高速公路改擴建工程橋梁拆除施工技術(shù)

江 凱

（安徽省交控建設(shè)管理有限公司，安徽 合肥）

前言

在國家經(jīng)濟朝著高水平遞進(jìn)過程中，交通基礎(chǔ)建設(shè)廣泛推進(jìn)。早期因相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)水平限制，上跨高速或既有高速橋梁的耐久性、安全性、適用性與近幾年相比均存在不足之處，無法滿足現(xiàn)今時期地域交通運營安全性要求，橋梁改擴建勢在必行。橋梁拆除是高速公路改擴建作業(yè)的重要組成部分，也是不確定性、風(fēng)險最高、施工難度最大的一部分，橋梁拆除施工方法的選擇及施工組織，將影響整個工程進(jìn)程。因此，探討改擴建工程中的橋梁拆除作業(yè)工藝具有非常重要的意義。

1 高速公路改擴建工程

1.1 基本情況

某高速公路改擴建工程為分離式立交橋。工程中孔上跨交通量密集的主干道，相距1 488.65 cm～1 800 cm，交叉角度為76°，最大縱坡為0.35‰，最大橫坡為2.20‰。初期規(guī)劃既有橋梁全部拆除擴建（除樁基礎(chǔ)）。既有橋梁上部為（30+40+30）m 現(xiàn)澆連續(xù)非預(yù)應(yīng)力變截面箱梁（預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板結(jié)構(gòu)，見圖1），單跨重量為150 t；橋墩位置梁體高度為3.0 m，橋臺位置梁體高度為2.1 m，下部為雙圓柱式橋墩、肋板式橋臺，重量為35 t。既有橋梁全幅板梁高度為80 cm，共計60 片，軌道頂部、既有橋梁底部之間相距7.2 m，橋梁底部、線上承力索凈高為0.72 m，上行線加強筋、橋墩既有蓋梁橫向凈距離為0.70 m，拆除期間需保證上跨主干道順利運營。

圖1 現(xiàn)澆連續(xù)非預(yù)應(yīng)力變截面箱梁結(jié)構(gòu)

圖1 中，1 為主梁的上頂板；2 為中橫隔板；3 為端橫隔板；4 為鋼腹板；5 為預(yù)應(yīng)力鋼絞線；6 為主梁的下底板。

1.2 拆除思路

由既有高速公路交通量可知，其交通量達(dá)到48 000 輛小客車/日，不適用于完全封閉作業(yè)，在既有橋梁拆除期間需保證雙向車道通行能力，且拆除時機與高速公路改擴建總體路基拓寬、主線橋梁拼寬保持一致，確保結(jié)構(gòu)拆除期間既有橋梁解體、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、切割破碎、卸除移運環(huán)節(jié)均無失穩(wěn)、斷裂、破壞、傾覆問題，最大限度降低拆除操作對過往車輛及人員、建筑物、交通安全的威脅。根據(jù)操作要求，封閉前期準(zhǔn)備作業(yè)占據(jù)比重較大。

交通封閉用時最大，占全部拆除作業(yè)用時的60%。在交通封閉前準(zhǔn)備時，需要統(tǒng)計拆除機械設(shè)備，包括6 臺切割機液壓動力站、8 套金剛石繩鋸機頭、4套挖掘機、500 m 金剛石繩、16 張金剛石鋸片、10 桶48#液壓油等，并配置主要作業(yè)人員，包括切割組、機械操作人、吊裝人、設(shè)備維修人。

相關(guān)準(zhǔn)備工作完成，先封閉高速公路超車道，將臨時支撐架設(shè)在高速公路改擴建工程既有橋梁中央分隔帶、封閉道，再封閉緊急車道并搭設(shè)臨時支撐，按設(shè)計位置進(jìn)行金剛石繩鋸切割，斷開既有橋梁。斷開既有橋梁后，拆除中央隔離帶、封閉道臨時支撐，將橋墩區(qū)域梁體吊離到指定位置并鑿除，恢復(fù)交通。

確保剩余梁段無垮落風(fēng)險后，封閉緊急車道，由中間位置朝向兩邊，對稱拆除拱上梁板，按設(shè)計切割位置進(jìn)行金剛石繩鋸切割，斷開拱部，經(jīng)專業(yè)吊裝工具移運梁段，拆除上部梁板后主拱肋，確保拱肋受力狀態(tài)較為安全穩(wěn)定。

