wú)需封鎖道路。

（1）該石拱橋拱圈石壁結(jié)晶析出物是拱橋內(nèi)部積水與砌縫砂漿長(zhǎng)期作用的結(jié)果，砌縫砂漿脫落是列車(chē)荷載與環(huán)境風(fēng)化的綜合作用導(dǎo)致的。

（2）結(jié)合石拱橋的病害情況，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，分別獲得了側(cè)墻和拱圈部位注漿孔的合理布設(shè)形式及其間距控制參數(shù)。

（3）在進(jìn)行注漿鉆孔施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)拱圈砌塊砌縫砂漿填充不密實(shí)，存在空隙，這是導(dǎo)致拱圈返堿的重要原因。通過(guò)對(duì)砌縫的注漿試驗(yàn)，明確了砌縫關(guān)鍵漿液滲透范圍。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合拱圈背后注漿鉆孔布設(shè)形式和參數(shù)，以減少鉆孔數(shù)量，降低對(duì)拱圈承載力的影響。

（4）制定了該石拱橋病害治理方案、施工具體流程及其質(zhì)量保證措施，有效指導(dǎo)了該石拱橋病害治理的實(shí)施。

參考文獻(xiàn)

［1］ 蔡鵬程，楊肩宇，方德銘，等.石拱橋病害與加固工程實(shí)例分析［J］.福建建筑，2006（2）：26-29.

［2］ 李建同.山區(qū)實(shí)腹式石拱橋病害成因分析及整治對(duì)策研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2017.

［3］ 陳芳.石拱橋病害成因分析與處治方法［J］.交通世界，2023（15）：165-168.

［4］ 董秦海.隧道及地下工程防水堵漏工法［J］.地下工程與隧道，1993（3）：36-40.

［5］ 蘇懷見(jiàn).淺談道路橋梁工程施工中的橋梁防水技術(shù)［J］. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2022（15）： 210-212.

［6］ 吳瑞芳.寶成線K29+811石拱橋流漿腐蝕病害整治［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2008（8）：37-39.

［7］ 唐鵬華.管棚注漿技術(shù)在公路巖溶隧道坍方處理中的應(yīng)用［J］.四川建筑，2010，30（4）：199-201.

［8］ 顏向群，李海梁.石拱橋常見(jiàn)病害與預(yù)防措施［J］.公路與汽運(yùn)，2003（6）：69-71.

［9］ 蔡斌.服役石拱橋加固技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.