施工監(jiān)控狀態(tài)下病害閘拱橋的拆除

陳旭勇，周 揚(yáng)，楊宏印

武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074

拱橋是一種古老的橋梁建筑形式，在我國(guó)公路、鐵路橋梁上有廣泛應(yīng)用［1-2］。近年來(lái)，由于運(yùn)營(yíng)年限的增加，之前修建的橋梁會(huì)逐漸出現(xiàn)不同程度的病害，導(dǎo)致承載能力下降，嚴(yán)重影響橋梁的安全性。因此，舊橋的拆除改造將是未來(lái)橋梁工程師研究的熱門課題之一［3-6］。拆橋是建橋順序的逆向?qū)嵤嬖谥T多不確定安全風(fēng)險(xiǎn)和非常規(guī)的操作，技術(shù)難度較大。拆除橋梁的方法主要包括爆破法［7-8］和非爆破法［9-11］，非爆破法包括機(jī)械移除法［9］、切割法［10］、建橋逆工序拆除法［11］等。

經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)，橋梁的某個(gè)構(gòu)件或連接件可能存在局部損傷、疲勞損傷等病害，并且有些病害不易發(fā)現(xiàn)，不易檢測(cè)，而這些病害會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性有不同程度的下降，影響結(jié)構(gòu)安全［12-13］。各種病害累積到一定程度,需要對(duì)其拆除。橋梁的拆除存在一定的技術(shù)難度，且計(jì)算分析結(jié)果精度也較難確定，特別是特殊橋梁，應(yīng)謹(jǐn)慎拆除［14-15］。在舊橋的拆除過(guò)程中，施工監(jiān)測(cè)是對(duì)施工安全和工程質(zhì)量進(jìn)行定量控制的有效手段。工程中，常用的監(jiān)測(cè)方法為在關(guān)鍵位置和斷面埋設(shè)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力、內(nèi)力監(jiān)測(cè)，以實(shí)時(shí)指導(dǎo)施工，必要時(shí)采取相關(guān)措施，保障施工安全。以某連拱閘橋?yàn)槔瑢?duì)其上部結(jié)構(gòu)提出拆除施工方案，開(kāi)展閘拱橋拆除施工方法和安全監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 工程概況

該橋?yàn)橐蛔缍?0.7 m+21×11.4 m+10.7 m 圬工連拱橋（見(jiàn)圖1），水閘與橋梁合為一體，同時(shí)具有交通通行和蓄水泄洪功能。該橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-13 級(jí)、掛車-100。橋梁全長(zhǎng)260.8 m，與河渠正交。全橋共23 跨，拱肋為圓弧拱，每孔凈跨徑10 m，矢高3.9 m，矢跨比1/2.564。下部結(jié)構(gòu)為重力式墩臺(tái)配擴(kuò)大基礎(chǔ)。

經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)，橋梁部分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定程度的病害。通過(guò)檢測(cè)及專家評(píng)審確定利用下部結(jié)構(gòu)，改造拆除上部結(jié)構(gòu)。改建工程包括：拆除上部結(jié)構(gòu)，保留原橋墩臺(tái)和基礎(chǔ)，并對(duì)原橋墩橋臺(tái)及基礎(chǔ)維修加固，最后將舊橋改造成多跨連續(xù)簡(jiǎn)支梁橋。橋梁改造成功與否，關(guān)鍵在于舊橋上部結(jié)構(gòu)是否順利拆除。

