磨刀門特大橋船撞橋墩快速重建工程技術(shù)研究

孔令元， 鞏健

(1.廣東省公路建設(shè)有限公司， 廣東 廣州 510623； 2.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院)

近年來，橋墩遭受船舶撞擊事故時(shí)有發(fā)生，橋墩損傷后往往需要長(zhǎng)時(shí)間封閉維修，嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)外橋墩拆除重建工程大多采用以下施工方案：① 在橋下搭設(shè)支架，拆除橋梁上部結(jié)構(gòu)；② 在受損橋墩附近搭設(shè)施工平臺(tái)及圍堰，對(duì)原樁基礎(chǔ)進(jìn)行拔除或加固；③ 在原位重建橋墩及橋梁上部結(jié)構(gòu)。這些施工方案能夠使重建結(jié)構(gòu)與原橋基本保持一致，但是不能利用原上部結(jié)構(gòu)，工期較長(zhǎng)，施工期間交通完全中斷。上海斜塘大橋、廣州洪奇瀝大橋和珠海蓮溪大橋等橋墩重建均采用此種施工方案。江都夾江大橋被撞橋墩重建方案有所創(chuàng)新，保留了原上部結(jié)構(gòu)和樁基，新增樁基承臺(tái)作為原結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充并利用其作為施工平臺(tái)搭設(shè)支架，實(shí)施結(jié)構(gòu)頂升及橋墩拆除重建，但該方案不適用于大型或受損嚴(yán)重的橋墩。國(guó)外一些橋墩重建、大修工程(如斯洛伐克的斯塔里橋、倫敦的水街橋)采用移動(dòng)式支架和裝配化施工，提高了工效、縮短交通封閉時(shí)間，但橋墩存在接縫，其防撞能力以及抗震性能仍有待驗(yàn)證。

珠海磨刀門特大橋被撞橋墩重建工程在施工技術(shù)上又有所改進(jìn)：① 采用在橋梁兩側(cè)搭設(shè)門式施工支撐，并通過托梁頂升、穩(wěn)固橋梁上部結(jié)構(gòu)，減少了對(duì)原結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，同時(shí)能滿足大型施工機(jī)械設(shè)備作業(yè)要求；② 新增樁基采用了避讓原樁基的設(shè)置方式，沒有拆除或加固原樁基，而是在其前后新增樁基；③ 重建橋墩采用了對(duì)施工空間占用小、防撞能力好、便于翻模施工的薄壁墩形式；④ 使用了預(yù)制模板和支架及多種大型施工設(shè)備，提高了工效。該橋?qū)崿F(xiàn)了2個(gè)月單幅雙向通車，5個(gè)月完工雙幅通車，大幅縮短了交通中斷時(shí)間，不僅橋梁結(jié)構(gòu)安全可控，更大幅減少了路費(fèi)損失。由于該工程方案有一定的通用性，因此該文對(duì)該工程采用的門式施工支撐方案進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合Midas Civil 進(jìn)行施工驗(yàn)算，對(duì)橋墩快速重建工程的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，以期為今后相似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

磨刀門特大橋位于珠江磨刀門水道入海口處，全長(zhǎng)3 320 m，共10聯(lián)，主橋采用懸臂預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)箱梁(單箱單室)，跨徑組合為(70+2×120+70) m，引橋均為T梁或小箱梁。分左右兩幅，間隙為0.2 m，單幅寬12.9 m。

2017年8月臺(tái)風(fēng)天鴿登陸期間，該橋遭受多艘載滿貨物船只連續(xù)猛烈撞擊，事故造成11個(gè)橋墩受損(左幅9個(gè)、右幅2個(gè))。其中左幅L31#橋墩發(fā)生嚴(yán)重的變形和損壞，其他橋墩均為局部剮蹭破損。

1.1 左幅L31#墩受損情況

L31#墩為主橋(70 m剛箱梁邊跨)與引橋(50 mT梁)之間的過渡墩，采用雙樁柱式橋墩配蓋梁，φ2 m樁柱配φ2.2 m的嵌巖樁基礎(chǔ)，樁間用系梁連接。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主要病害如下：① 引橋側(cè)橋面相對(duì)主橋側(cè)橋面向內(nèi)偏移約6 cm；② 連續(xù)剛箱梁70 m邊跨及50 mT梁支座破損或脫落，L31#墩支撐梁體掉落到蓋梁頂面，致使墩頂附近橋面變形25～29 cm；③ 墩柱擦傷彎折，系梁斷裂，彎折處橫向位移165 cm；④ 左幅蓋梁橫向位移約146 cm靠在右幅蓋梁上；⑤ 墩頂往50 mT梁側(cè)縱向位移40～50 cm；⑥ 箱梁70 m邊跨下?lián)厦黠@，但未見明顯病害；⑦ 50 mT梁上部結(jié)構(gòu)靠L31#墩側(cè)局部破損、橫隔板開裂，因下?lián)现驴拷麹32#墩側(cè)橋面橫向開裂，未見其他明顯病害。墩柱變形及破損情況如圖1所示。

