大型挖掘機(jī)配加長(zhǎng)臂拆除雙曲拱橋施工技術(shù)研究

邱藝武

（清遠(yuǎn)市公路管理局應(yīng)急搶險(xiǎn)中心，廣東清遠(yuǎn) 511500）

0 引言

上世紀(jì)六七十年代建造的大多數(shù)雙曲拱橋，都普遍存在橋梁結(jié)構(gòu)老化、病害嚴(yán)重的問題，由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、交通量增加和荷載等級(jí)提高等因素，這類設(shè)計(jì)荷載等級(jí)低、使用時(shí)間長(zhǎng)的雙曲拱橋，原則上均要求拆除重建[1]。

由于舊拱橋經(jīng)過三四十年的通車運(yùn)營，其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性都存在不同程度的下降，拆除時(shí)有較多的不確定因素，因此拆除舊橋工程是一項(xiàng)具有一定技術(shù)難度、存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)的特種工程。由于從項(xiàng)目立項(xiàng)開始，其焦點(diǎn)往往在建設(shè)新橋方面，普遍對(duì)舊橋拆除施工方案、費(fèi)用存在忽視的問題，同時(shí)，現(xiàn)階段舊橋拆除工程缺乏相關(guān)的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范，亦使施工圖設(shè)計(jì)在該方面難以達(dá)到指導(dǎo)實(shí)際施工的深度。而施工單位提出的舊橋拆除方案，很難在安全、成本、進(jìn)度、環(huán)保等方面做到均衡統(tǒng)一，實(shí)際上施工組織往往左支右絀難以兼顧。這種情況是絕大多數(shù)拆除重建橋梁工程的行業(yè)通病，亦帶來了近年來此類拆橋事故頻發(fā)的現(xiàn)象。

1 拱橋拆除常用方法分析

拱橋常用拆除方法主要有機(jī)械拆除和爆破拆除兩大類。

1.1 機(jī)械拆除方法

機(jī)械拆除主要是將橋梁上部結(jié)構(gòu)幾乎全部用切割吊運(yùn)（或鑿除破碎）方法分部、分塊進(jìn)行拆除的方法。不同于一般梁式橋拆除，由于拱橋受力情況比較復(fù)雜，拆除時(shí)通常需按拱橋施工逆序、均衡卸載的方式進(jìn)行拆除，需要有非常嚴(yán)格的卸載程序，否則可能導(dǎo)致原有結(jié)構(gòu)出現(xiàn)意外破壞，而發(fā)生安全事故。拱橋正序施工一般采用支架法和預(yù)制吊裝法。拆除時(shí)，按逆序均衡的方式，同樣需要搭設(shè)大型支架支撐后拆除，或者敷設(shè)索道吊裝和扣掛系統(tǒng)，進(jìn)行機(jī)械切割拆除。

這種拆除施工方法臨時(shí)設(shè)施復(fù)雜，卸載程序要求嚴(yán)謹(jǐn)，成本高、周期長(zhǎng)、技術(shù)復(fù)雜，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)河流、航道及周邊環(huán)境影響較小，拆除過程可控、安全。主要在跨繁忙的通航河道、深水區(qū)、城市跨越道路及峽谷不宜爆破地區(qū)的橋梁需要拆除時(shí)有所采用，如重慶武隆峽門口大橋采用了索道吊裝和扣索扣掛拆除[2]，重慶市巴南區(qū)跨內(nèi)環(huán)快速石龍立交跨線橋采用了支架法拆除。

1.2 爆破拆除方法

爆破拆除主要是利用雷管和炸藥對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)的相應(yīng)部位進(jìn)行爆破，以使拱橋解體和破碎的方法。

因橋頭兩岸一般都是建筑密集的區(qū)域，爆破環(huán)境受到限制，需要協(xié)調(diào)及審批的部門多，爆破技術(shù)復(fù)雜，安全措施要求高，施工準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，爆破碎渣落入河道后，可能對(duì)航道和環(huán)境造成一定影響。這種拆除施工方法的優(yōu)點(diǎn)是拆除速度快、效果明顯，可以通過爆破技術(shù)控制倒塌方向、破壞范圍及產(chǎn)生的有害效應(yīng)。爆破拆除方法主要用于旱地和對(duì)河道、周邊建筑影響不大的區(qū)域內(nèi)的橋梁拆除。隨著控制爆破技術(shù)的發(fā)展和居民接受程度提高，城鎮(zhèn)橋梁也在逐漸采用爆破拆除方法，如重慶巫溪大橋和彭水郁江大橋均采用了爆破拆除[3-4]。