圖1 大橋立面圖Fig.1 Elevation of the bridge

2 病害與控制

該橋共23 跨，第3～20 跨為預(yù)制主拱圈標(biāo)準(zhǔn)跨，第1、2、22、23 跨主拱圈為現(xiàn)澆跨。標(biāo)準(zhǔn)跨由21 片寬0.5 m 的拱肋拼裝而成，相鄰拱肋由水泥砂漿進(jìn)行黏合。目前部分拱肋間黏合砂漿出現(xiàn)縱向裂縫和脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致拱肋滲水腐蝕、碳化加快的情況，其中第6 拱跨損傷最為嚴(yán)重，如圖2（a）所示?，F(xiàn)澆拱跨由C20 混凝土澆筑而成，拱底面凹凸不平，施工質(zhì)量較差?，F(xiàn)澆拱中第1 跨損傷最嚴(yán)重，如圖2（b）所示，跨中存在明顯橫向裂縫，拱圈碳化嚴(yán)重。橋梁墩、臺(tái)及基礎(chǔ)狀況較好，無(wú)結(jié)構(gòu)性損壞。標(biāo)準(zhǔn)跨中拱肋黏合物的脫落，減弱了拱肋間的橫向聯(lián)系，主拱圈整體剛度減小，變形增大?，F(xiàn)澆拱中出現(xiàn)的橫向裂縫若進(jìn)一步發(fā)展，形成貫穿性裂縫，則可能發(fā)生塌孔事故。

圖2 拱圈病害：（a）第6 拱跨，（b）第1 拱跨Fig.2 Diseases of arch spans：（a）6#arch span，（b）1#arch span

為防止病害孔跨在拆除過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)度變形、超限裂縫、孔跨坍塌等情況，在前期需要對(duì)病害孔跨預(yù)先進(jìn)行臨時(shí)加固。存在病害的現(xiàn)澆孔跨都臨近橋臺(tái)，可預(yù)先搭設(shè)滿堂支架，分擔(dān)拱圈荷載；對(duì)于有病害的預(yù)制拱跨，可在跨中增設(shè)臨時(shí)豎向支撐和墩頂設(shè)置縱向支撐，以增加病害拱跨承載能力。

3 閘拱橋拆除方案

3.1 方案原則

1）維持主體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。本橋?yàn)槎嗫邕B拱閘橋，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，橋梁拆除不能影響閘門正常使用。

2）減少對(duì)橋墩及基礎(chǔ)的擾動(dòng)。在滿足主體結(jié)構(gòu)安全的前提下，盡量減少對(duì)橋墩及基礎(chǔ)的擾動(dòng)。

3）施工可行性。結(jié)合工程實(shí)際條件，制定合理施工方案，提高工程實(shí)施的可行性。

3.2 施工方案分析

本橋的拆除是一個(gè)拱跨不斷卸載的過(guò)程，不同施工步驟對(duì)橋梁主體受力結(jié)構(gòu)均有一定影響，拱上填料的挖除、側(cè)墻的拆除和拱跨的拆卸，都會(huì)改變結(jié)構(gòu)的剛度和孔跨的受力情況，單孔橋跨拆除還會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)變，這些工序?qū)蛄悍€(wěn)定性均有顯著影響。另一方面，上部結(jié)構(gòu)的卸除會(huì)不斷削弱橋墩的重力錨固作用，不利于大閘的安全。

連拱橋在荷載作用下存在連拱效應(yīng)，通過(guò)王國(guó)鼎［16］的研究，當(dāng)橋墩的抗推剛度大于38 倍的主拱圈抗推剛度時(shí)，活載計(jì)算誤差不超過(guò)5%，可近似按固定拱計(jì)算，忽略連拱效應(yīng)。本橋計(jì)算顯示，當(dāng)孔跨逐步增加時(shí)，外荷載的影響效果逐孔遞減，傳遞至第2 孔時(shí)，傳遞的水平推力降至17.5%左右，到第5 孔時(shí)，小于1%。因此，本橋主拱和橋墩剛度關(guān)系不能達(dá)到按固定拱計(jì)算的要求，連孔效應(yīng)不可忽略。

由于該橋需要保護(hù)下部結(jié)構(gòu)及大閘安全，不能進(jìn)行整體爆破，拆除施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大，若某一孔出現(xiàn)塌孔，則可能發(fā)生多米諾效應(yīng)，從而造成連續(xù)塌孔的嚴(yán)重后果。綜合考慮，可采用非爆破的建橋逆工序拆除法拆除該橋上部結(jié)構(gòu)，總體分為挖除拱上填料及拆除拱圈2 個(gè)步驟。該橋較長(zhǎng)，縱向拆除采用從跨中向兩側(cè)對(duì)稱作業(yè)的方式進(jìn)行。