圖1 墩柱變形及破損情況

該橋梁損傷評(píng)價(jià)結(jié)果如下：① L31#墩處于塑性破壞階段需要拆除重建；② 箱梁70 m邊跨目前各項(xiàng)指標(biāo)基本穩(wěn)定，無需修復(fù)；③ 50 mT梁最大主拉應(yīng)力發(fā)生在橫隔板，造成橫隔板開裂，但該應(yīng)力未超出鋼筋受力標(biāo)準(zhǔn)值，修復(fù)后可正常使用。因此該文針對(duì)L31#墩的重建施工開展研究。

1.2 左幅L31#橋墩重建總體方案

L31#墩總體采用搭設(shè)施工支撐、頂梁、拆除舊橋墩、重建新橋墩、頂升箱梁及T梁的思路。① 在橫橋向L31#墩兩側(cè)水中搭設(shè)施工支撐承托箱梁及T梁，維持現(xiàn)狀高程；② 頂升梁體使上部結(jié)構(gòu)與蓋梁分離，分塊切割拆除舊蓋梁、墩柱及系梁、樁基；③ 在水中搭建施工平臺(tái)，重建L31#墩；④ 頂升梁體，恢復(fù)原設(shè)計(jì)高程；⑤ 修復(fù)梁體、橋面系、伸縮縫等。

2 施工支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

施工支撐是影響橋墩拆除重建施工進(jìn)度及安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，起到頂升和穩(wěn)固上部結(jié)構(gòu)的作用，對(duì)高效、安全完成橋墩拆除重建至關(guān)重要。首先，為盡可能壓縮工期，該工程采用了較多高效的大型施工機(jī)械設(shè)備(大型浮吊、平駁、翻模等)，需通過施工支撐為之提供足夠的作業(yè)空間；其次，原橋墩已處于危險(xiǎn)狀態(tài)，若施工擾動(dòng)過大，或有倒塌風(fēng)險(xiǎn)，因此施工支撐要避免觸碰原橋墩基礎(chǔ)，同時(shí)能穩(wěn)固原橋結(jié)構(gòu)，保障后續(xù)施工安全。最后，快速搭設(shè)施工支撐完成上部結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)換，有利于提早恢復(fù)單幅通車。

2.1 設(shè)計(jì)方案比選

方案1：在L31#墩橫橋向兩側(cè)各插打3排鋼管樁，每排8根φ1 200 mm×12 mm(橋墩左側(cè)預(yù)留下部結(jié)構(gòu)拆除作業(yè)空間)，樁頂抄平后設(shè)置20 mm厚蓋板，然后布設(shè)縱向3HM400×14×26型鋼及橫向4HM400×14×26型鋼作為分配梁。上層支撐架用φ1 600 mm×16 mm鋼管8根、φ630 mm×8 mm鋼管平聯(lián)3道及φ630 mm×8 mm鋼管斜聯(lián)，在頂部放置型鋼承重梁及分配梁。然后橫跨支撐架搭設(shè)45 m長(zhǎng)托梁，截面尺寸分別為1 900 mm×3 500 mm(寬×高)、1 500 mm×1 940 mm。如圖2所示。

圖2 方案1：施工支撐結(jié)構(gòu)((除標(biāo)高單位為m外，其余：cm)

方案2：在原樁基前后新增4根D200 cm灌注樁及承臺(tái)，利用承臺(tái)作為施工支撐的基礎(chǔ)。在縱橋向橋墩前后對(duì)稱設(shè)置4根φ800 mm×10 mm鋼管柱，柱頂采用雙拼HN500×300熱軋寬翼緣工字型鋼分配梁，以支撐千斤頂。原L31#墩蓋梁下設(shè)置雙拼HN500×300熱軋寬翼緣工字型鋼承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)總量。鋼管柱間平聯(lián)、橫聯(lián)、斜聯(lián)均采用φ630 mm×8 mm鋼管。如圖3所示。

兩種方案具體對(duì)比分析見表1。

圖3 方案2：施工支撐結(jié)構(gòu)