隨著國內(nèi)設(shè)備能力的提高，對(duì)一些在特定區(qū)域和特定條件下的舊拱橋，采用機(jī)械直接拆除，使拱橋拆除簡(jiǎn)單、工期短、成本低成為可能。本文通過對(duì)三座雙曲拱橋的拆除方法的研究和實(shí)踐，提供了一種技術(shù)簡(jiǎn)單、安全可控、施工快捷、成本低廉的拱橋拆除技術(shù)。

2 大型挖掘機(jī)配加長(zhǎng)臂拆除施工可行性分析

2.1 當(dāng)前拆除機(jī)械的發(fā)展

目前隨中高層建筑拆除機(jī)械的發(fā)展，大型挖掘機(jī)配三、四段式加長(zhǎng)臂破碎錘（或破碎鉗）在國內(nèi)已是常用拆除設(shè)備（圖1），國內(nèi)從事此類設(shè)備生產(chǎn)配套廠商有50余家，其加長(zhǎng)臂長(zhǎng)度已達(dá)到36m，并有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。

圖1 大型挖掘機(jī)配三段式加長(zhǎng)臂破碎錘

一般挖掘機(jī)會(huì)隨原型機(jī)重、功率等參數(shù)配套不同長(zhǎng)度的三、四段式加長(zhǎng)臂，小松挖掘機(jī)配三段式加長(zhǎng)臂，具體參數(shù)見表1。

加長(zhǎng)臂28m機(jī)型在七層以下樓房拆除施工中廣泛應(yīng)用，更長(zhǎng)的加長(zhǎng)臂機(jī)型有在十層以下樓房拆除施工應(yīng)用的記錄。采用此類機(jī)械設(shè)備進(jìn)行樓房拆除作業(yè)，由于機(jī)械設(shè)備自身先進(jìn)，確實(shí)可以達(dá)到快捷、高效的施工目的。

2.2 大型挖掘機(jī)配加長(zhǎng)臂拆除跨河雙曲拱橋可行性分析

2.2.1 待拆除橋梁概況

表1 小松挖掘機(jī)配三段式加長(zhǎng)臂參數(shù)表

表2 三座舊橋主要數(shù)據(jù)表

粵北山區(qū)三座跨北江支流（連江河、嶺背河）雙曲拱橋因結(jié)構(gòu)安全和使用需求問題，需要進(jìn)行拆除施工。三座舊橋簡(jiǎn)況如表2。

2.2.2 拆除橋梁特點(diǎn)

與拆除中高層建筑相比，拆除粵北山區(qū)跨河雙曲拱橋具有以下不同的特點(diǎn)：

（1）雙曲拱橋縱向呈帶狀布置，建筑高度明顯比中高層建筑低矮，如舊青蓮大橋（圖2），在常水位3.27m時(shí)，拱頂?shù)酌娓叱?2.87m，橋面高程13.87m。

圖2 舊青蓮大橋

（2）與中高層建筑多為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)或剪力墻結(jié)構(gòu)不同，雙曲拱橋的主要承載構(gòu)件是鋼筋混凝土拱肋，在豎直荷載作用下，拱端不僅有豎直反力，還有水平推力。

（3）拆除作業(yè)環(huán)境、條件、施工期存在明顯差別。拆除建筑中高層樓房作業(yè)環(huán)境周圍是地面，主要考慮周圍建筑受限等問題，施工期受季節(jié)影響較小。而拆除雙曲拱橋作業(yè)環(huán)境是河面，主要考慮河面施工平臺(tái)機(jī)械作業(yè)、清渣、環(huán)保等問題，施工期受降雨及河流汛期影響很大。

2.2.3 需解決的問題

將中高層建筑拆除時(shí)采用大型挖掘機(jī)配加長(zhǎng)臂施工的方法引入到粵北山區(qū)跨河雙曲拱橋拆除上，需要解決以下幾個(gè)主要問題：

（1）合理選擇施工期：在枯水期施工，保證施工機(jī)械能到達(dá)安全的拆除位置，避免施工受到河流水位變化的影響；

（2）合理布設(shè)河面施工平臺(tái)和施工道路，保證大型施工機(jī)械具有良好的通過性和操作穩(wěn)定性；

（3）同時(shí)采取措施保證拆除舊橋碎渣不會(huì)造成航道堵塞和河水污染。

（4）選擇合適機(jī)型和加長(zhǎng)臂配置，確保機(jī)械操作位于橋梁拆除的安全范圍內(nèi)。

（5）編制拆除施工安全作業(yè)方案和規(guī)程，并完善應(yīng)急預(yù)案。

只要能夠解決以上問題，就能將大型挖掘機(jī)配加長(zhǎng)臂拆除機(jī)械引入到雙曲拱橋的拆除施工中，發(fā)揮機(jī)械的先進(jìn)性能，達(dá)到安全、快捷、高效的施工目的。

