基于SPMT的高速公路天橋拆建技術(shù)研究

張上偉

(中鐵十二局集團第一工程有限公司 陜西西安 710038)

1 引言

沈陽至海口高速公路水口至白沙段是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃“二縱”G15沈陽至?？趪腋咚俟返闹匾M成部分，也是廣東省“十縱五橫兩環(huán)”高速公路主骨架中第五條橫線，現(xiàn)日均車流量達到9.2萬次[1]。既有高速公路已無法滿足現(xiàn)有交通量，因此需進行改擴建。其中，T2標段既有上跨天橋的橋墩位于拓寬路基上，均需拆除重建。由于傳統(tǒng)爆破、機械鑿除或切割吊裝等方式拆除上跨運營高速公路天橋具有高速交通封閉次數(shù)多、時間長(10～13 h)、社會影響大、安全風險高等缺點。因此需采用新設(shè)備和新施工工藝，并制定合理的拆除方案[2]。

自行式模塊運輸車(Self-Propelled Module Transporters，簡稱SPMT)不僅可以進行高度調(diào)節(jié)，還可進行多種模式獨立轉(zhuǎn)向[3-4]，以SPMT為核心對舊橋進行整體拆除移運、對新橋進行整體運輸安裝，符合橋梁改造的發(fā)展趨勢[5]。因此沈海高速公路水口至白沙段T2標段的天橋拆除重建項目經(jīng)方案比選后采用SPMT技術(shù)進行。

2 擬拆、建天橋概況

沈海高速公路水口至白沙段T2標段的舊橋拆除與新橋建設(shè)同時進行，且新橋與舊橋相鄰。為揭示橋梁正交與斜交對SPMT移運過程的影響，以該標段中的一座正交橋梁(1#)與一座斜交橋梁(2#)為例進行相關(guān)研究，1#和2#橋址處舊橋與新橋概況如表1所示。

表1 舊橋與新橋概況

3 天橋拆、建方案

針對既有跨線天橋不同的結(jié)構(gòu)體系及形式，首先通過現(xiàn)場調(diào)查，確定每座天橋模塊車存放場地、拆除后梁體鑿除場地或新建梁部拼裝場地；其次，分析確定模塊車移運路徑并經(jīng)BIM全程模擬，保證移運線路免受各維度施工條件的影響；最后，在不影響行車條件下采用繩鋸對橋梁進行切割，使用SPMT整體移運到指定場地再進行破碎，實現(xiàn)對橋梁的快速拆除。新建天橋施工工序與拆除相反。

天橋拆除新建施工流程如圖1所示，整個過程僅需封閉交通3 h，并可進行應(yīng)急通車。

圖1 施工流程

4 天橋拆、建關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 舊橋切割防卡繩研究

使用SPMT移運舊橋前需將舊橋中跨部分梁體從整橋上進行切割。目前，金剛繩鋸切割在工程中的應(yīng)用較為廣泛，但切割過程中切割縫寬度會逐漸變小，極易發(fā)生卡繩現(xiàn)象。常規(guī)解決方法為在切縫中塞墊鋼板，但鋼墊板由于無法固定，拆除時易發(fā)生滑落，引發(fā)安全事故，且影響施工進度。

為保障施工安全及加快施工進度，縮短橋下公路交通中斷時間，亟需解決混凝土切割過程中的卡繩問題，項目研發(fā)了一種在繩鋸切割過程中防卡繩裝置[6]，保障了切割安全及進度，防卡繩裝置見圖2。

圖2 防卡繩裝置示意

防卡繩裝置由鋼板、長絲桿和膨脹螺栓等組成。首先根據(jù)切割構(gòu)件的大小、重量以及受力情況等，選擇厚度不等的鋼板(厚度為10～20 mm)，鋼板尺寸為15 cm×40 cm。在兩塊鋼板上分別開3個孔，然后將兩塊鋼板長邊焊接成L型，中間加設(shè)加勁板。

當切割的繩鋸完全進入混凝土或者結(jié)構(gòu)物時，使用膨脹螺栓在切縫兩側(cè)各固定一個防卡繩裝置，在鋼板I外側(cè)的兩個對應(yīng)孔中穿入長絲桿，靠近鋼板兩側(cè)安裝墊片及兩個螺母，利用螺母向相反方向旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反推力防止切縫向內(nèi)收斂。

在鋼板I中間孔內(nèi)穿設(shè)一根不帶螺母的螺栓，在兩個鋼板I中間螺栓上填塞帶孔鋼板。該鋼板總厚度可隨L型鋼之間的距離進行調(diào)整。在施工過程中，隨時可停止切割，檢查切縫變化，并旋緊螺母，在中間位置螺栓上持續(xù)加墊鋼板，保證切縫寬度，防止卡繩。

4.2 舊橋移運防碰撞研究

由表1可知，1#天橋與高速公路正交，施工時采用平面正八字、立面倒八字的切割方式，沿高速公路將梁體順利移出，若采用相同切角移除2#斜交天橋，切塊梁體在移出時將與剩余梁體發(fā)生碰撞，BIM碰撞模擬[7]見圖3，因此可見斜交橋切塊梁體發(fā)生碰撞的主要原因是梁體切口形狀與移出路徑的不匹配。

圖3 2#天橋移出模擬(正切斜行)

經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，為避免碰撞，梁體切口形狀和移運路徑應(yīng)滿足如下的關(guān)系:移運路徑需在梁體兩端切割線所成夾角之間[8]。