最后，封閉高速公路左幅交通并搭建臨時支撐，錨固支架、梁體，破除翼板、防撞墻，沿著第二跨中央分隔帶，朝向箱梁橫斷面，破除箱體，逐塊、逐段鑿除[1]。鑿除后，清理現(xiàn)場并恢復(fù)封閉交通，按照同樣的方法，完成第三跨箱梁、第四跨箱梁拆除，確保拆除橋段穩(wěn)定的情況下恢復(fù)交通。

2 高速公路改擴建工程橋梁拆除施工方案

既有橋梁拆除作業(yè)中，主梁吊裝拆除順序、下部結(jié)構(gòu)切割方案是重點內(nèi)容，也是難點部分，整個模塊操作合理性關(guān)乎既有結(jié)構(gòu)拆除安全性與經(jīng)濟性。

2.1 下部結(jié)構(gòu)蓋梁切割方案

下部結(jié)構(gòu)蓋梁切割需要考慮最適宜切割位置以及最佳切割操作順序。在下部結(jié)構(gòu)切割前，分析既有橋梁切割工作情況下的靜力，并以數(shù)值模擬的方式，了解切割狀況下的蓋梁內(nèi)力狀態(tài)，確定最佳蓋梁切割部位。常用的分析手段為有限元軟件，先對分析蓋梁拆除前的受力數(shù)值（自重荷載），再分析蓋梁跨中節(jié)點約束釋放后受力狀態(tài)，最后釋放既有橋梁墩部位置單元節(jié)點約束，模擬切割拆除作業(yè)，確定蓋梁承受應(yīng)力最均勻的切割部位。

2.1.1 有限元分析

借助“橋梁博士”有限元軟件，構(gòu)建橋梁蓋梁模型，上部結(jié)構(gòu)恒定荷載依據(jù)支座實際作用力、作用位置集中施加到相應(yīng)節(jié)點位置，蓋梁自身重量則經(jīng)有限元內(nèi)置程序計入自重。活動荷載作用期間，將各個1～18 單位作為活動荷載自定義依據(jù)，橫向移動布置，受兩跨結(jié)構(gòu)縱向影響線的直接影響[2]。

如圖2 所示，橋梁下部結(jié)構(gòu)有限元模型可劃分為18 個單元，作用于蓋梁上部位置集中力P、車道荷載下支反力R 之間的關(guān)系如下：

圖2 橋梁下部結(jié)構(gòu)有限元模型

式（1）中，P 為蓋梁上部位置集中力，MPa；R 為車道荷載下支反力，MPa。根據(jù)式（1），結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)，得出有限元模型中不同狀態(tài)下中跨彎矩見表1。

表1 不同狀態(tài)下中跨彎矩

根據(jù)有限元分析結(jié)果，得出蓋梁由中跨位置、1/4跨周邊切割時，橋墩位置彎矩較大，分別為495.6 kN·m、417.6 kN·m，安全風(fēng)險較高；而在橋墩位置拆除蓋梁時，彎矩較切割前減少28 kN·m，蓋梁內(nèi)力下降。因此，可以先切割橋墩位置蓋梁，再切割蓋梁中跨，最后切割1/4 跨位置蓋梁。

2.1.2 金剛石繩鋸切割方案確定

切割操作時，選擇切割平直、操作快速、尺寸精準(zhǔn)、作業(yè)安全無碎塊飛濺、噪音較低的金剛石繩鋸切割方案，以液壓馬達(dá)驅(qū)動金剛石繩索繞切割面高速運轉(zhuǎn)，在經(jīng)金剛石單晶研磨切割體的同時，配合水冷卻沖走研磨碎屑，完成對密集鋼筋混凝土料的切割[3]。因金剛石繩鋸切割可經(jīng)高壓油管遠(yuǎn)距離控制，振動、噪聲均處于較低水平，可基本實現(xiàn)既有橋梁無擾動切割。金剛石繩鋸切割參數(shù)見表2。

表2 金剛石繩鋸切割參數(shù)

根據(jù)表2 設(shè)計金剛石繩鋸切割設(shè)備參數(shù)。

2.1.3 切割操作要點

改擴建工程中，橋梁下部蓋梁金剛石繩鋸切割流程見圖3。

圖3 橋梁下部蓋梁金剛石繩鋸切割流程

根據(jù)圖4，有序進(jìn)行橋梁下部蓋梁金剛石繩鋸切割操作。第一步，確定切割位置，切割位置由設(shè)計圖紙確定，具體見圖4。

圖4 金剛石繩鋸切割位置

圖4 中，1 為切割縫。

在切割位置搭設(shè)臨時支撐，臨時支撐參數(shù)見表3。臨時支撐穩(wěn)定后，啟動電動馬達(dá)，調(diào)整主動輪，繃緊金剛石繩，并持續(xù)供應(yīng)循環(huán)冷卻水[4]。