由表1可知：方案1能夠滿足大型浮吊、平駁等大型設(shè)備對(duì)作業(yè)空間的要求，提高了工效，工期短(約為5個(gè)月)；臨時(shí)支架搭設(shè)在橋墩橫向兩側(cè)，作業(yè)面與橋墩拆除重建施工相對(duì)獨(dú)立，并且先設(shè)置施工支撐架支撐箱梁及T梁后，再進(jìn)行原橋墩拆除及新橋墩重建施工，確保了施工中原結(jié)構(gòu)安全；施工支撐搭設(shè)快，能夠更早完成箱梁及T梁荷載轉(zhuǎn)換，僅2個(gè)月就能開放交通。方案2利用新橋墩樁基作為臨時(shí)支架基礎(chǔ)，成本較低但原橋墩已嚴(yán)重彎折變形，在未對(duì)箱梁及T梁進(jìn)行支撐的情況下，在原橋墩附近施工新橋墩樁基，對(duì)受損橋梁有一定擾動(dòng)，一旦發(fā)生二次事故將造成嚴(yán)重后果，并且施工支撐占用了橋墩拆除重建的施工作業(yè)空間，只能滿足小型機(jī)械設(shè)備作業(yè)，工效低，工期約為10個(gè)月；新橋樁基完工后才能搭設(shè)臨時(shí)支架，開放交通也要10個(gè)月。因此方案1安全可靠，較方案2工期縮短近5個(gè)月，開放交通提前約8個(gè)月，路費(fèi)損失減少近8 000萬元，作為最終方案。

表1 施工支撐結(jié)構(gòu)方案對(duì)比分析

2.2 施工支撐結(jié)構(gòu)有限元分析

對(duì)施工支撐結(jié)構(gòu)采用Midas Civil有限元軟件進(jìn)行整體建模。臨時(shí)支承結(jié)構(gòu)受力主要考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)作用在L31#墩上的荷載(T梁側(cè)約為11.6 t，箱梁側(cè)約為523 t)、8級(jí)風(fēng)荷載(或100年一遇風(fēng)荷載)及水流力，荷載作用下鋼管樁最大反力為1 105.3 kN。在荷載作用下施工支撐結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的各項(xiàng)應(yīng)力均小于Q235B及Q345鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度，變形也小于容許值，滿足GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，見表2。

表2 荷載作用下施工支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形統(tǒng)計(jì)

2.3 穩(wěn)定性分析

(1) 鋼立柱穩(wěn)定性分析

φ1 200 mm×12 mm鋼管立柱長(zhǎng)31 m，截面面積A=447.865 6 cm2，最大彎矩Mx為1 080.2 kN·m。驗(yàn)算鋼管立柱穩(wěn)定性在規(guī)范容許范圍內(nèi)，詳見表3。

(2) 鋼托梁穩(wěn)定性分析

鋼托梁材質(zhì)為Q345鋼板，其高為3.46 m、寬為1.9 m、兩側(cè)腹板間距為1.8 m，厚度為12 mm，上下蓋板厚度為24 mm，鋼箱梁之間采用端截面開坡口熔透焊接+加強(qiáng)肋板焊接。

表3 鋼管立柱穩(wěn)定性驗(yàn)算

選取鋼托梁彎矩、剪力最大值對(duì)應(yīng)截面，并分3個(gè)區(qū)格進(jìn)行鋼托梁腹板局部穩(wěn)定性驗(yàn)算(圖4)，各項(xiàng)應(yīng)力及局部穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，詳見表4。其中hw為腹板高度。

圖4 鋼托梁截面圖(單位：mm)

表4 鋼托梁腹板局部穩(wěn)定性驗(yàn)算

(3) 支架整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

利用有限元軟件對(duì)支架進(jìn)行驗(yàn)算，在承受荷載作用下其1～5階模態(tài)失穩(wěn)系數(shù)(整體穩(wěn)定性系數(shù))呈上升趨勢(shì)且均大于5，滿足規(guī)范要求，見表5。

表5 1～5階模態(tài)支架失穩(wěn)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.4 施工支撐快速搭設(shè)

施工支撐采用裝配式結(jié)構(gòu)。支撐架、托梁限位架、托梁等部件提前定制，在平駁上組拼，分別用350 t/100 t浮吊進(jìn)行吊裝，精確定位后焊接固定。

其中，托梁長(zhǎng)49 m，單條重196 t，利用平駁運(yùn)至指定位置，然后用2臺(tái)350 t浮吊進(jìn)行吊裝。為后續(xù)梁底頂托、拆除梁段等需要，預(yù)先在托梁上焊接施工護(hù)欄、設(shè)置吊裝控制刻度線等。