3 大型挖掘機(jī)配加長(zhǎng)臂拆除雙曲拱橋研究與應(yīng)用

3.1 施工期與河流水位選擇

粵北山區(qū)跨河橋其橋下河流水位H水是個(gè)在一段時(shí)期內(nèi)及在一定范圍內(nèi)不斷變化的變量，水位的高低值可用0≤H水≤H水MAX（最大洪水位）表示。

根據(jù)水文資料，連江河流域多年平均降雨量在1400～2200mm之間，自上游至下游遞增，年內(nèi)分配不均勻，多集中在春、夏季，一般在3月中、下旬進(jìn)入雨季[5]。年徑流量為119.8億m3，年內(nèi)分配與降雨趨勢(shì)相近，徑流量主要集中在3—8月（汛期），約占全年70%左右[5]。

在當(dāng)年汛期，河流水位可能達(dá)到H水MAX的高度；而在當(dāng)?shù)睾恿鞫究菟?，河流水位可能接?水位，實(shí)際據(jù)多年觀察，此時(shí)河流水位應(yīng)1.5～2.5m之間，若利用當(dāng)?shù)厮麡屑~工程、水庫調(diào)節(jié)等設(shè)施進(jìn)行調(diào)節(jié)，在短期內(nèi)河流水位可能接近0水位。

拆除施工選在11—2月之間，河流水位較低，非常適當(dāng)采用機(jī)械拆除施工。

3.2 河面施工平臺(tái)

拆除前的基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作是填筑河面施工平臺(tái)，一般要求河面施工平臺(tái)寬度沿舊橋面各加寬5m，長(zhǎng)度沿舊橋縱向考慮河水流量、作業(yè)順序及河床清渣方便等因素，預(yù)留河流過水缺口，填筑時(shí)采用挖掘機(jī)、裝載機(jī)等機(jī)械配合作業(yè)進(jìn)行平整，另在施工平臺(tái)周圍拋砂袋進(jìn)行加固。

河面施工平臺(tái)主要有以下幾方面的作用：一是作為拆除施工機(jī)械的作業(yè)工作面；二是起支承拆舊橋廢料作用，防止舊橋廢料對(duì)河流造成污染；三是方便后期對(duì)舊橋構(gòu)件進(jìn)行破碎和清理，最后是舊橋垮塌后減輕觸地沖擊振動(dòng)起到緩沖層作用。

經(jīng)過研究比較，施工平臺(tái)可以就地取材，采用砂礫填筑水中施工平臺(tái)，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

首先，填料用施工河段附近的砂礫，由于施工上下河段存在挖砂生產(chǎn)作業(yè)，用原河的砂礫填筑水中施工平臺(tái)起支承舊橋廢料的作用，可以減輕對(duì)河水的二次污染，便于解決方案評(píng)審時(shí)環(huán)評(píng)過程中所遇到的環(huán)保問題。

其次，就地取材，方便快捷，成本費(fèi)用低，利于施工作業(yè)的快速推進(jìn)。

最后，工程完工后，水中施工平臺(tái)其水下部分所填砂礫完全可用挖砂船作業(yè)方式清理至河床面，達(dá)到恢復(fù)河道的要求。

3.3 拆除機(jī)型的選擇

據(jù)多次前往中高層建筑拆除施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合幾次拆除雙曲拱橋使用此類機(jī)械設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，考慮到機(jī)械設(shè)備使用自身安全、性能下降和拱橋拆除時(shí)可能發(fā)生連拱倒塌等因素，總結(jié)選用主要拆除機(jī)型一般要滿足以下兩個(gè)的經(jīng)驗(yàn)公式：

（1） Hw×δ≥Hmax；

（2） R×λ≥Hmax×β；

Hmax為拆除機(jī)械駐機(jī)位置平面與待拆橋面的最大高差，一般可取實(shí)測(cè)橋面與施工平臺(tái)最大高差，單位：m；Hw為選擇主要拆除機(jī)型最大挖掘高度，單位：m；δ為選擇主要拆除機(jī)型挖掘高度折減系數(shù)，取值區(qū)間（0，1]，一般可取0.8；R為選擇主要拆除機(jī)型最大挖掘半徑，單位：m；λ為選擇主要拆除機(jī)型挖掘半徑折減系數(shù)，取值區(qū)間（0，1]，一般可取0.9；β為拱橋拆除時(shí)發(fā)生連拱倒塌時(shí)或突然倒塌時(shí)在高度Hmax結(jié)構(gòu)物可能造成破壞的影響系數(shù)，取值區(qū)間（0，3]，一般可取1.25。如舊青蓮大橋?qū)崪y(cè)Hmax為14.29m，參考表1小松挖掘機(jī)配三段式加長(zhǎng)臂參數(shù)表，選用PC300LC-7小松挖掘機(jī)配加長(zhǎng)臂長(zhǎng)22m的設(shè)備作為主要拆除機(jī)型。