3.2.1 挖除拱上填料 拱上填料的挖除是整個(gè)過(guò)程最為關(guān)鍵的步驟。本橋橋跨較多，拱上填料卸除工程量較大，若對(duì)其中一孔直接挖除，根據(jù)有限元軟件Midas 計(jì)算，拱腳會(huì)發(fā)生最大位移6.05 mm，橋墩產(chǎn)生最大彎矩15 309 kN·m，截面最大應(yīng)力3.55 MPa，此時(shí)橋墩已經(jīng)破壞，不滿足方案原則，故拱上填料必須逐層挖除。逐層挖除的關(guān)鍵是挖除厚度的控制。若一次挖除層厚太大，產(chǎn)生較大的不平衡推力，可能對(duì)下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響；若挖除層厚太小，則不易施工，也會(huì)增加工作量，延長(zhǎng)工期。因此需要確定合理的挖除層厚，現(xiàn)擬定以下2 個(gè)實(shí)施方案：

方案1：拱圈頂部以上1.9 m 層厚填料按2 層（1.0 m+0.9 m）進(jìn)行挖除，剩余部分（0～3.5 m 厚）一次性逐孔挖除，工序見(jiàn)圖3（a）。

圖3 方案比較：（a）方案1，（b）方案2Fig.3 Comparison of schemes：（a）Scheme 1，（b）Scheme 2

方案2：拱圈頂部以上按3 層進(jìn)行挖除，首先挖除拱頂上填料1.4 m（0.7 m+0.7 m）厚，再挖除橋墩頂部填料0～1.9 m 厚，最后挖除剩余部分0.5～1 m 厚，工序見(jiàn)圖3（b）。

通過(guò)有限元MIDAS/Civil 軟件建模分析，各方案計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 拱上填料挖除方案計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of packing excavation scheme

方案1 的優(yōu)點(diǎn)在于少一個(gè)施工步驟，但增加了每次的挖除厚度，導(dǎo)致橋墩受到的水平推力和變形較大。方案2 雖然施工步驟復(fù)雜一些，但橋墩受力和變形有明顯改善，應(yīng)力峰值下降約55%，整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，且不會(huì)破壞閘門的使用性能。綜合考慮，最終采用方案2。

在卸載過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)拱頂反拱的現(xiàn)象，其原因是在挖除過(guò)程中局部填料卸載過(guò)快導(dǎo)致的，為了減小反拱值，在挖除填料過(guò)程中要均勻?qū)ΨQ卸載，盡量避免荷載集中，橋上施工機(jī)械設(shè)備等移動(dòng)荷載控制在10 t以內(nèi)。

3.2.2 拆除拱肋 在拆除拱肋時(shí)，若對(duì)某孔拱肋直接完全拆除，墩頂產(chǎn)生位移1.6 mm，最大水平推力341 kN，滿足要求。由于本橋較寬，無(wú)法一次性吊卸，可先采用機(jī)械切割，再進(jìn)行卸除。拆除時(shí)，從中跨向兩側(cè)推進(jìn)，均衡對(duì)稱施工，盡量減小對(duì)下部結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。

該橋作為閘橋，上部結(jié)構(gòu)的拆除會(huì)導(dǎo)致整個(gè)壩體的重量減小，從而降低整體的抗滑穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)水力計(jì)算，在上部結(jié)構(gòu)完全拆除、上游蓄水達(dá)到最高水位（H=22.12 m）時(shí)，壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：KC=1.34＞［KC］=1.2，滿足要求。為增加施工的安全性和可操作性，施工作業(yè)應(yīng)在枯水期進(jìn)行。