表3 橋梁下部蓋梁金剛石繩鋸切割部位臨時支撐參數(shù)

切割期間，密切觀察機械穩(wěn)定性，根據(jù)觀察結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)向輪的持續(xù)調(diào)整，確保金剛石切割繩未超過平面，且運轉(zhuǎn)線速度為27 m/s[5]。在運轉(zhuǎn)穩(wěn)定情況下，作業(yè)者可以采用2 臺金剛石繩鋸機橫向全幅分段切割，各跨之間距離為6.5 cm±1.5 cm。切割后，經(jīng)專業(yè)吊裝工具將切割物（跨中與1/4 跨切割截面5.3 m2，墩部切割截面7.0 m2）調(diào)離平面，吊離孔位于翼緣板、腹板交接位置，吊離孔縱向長為2.5 m±0.5 m。

2.2 主梁吊裝拆除方案

主梁吊裝拆除需要考慮高速公路通行要求以及新上部結(jié)構(gòu)搭建要求。以往機械破碎主梁的方式需封閉操作，對預(yù)先留設(shè)操作空間具有較高要求，且存在噪聲大、不確定風(fēng)險因子多、作業(yè)揚塵多的問題[6]。為滿足交通要道正常運營要求，作業(yè)者可以利用基于SPMT（self-propelled module transporters，自行式運輸機械）的快速托運支撐系統(tǒng)，選擇中心回轉(zhuǎn)、橫行、直行、斜行、八字轉(zhuǎn)向等模式，經(jīng)頂升工具頂起分割梁段，沿設(shè)計路線運輸?shù)揭?guī)劃場地。

基于SPMT 的吊裝拆除流程見圖5。

圖5 基于SPMT 的吊裝拆除流程

在基于SPMT 的吊裝拆除前，作業(yè)人員應(yīng)聯(lián)系管線部門，改移臨時架空線管，并在既有橋梁一側(cè)進(jìn)行存梁場地設(shè)置，存梁場地與高速公路邊緣標(biāo)高一致，均為30 cm 碎石水平碾壓密實后攤鋪水泥面。準(zhǔn)備完畢后，拼接組合6 軸線動力車、動力模塊，形成一排移動運輸模塊車組[7]。同時，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，借助1.5 m 高鋼筒支撐落梁支架、托梁支架。支撐平穩(wěn)后，先封閉左幅車道，開設(shè)中央分隔帶臨時改道口，右幅車道正常運營，促使左幅梁板落到模塊車中央，經(jīng)模塊車將拆除梁板水平運出場地。同理，封閉右幅車道，改道口到左幅，快速完成移動運輸。在左右幅梁板移動運輸期間，作業(yè)者應(yīng)采用分級頂升方式，分別依據(jù)60%載荷、80%載荷、100%載荷、最大105%載荷的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行頂升運移，頂升速度超過20 mm/min 但小于50 mm/min，整體向上頂升20 cm。頂升后沿著前期規(guī)劃快速移動路線運離現(xiàn)場，完成體系轉(zhuǎn)換。

3 高速公路改擴建工程橋梁拆除施工結(jié)果

統(tǒng)計高速公路改擴建工程既有橋梁拆除過程監(jiān)控結(jié)果，得出監(jiān)控結(jié)果見表4。

表4 高速公路改擴建工程既有橋梁拆除過程監(jiān)控結(jié)果

如表4 所示，SPMT 與金剛石繩鋸切割結(jié)合作業(yè)模式下，梁體、支撐結(jié)構(gòu)、車組、地基基礎(chǔ)均處于正常狀態(tài)，切割移運拆除期間無異常，作業(yè)效率較高，滿足預(yù)期作業(yè)要求。

4 結(jié)論

通過上述總結(jié)和分析，在既有橋梁拆除作業(yè)期間存在著不安全因素多、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)難度大等情況，亟待規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)工藝。探索采用SPMT、金剛石繩鋸機械支撐下的橋梁拆除工藝，是本高速公路橋梁拆除最適宜的方法，也可為類似貨運任務(wù)繁忙、車流量密集的立交橋橋梁拆除提供借鑒。