根據(jù)現(xiàn)場情況提出了兩種避免移運過程中發(fā)生碰撞的改進方案，分別如圖4、圖5所示。

圖4 梁體切口形狀示意

圖5 梁體移運路徑示意

(1)方案一:改變梁體切口形狀

運梁車通常沿高速公路行駛，根據(jù)上述分析，改變梁體切口形狀可以避免碰撞的發(fā)生。如圖4所示，橋梁拆除施工時通常將梁體切成八字形方便梁體移出，虛線1是與高速公路方向平行的切割線，只有當左邊切割線位于虛線1的內(nèi)側(cè)時，梁體方能避免碰撞。該項目舊橋為連續(xù)梁橋，切割后梁體兩端為原支座處，梁體存在實心段，不便切割，因此在施工時應(yīng)避開梁體實心部分，盡量切割空心箱室。圖4中給出了幾種切割情況，經(jīng)BIM[9-10]動態(tài)模擬后發(fā)現(xiàn)梁體均可順利移出，無碰撞現(xiàn)象，建議在施工時采用左2右4的切割形狀，既方便切割又方便移出。

(2)方案二:改變移運路徑

若2#橋與1#橋采用同樣的切口形狀，如圖5所示，則梁體初始移出路徑也應(yīng)保持相同。即運梁車不沿高速公路行駛，而是沿著梁體兩端切割線形成的夾角中心線行駛。但原高速公路路面寬度不足，為保證運梁車行駛的平穩(wěn)性，需將部分路面進行平整處理，充分利用高速公路原有路面可使平整場地的面積最小。最終移運路經(jīng)為:運梁車首先沿垂直橋面的方向移出橋位，然后斜行到公路原有路面，最后經(jīng)過旋轉(zhuǎn)沿高速公路行駛至存梁場地，如圖5中①→②→③所示。BIM動態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)梁體無碰撞，施工可行，也印證了前文結(jié)論的準確性。圖5中內(nèi)側(cè)陰影面積即為平整場地的極限最小面積19 m2，外側(cè)陰影區(qū)域為向外擴展1 m安全距離后的相對安全面積36 m2。

總結(jié)以上研究，在應(yīng)用SPMT工法進行舊橋拆除施工時，首先應(yīng)根據(jù)橋位周圍地理環(huán)境，選取合理的移運路徑(例如:沿高速公路方向)，且移運路徑需在梁體兩端切割線所成夾角之間；其次，設(shè)計合適的切口形狀，最后將梁體移出橋位。兩種方案均能夠有效避免梁體移出橋位時發(fā)生碰撞現(xiàn)象，同時也能避免現(xiàn)場二次切割，提高梁體移運效率。

4.3 新橋移運支座脫空分析及防脫空措施

在運梁車移運過程中，由于路面不平整、SPMT啟，制動等因素，移運過程中可能出現(xiàn)支座脫空[11]現(xiàn)象，在分別對正交和斜交30 m鋼混組合梁橋進行分析后，將支座脫空工況分為:正交橋支座脫空、斜交橋鈍角支座脫空和斜交橋銳角支座脫空三種工況，如圖6所示。

圖6 支座脫空工況

新建梁體每片梁分別設(shè)有4個支座，兩側(cè)共有8個支座，當發(fā)生支座脫空時，由于脫空的支座不對稱，兩片梁受力不一致，故將梁1和梁2的受力均列示。由計算可得不同支座脫空情況下梁體的應(yīng)力如圖7所示。圖7中梁1坐標為0～30m，梁2坐標為30～60 m。

圖7 新橋梁體不同支座脫空情況應(yīng)力圖

由圖7可以看出支座脫空對梁體影響非常大:正交橋支座脫空時上緣壓應(yīng)力由1.58 MPa增大到7.15 MPa，下緣拉應(yīng)力由16.6 MPa增大到77.3 MPa，應(yīng)力最大增加4.66倍；斜交橋鈍角支座脫空時上緣壓應(yīng)力由1.63 MPa增大到6.52 MPa，下緣拉應(yīng)力由18.9 MPa增大到71.7 MPa，應(yīng)力最大增加4倍；斜交橋銳角支座脫空時上緣壓應(yīng)力由1.54 MPa增大到8.32 MPa，下緣拉應(yīng)力由17.4 MPa增大到90.4 MPa，應(yīng)力最大增加5.4倍。因此，在移運30 m鋼混組合梁時支座脫空引起梁體應(yīng)力至少增大4倍，斜交橋銳角支座脫空比鈍角支座脫空引起應(yīng)力增幅更大。

由上述分析可知在移運時須防止出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象，尤其是斜交橋銳角支座脫空，因此項目研究了一種臨時固定裝置，如圖8所示，固定裝置主要由兩塊鋼板和加勁板組成，鋼板-A與馱運支架用螺栓固定，鋼板-B與梁體緊密連接，該裝置可將梁體與馱運支架緊密固定[12]，有效避免了移運過程中的支座脫空現(xiàn)象。

圖8 臨時固定裝置

5 結(jié)論

(1)防卡繩裝置避免了金剛繩鋸切割時的卡繩現(xiàn)象，提高了切割效率。

(2)運梁車移運路徑需在梁體兩端切割線所成夾角之間，可使斜交跨線橋一次切割完成，整體移出橋位，避免碰撞。

(3)支座脫空會使梁體產(chǎn)生較高的應(yīng)力，斜交橋銳角支座脫空對梁體更不利。采用臨時固定裝置，可有效避免移運過程中出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象。

(4)該項目采用SPMT工法整體拆建天橋具有對既有高速公路封閉時間短，社會影響小的優(yōu)點，工期提前40 d，節(jié)約施工成本300余萬元，經(jīng)濟效益顯著。