3.3 施工步驟

根據(jù)以上計(jì)算分析和該橋的實(shí)際情況，使用建橋逆工序拆除法，采用人工及機(jī)械相互配合進(jìn)行施工，實(shí)施步驟為：

第一階段：施工前準(zhǔn)備。①搭設(shè)支架及臨時(shí)支撐；②拆除附屬設(shè)施；③開(kāi)閘泄水，將上游水位維持在一個(gè)較低水平（h＜1 m）。

第二階段：拆除拱上結(jié)構(gòu)。①安裝監(jiān)控設(shè)施；②從中跨向兩側(cè)對(duì)稱拆除橋面系；③再?gòu)闹锌缦騼蓚?cè)同步對(duì)稱施工，逐層挖除拱上填料及側(cè)墻，挖除工序見(jiàn)圖3（b）。

第三階段：拆除主拱圈及護(hù)腳。拆除拱肋時(shí)以橋跨中心線為對(duì)稱軸，從中間一孔向兩側(cè)橋頭進(jìn)行拆除，上部結(jié)構(gòu)全部拆除完畢后再進(jìn)行下一步的改造。

為確保下部結(jié)構(gòu)的安全，拆除過(guò)程必須嚴(yán)格控制各橋墩承受的不平衡水平推力及墩身混凝土拉應(yīng)力，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)控，保證工程安全。

4 施工監(jiān)控

本橋拆除施工中監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容有：橋墩變形監(jiān)測(cè)和橋墩應(yīng)力監(jiān)測(cè)。橋墩變形采用平面控制網(wǎng)法監(jiān)測(cè)橋墩墩頂空間位移：在橋墩墩頂外側(cè)貼反射貼片標(biāo)記位移觀測(cè)點(diǎn)（共24 個(gè)），利用加密的平面工作基點(diǎn)，采用免棱鏡測(cè)量技術(shù)，用極坐標(biāo)法和角度交會(huì)法測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)每次測(cè)量的坐標(biāo)值計(jì)算變位量。橋墩應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用表貼式應(yīng)變計(jì)法，在橋墩底部?jī)蓚?cè)面各安裝1 個(gè)應(yīng)變計(jì)，選取8 個(gè)橋墩共計(jì)安裝16 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

4.1 拆除過(guò)程仿真分析

采用有限元軟件MIDAS/Civil 進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明：在拱上恒載的卸除及拱圈拆卸過(guò)程中，橋墩及拱腳受不平衡水平力影響，會(huì)出現(xiàn)向已挖除側(cè)偏移的趨勢(shì)。當(dāng)卸載作業(yè)面逐步靠近研究孔（第4 孔）時(shí)，該孔墩頂及拱腳位移如圖4（a）所示，先逐步變大，當(dāng)作業(yè)面到達(dá)拱腳處時(shí)，位移達(dá)到峰值，之后再逐漸減小，循環(huán)多次。整個(gè)過(guò)程中，最大位移為1.8 mm，不超過(guò)2 mm。拱頂撓度如圖4（b）所示，當(dāng)卸載作業(yè)面經(jīng)過(guò)研究孔時(shí)，受拱上荷載單側(cè)卸載影響，拱頂會(huì)出現(xiàn)反拱現(xiàn)象，反拱幅度值約2 mm，最大反拱值約為0.5 mm。

在整個(gè)拆除過(guò)程中，橋墩所受的水平推力與拱腳位移變化一致，當(dāng)作業(yè)面靠近研究孔時(shí)，橋墩不平衡水平推力增大，遠(yuǎn)離研究孔時(shí)則減小。如圖4（c）和圖4（d）所示，第3 孔與第4 孔之間的橋墩所受的不平衡推力最大值為528 N，墩身產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力為1.64 MPa，最大拉應(yīng)力為0.40 MPa。根據(jù)計(jì)算，墩頂位移在-3～3 mm 范圍內(nèi)，橋墩截面應(yīng)力變化在-2～2 MPa 之間，橋梁整體結(jié)構(gòu)為安全狀態(tài)。為盡量減少橋墩截面拉應(yīng)力的出現(xiàn)，施工前可在橋墩墩頂架設(shè)縱向支撐，減小推力及彎矩，也可防范偶然事故的發(fā)生，減少人員和財(cái)產(chǎn)傷害。