3 橋墩快速拆除重建工程技術(shù)

橋梁下部結(jié)構(gòu)拆除重建施工具有作業(yè)面狹小、工期緊的特點(diǎn)，上述施工支撐通過托梁支撐橋梁上部結(jié)構(gòu)，既有助于保障原結(jié)構(gòu)安全，還為大型機(jī)械設(shè)備提供了充足的施工作業(yè)空間。為更早完工恢復(fù)交通，該工程還在施工支撐結(jié)構(gòu)搭設(shè)、損壞下部結(jié)構(gòu)拆除、新橋墩重建等方面使用了一系列快速可靠的工程技術(shù)：① 采用了大量預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的支架和模板，并在構(gòu)件的制造及安裝過程中，通過空間計(jì)算分析、測(cè)量控制技術(shù)及構(gòu)件的空間調(diào)節(jié)措施，解決了構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)安裝的匹配性問題；② 使用了較多大型施工機(jī)械，提高了工效；③ 新增樁基采用了避讓原樁基的設(shè)置方式，沒有拆除或加固原樁基礎(chǔ)，而是在其前后設(shè)置了新樁基礎(chǔ)；④ 重建橋墩采用了施工空間占用小、防撞能力好、便于翻模施工的薄壁墩。

3.1 損壞下部結(jié)構(gòu)整塊拆除

采用1 000 t浮吊將下部結(jié)構(gòu)分兩次切割拆除，較分多段拆除或破碎后拆除，施工效率大幅提高。首先頂升T梁和箱梁，用混凝土鋼管、鋼板支墊；接著拆除蓋梁擋塊、支座墊石及附屬物；然后分兩次切割拆除下部結(jié)構(gòu)，利用蓋梁、中系梁作為吊點(diǎn)依次吊出。

3.2 下部結(jié)構(gòu)重建

(1) 原橋樁基已嚴(yán)重變形，不能直接利用，水下部分也難以全部切除。為避讓原樁基，將新增4根D200 cm成孔灌注樁設(shè)置在其前后位置。

(2) 承臺(tái)高3 m，封底厚度1 m，長(zhǎng)10.76 m，寬9.5 m。承臺(tái)套箱模板兼做阻水圍堰，采用大塊定型鋼模板，由標(biāo)準(zhǔn)平面模板及12塊轉(zhuǎn)角定型鋼模(高4.5 m)組拼。為提高工效，套箱采用預(yù)拼裝再整體下放工藝。首先在樁基護(hù)筒上安裝分配梁、反吊底板，并對(duì)套箱進(jìn)行預(yù)拼裝，然后用80 t液壓千斤頂將套箱(重52 t)連續(xù)、整體下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高，套箱底板的高程偏差需及時(shí)調(diào)整。封底及承臺(tái)混凝土澆筑后拆除套箱。

(3) 薄壁墩身寬1.8 m，長(zhǎng)6.4 m，高約24 m。為加快施工速度，薄壁墩身采用翻模技術(shù)分3節(jié)段澆筑。利用承臺(tái)預(yù)留位置搭設(shè)墩身模板支架固定，采用80 t浮吊+20 t卷揚(yáng)機(jī)提升安裝模板。

(4) 蓋梁模板整體加工、整體吊裝安裝。為加快底模鋪設(shè)，特將蓋梁兩端懸挑部分底模支架設(shè)計(jì)為整體鋼胎架，側(cè)模采用定型鋼模板并搭配[16槽鋼骨架及φ20 mm對(duì)拉螺桿。安裝蓋梁模板采用側(cè)模包底模與端模的方法，利用墩身預(yù)埋牛腿作為支撐，通過卷揚(yáng)機(jī)結(jié)合人工安裝。

4 結(jié)論

針對(duì)磨刀門大橋橋墩重建工程采用的門式施工支撐進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合Midas Civil 進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)該橋墩快速重建工程技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，得到以下結(jié)論：

(1) 采用在橋梁兩側(cè)搭設(shè)施工支撐，并通過托梁頂升、穩(wěn)固橋梁上部結(jié)構(gòu)的方案，減少了對(duì)原結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，同時(shí)能滿足大型施工機(jī)械設(shè)備作業(yè)要求。

(2) 沒有拆除或加固原樁基礎(chǔ)，而是在其前后設(shè)置了新樁基礎(chǔ)。

(3) 重建橋墩采用了對(duì)施工空間占用小、防撞能力好、便于翻模施工的薄壁墩形式。

(4) 使用了預(yù)制模板和支架及多種大型施工設(shè)備，提高了工效。