實(shí)際上選擇的機(jī)型并非越大型、加長(zhǎng)臂越長(zhǎng)會(huì)越好，因?yàn)榇笮蜋C(jī)太大會(huì)造成功率、性能上的浪費(fèi)，且?guī)砗用媸┕て脚_(tái)通過性較差，穩(wěn)定性較差等問題。若選用機(jī)型只能滿足公式（1）、（2）其中一個(gè)要求，而本區(qū)域機(jī)械選擇面較窄，可采取預(yù)拆除橋上欄桿降低高度或用土工作業(yè)方式抬高機(jī)械駐機(jī)位置等靈活多樣的處理方法。另外同等條件的機(jī)型應(yīng)優(yōu)先選擇有外帶類似裝甲防護(hù)裝置的。

3.4 大型挖掘機(jī)配加長(zhǎng)臂拆除雙曲拱橋方法

拆除機(jī)械駐機(jī)位置平面與待拆橋面的高差H是一個(gè)隨拆除機(jī)械駐機(jī)位置平面的高度不同及拆除橋跨的高度降低而變化的變量，其高差H越大，機(jī)械拆除難度越大，安全性越差。同時(shí)其高差H亦是控制安全距離的重要參數(shù)，拆除施工時(shí)人員機(jī)械設(shè)備嚴(yán)禁進(jìn)入距拆除拱橋長(zhǎng)度為H×β的空間范圍，施工時(shí)拆除機(jī)械駐機(jī)位置應(yīng)在距拆除拱橋長(zhǎng)度為H×β的空間范圍外且安全穩(wěn)定的位置進(jìn)行拆除作業(yè)，此處能充分發(fā)揮大型挖掘機(jī)配加長(zhǎng)臂拆除機(jī)械的先進(jìn)性能。

拱橋拆除施工基于不利用構(gòu)件和材料前提下按 “先非承重，后承重”的拆除原則，由邊跨向中跨的順序推進(jìn)。

拆除機(jī)械進(jìn)入預(yù)定駐機(jī)位置后，對(duì)近橋臺(tái)（墩）橋面上的鋪裝板、欄桿進(jìn)行預(yù)先鑿除，使之與橋臺(tái)（墩）分離；其次拆除腹拱等拱上結(jié)構(gòu)，同時(shí)降低拆除高度；最后的拆除是先拆近橋臺(tái)（墩）拱波后鑿斷拱肋端部，鑿除拱肋的次序應(yīng)先外后內(nèi)，盡量使舊橋拱跨上部所有構(gòu)件垂直塌入河面施工平臺(tái)，防止廢渣落入河中難以清理造成河道通行隱患。因雙曲拱橋主要承載構(gòu)件是拱肋，根據(jù)受力分析，拆除拱肋端部區(qū)域最容易使拱橋的力學(xué)平衡體系受到破壞而產(chǎn)生坍塌，同時(shí)，橋跨上構(gòu)自身重力作用從一定高度倒塌下來產(chǎn)生的沖擊力會(huì)使橋跨起到初始分解的效果，再用機(jī)械進(jìn)一步破碎分解，可以達(dá)到安全清運(yùn)的目的。

在上部結(jié)構(gòu)下落后，用普通帶液壓破碎錘的挖掘機(jī)利用施工便道對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)以及橋臺(tái)（墩）基礎(chǔ)進(jìn)一步破碎分解，破碎后廢渣用挖掘機(jī)裝車棄置。

3.5 拆除施工時(shí)的安全技術(shù)措施

施工前應(yīng)對(duì)舊橋拆除施工區(qū)域進(jìn)行圍蔽、隔離，禁止與施工無關(guān)的人員、設(shè)備及船只通過，同時(shí)根據(jù)H×β計(jì)算數(shù)據(jù)標(biāo)記前跨拆塌后至后跨拆除前禁止施工人員、機(jī)械進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域，并做好相應(yīng)防護(hù)措施。在進(jìn)行機(jī)械拆除時(shí)注意警戒，確保施工人員和施工機(jī)械、周圍船只的安全。