4.2 實(shí)際監(jiān)控

圖4 拱圈及橋墩應(yīng)力應(yīng)變：（a）墩頂位移，（b）拱頂撓度，（c）墩頂水平推力，（d）橋墩應(yīng)力Fig.4 Stress and strain of arch and pier：（a）displacement of pier top，（b）deflection of arch bridge top，（c）horizontal thrust of pier top，（d）pier stress

根據(jù)計(jì)算及相關(guān)規(guī)范要求設(shè)置施工監(jiān)控指標(biāo)，監(jiān)控控制指標(biāo)為：墩頂位移的日變化預(yù)警值和累計(jì)變化預(yù)警值，以及橋墩應(yīng)力的日變化預(yù)警值和累計(jì)變化預(yù)警值。墩頂位移日變化預(yù)警值為3 mm、累計(jì)變化預(yù)警值為4 mm，橋墩截面應(yīng)力日變化預(yù)警值為1.0 MPa、累計(jì)變化預(yù)警值為1.5 MPa。在未進(jìn)入拆除拱肋階段前，主拱圈若出現(xiàn)新增裂縫或原裂縫擴(kuò)大的情況，應(yīng)立即停止施工，查明原因。

根據(jù)實(shí)際監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，墩身應(yīng)力日變化值峰值為0.8 MPa，小于1.0 MPa，變化累計(jì)小于1.5 MPa；墩頂水平位移峰值為2 mm，小于3 mm，變化累計(jì)在4 mm 之內(nèi)。橋墩墩頂位移如圖5 所示。

圖5 墩頂位移監(jiān)測(cè)圖Fig.5 Monitoring charts of displacement of pier top

由圖5 可知，監(jiān)測(cè)與建模分析基本符合，但存在一定偏差，但總體變化范圍仍在監(jiān)控控制范圍內(nèi)。產(chǎn)生偏差的因素可能有測(cè)量誤差、施工作業(yè)、環(huán)境溫度和天氣等。

實(shí)際施工中每一步的具體實(shí)施與設(shè)計(jì)方案不可能完全一致，如拱上填料的不均衡卸載、支架的搭設(shè)及小型機(jī)械作業(yè)震動(dòng)均會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而影響測(cè)量數(shù)據(jù)。因此，在施工過(guò)程中要盡量按照擬定方案進(jìn)行作業(yè)，不可隨意更改施工步驟。

環(huán)境溫度也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。通過(guò)計(jì)算分析，結(jié)果表明：采用單拱模型時(shí)，當(dāng)溫度上升10 ℃時(shí)，拱底標(biāo)高均有所上升，拱頂處最大，為4.3 mm，水平推力增加92 kN，約為水平推力峰值的20%；當(dāng)溫度下降10 ℃時(shí)，拱底標(biāo)高均下降，拱頂處最大，下降2.2 mm，水平推力增加46 kN，約為水平推力峰值的10%。因此，環(huán)境溫度對(duì)結(jié)構(gòu)也有一定的影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

連拱閘拱橋拆除及改造工程國(guó)內(nèi)外實(shí)例較少，經(jīng)驗(yàn)不足。本方案研究在滿足下部結(jié)構(gòu)和大閘不受損壞的前提下，結(jié)合施工監(jiān)控，通過(guò)建橋逆工序拆除法，安全有序地拆除上部結(jié)構(gòu)。在拆除過(guò)程中，墩頂最大位移為2 mm，變化累計(jì)在4 mm之內(nèi)；墩身應(yīng)力日變化值峰值為0.8 MPa，變化累計(jì)小于1.5 MPa，符合預(yù)期計(jì)算結(jié)果，滿足要求。該橋上部結(jié)構(gòu)的拆除研究可為今后類似工程提供參考和借鑒。