拆除邊跨時(shí)，拆除機(jī)械駐機(jī)位置在橋臺(tái)后側(cè)，此時(shí)H數(shù)值基本接近于零，處于相對(duì)安全的拆除狀態(tài)；而Hmax數(shù)值基本在跨中段拆除時(shí)出現(xiàn)，為最危險(xiǎn)的拆除狀態(tài)。因拱橋水平推力的影響，需從圖紙、實(shí)測(cè)的拱跨結(jié)構(gòu)與橋墩詳細(xì)數(shù)據(jù)中分析判斷在拆除時(shí)是否存在連拱作用。應(yīng)對(duì)措施是：在拱頂位置布置觀測(cè)點(diǎn)，用測(cè)距儀連續(xù)監(jiān)測(cè)拆除時(shí)縱向、橫向位移的變化，建立計(jì)算模式，計(jì)算出需監(jiān)測(cè)點(diǎn)的允許位移值，作為發(fā)出預(yù)警信號(hào)的依據(jù)。一般實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：在前跨倒塌之前和之后縱向位移不超過±2mm，且倒塌后60min內(nèi)縱向位移變化不超過±1mm，可以開始后跨施工，但仍禁止進(jìn)入距后跨H×β的空間范圍內(nèi)。

3.6 實(shí)施效果

經(jīng)過研究，大型挖掘機(jī)配加長(zhǎng)臂拆除技術(shù)在粵北山區(qū)跨河三座雙曲拱橋的拆除施工的應(yīng)用中，三座雙曲拱橋施工期安排都避開當(dāng)?shù)睾恿餮雌?，拆除施工期間河流水位較低。

特別是最后拆除的舊陽山大橋施工期安排在當(dāng)年12月中旬至次年1月上旬，為當(dāng)?shù)睾恿鞫究菟夂狡冢谑┕ず笃谇謇砼f橋碎渣和水中橋墩期間，與當(dāng)?shù)貥蛄荷嫌嗡麡屑~工程協(xié)商，短期內(nèi)大大降低河流水位。

三座雙曲拱橋均采用了就地取材，采用砂礫填筑河面施工平臺(tái)，減輕對(duì)河水二次污染，解決了方案評(píng)審時(shí)環(huán)評(píng)過程中所遇到的環(huán)保問題，同時(shí)施工方便快捷，成本費(fèi)用低。

大型挖掘機(jī)配加長(zhǎng)臂在拆除雙曲拱橋這種特殊工況時(shí)，完全不存在普通拆除機(jī)械時(shí)常面臨的“鞭長(zhǎng)莫及”的窘境，亦不需高平臺(tái)、高支架等輔助設(shè)備，保證在安全區(qū)域內(nèi)、在超大作業(yè)范圍內(nèi)、從容不迫按預(yù)定作業(yè)程序進(jìn)行拆除施工。經(jīng)三座雙曲拱橋拆除實(shí)踐可知，完全拆除舊橋其作業(yè)時(shí)間為1～3d，施工作業(yè)安全高效，完美達(dá)到預(yù)定的舊橋拆除目標(biāo)。該拆除方法與爆破拆除、其它機(jī)械拆除方法相比，費(fèi)用低廉，施工技術(shù)控制簡(jiǎn)單、直接、有效，具有簡(jiǎn)單、安全、快捷、價(jià)低的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

大型挖掘機(jī)配三、四段式加長(zhǎng)臂破碎錘（或破碎鉗）在國內(nèi)已是常用拆除設(shè)備，使用價(jià)格相對(duì)合理。由于工程施工裝備的發(fā)展會(huì)帶來工程施工技術(shù)、工藝的變革，這種機(jī)械拆除技術(shù)在粵北山區(qū)跨河三座雙曲拱橋拆除施工的實(shí)踐證明，通過選擇合理的施工期、布設(shè)合理的河面施工平臺(tái)道路、配置合適機(jī)型加長(zhǎng)臂及編制拆除施工安全作業(yè)方案規(guī)程，完全適合河流流量隨季節(jié)變化明顯的山區(qū)雙曲拱橋拆除工程。因此大型挖掘機(jī)配加長(zhǎng)臂拆除雙曲拱橋的施工技術(shù)不僅為粵北山區(qū)雙曲拱橋拆除提供了一種簡(jiǎn)單、安全、快捷、價(jià)低的施工技術(shù)和案例，亦可為跨常水位較淺等類似工況條件下的雙曲拱橋或其它類型的橋梁拆除提供技術(shù)和案例參考。