基于SPMT模塊車“墩梁協(xié)同”整跨預(yù)制PC結(jié)構(gòu)快速拆除及重建技術(shù)

何 海，黃森華

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司, 廣東 廣州 510507)

0 概述

傳統(tǒng)的橋梁拆除與更換的施工方法(機械或爆破拆除、預(yù)制橋梁推拉更換法)難度和風(fēng)險較大,難以適應(yīng)復(fù)雜的交通環(huán)境,在橋梁拆除或更換過程中時常發(fā)生安全環(huán)保事故和嚴(yán)重的交通擁堵事件[1-3]。

常規(guī)的預(yù)制PC小箱梁新建工法(如采用架橋機分片吊裝或汽車吊分片吊裝施工)施工速度慢、且存在一定的施工難度和風(fēng)險。傳統(tǒng)方法難以適應(yīng)復(fù)雜的交通與城市環(huán)境,尤其對于上跨現(xiàn)狀高速公路的新建橋梁施工時,對于每片梁的吊設(shè)安裝、后澆濕接縫和橫隔板等施工時均需封閉現(xiàn)狀的交通,封閉交通的次數(shù)較多、時間較長,時常帶來嚴(yán)重的交通擁堵現(xiàn)象。因此,如何保障在上跨現(xiàn)狀高速公路等通行交通復(fù)雜條件下,使得新建橋梁達到安全、環(huán)保、低交通影響、快速、節(jié)能、提質(zhì)增效的目標(biāo),是橋梁工程界研究的技術(shù)難題之一。

國內(nèi)外對橋梁上部結(jié)構(gòu)快速移除與安裝技術(shù)開展了相關(guān)研究。項貽強[4]等針對快速施工橋梁建議借鑒發(fā)達國家在該領(lǐng)域的設(shè)計和建造經(jīng)驗,提出適用于中國國情的快速施工橋梁技術(shù)及合理的結(jié)構(gòu)型式,尤其是中小跨徑快速施工橋梁,其主要結(jié)構(gòu)形式為鋼-混組合梁橋;朱世峰[5-6]等針對上海S26公路入城段北翟路高架3×33m連續(xù)梁快速拆除,進行大噸位、大體積預(yù)應(yīng)力混凝土梁體的快速分段移除施工、既有橋梁下部結(jié)構(gòu)再利用和梁體混凝土廢渣回填路基的工程應(yīng)用研究;陳宜言[7-8]等針對深南彩田路跨線橋探討了SPMT快速拆架橋的技術(shù)方案及其關(guān)鍵技術(shù)要點,實踐表明SPMT快速拆建是一種施工簡單、安全可靠、技術(shù)可行的新技術(shù);李亞民[9]等介紹了福州繞城高速公路青口互通立交匝道橋跨沈海高速公路連續(xù)梁主跨整體拆除采用的SPMT施工技術(shù);趙迎人[10]等介紹了北京昌平西關(guān)環(huán)島橋梁改造中采用SPMT施工技術(shù)拆除鋼筋混凝土實心板和新建變寬鋼箱梁;朱世峰[11]等以武漢四環(huán)線跨青鄭高速公路鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)高架橋,提出車載移動支撐式分段提吊下放快速移除的方法?；赟PMT模塊車在舊橋拆除以及新橋建設(shè)中,國內(nèi)不少項目進行了相應(yīng)的嘗試[12-16]。

SPMT施工技術(shù)的應(yīng)用在國內(nèi)外均取得一些成功案例,但仍存在以下問題:(1)國外如美國工程案例交通及環(huán)境較簡單,其施工技術(shù)和設(shè)備無法適應(yīng)我國多數(shù)大型橋梁更換交通擁堵嚴(yán)重、施工環(huán)境復(fù)雜的現(xiàn)狀[17-18];(2)國內(nèi)在橋梁上部結(jié)構(gòu)快速移除與安裝領(lǐng)域尚未形成系統(tǒng)性、通用性的技術(shù)[19-20]。

1 國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀及分析

美國聯(lián)邦公路管理局提出橋梁快速建造及更換技術(shù),實現(xiàn)橋梁上部結(jié)構(gòu)的快速更換施工,制定了相關(guān)的指導(dǎo)手冊。國外在橋梁快速更換施工方面具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗,且取得施工技術(shù)、裝備、指導(dǎo)手冊等方面的成果。如:佛羅里達州 Graves Avenue 橋,舊橋為混凝土I梁結(jié)構(gòu),新橋為混凝土T梁結(jié)構(gòu)(2跨87m長、17.9m寬);科羅拉多Pecos Street橋,舊橋為三跨變截面混凝土連T型梁橋,新橋為單室三箱現(xiàn)澆混凝土橋,更換施工封閉交通50h。

圖1 鋼-混組合梁快速安裝案例(美國)

美國新澤西Trenton橋,老橋為預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋,橋下凈空控制嚴(yán),交通繁忙。新結(jié)構(gòu)采用組合梁,1個晚上完成換梁[21-22]。

圖2 鋼混組合梁快速安裝案例(美國新澤西Trenton橋)

國內(nèi)在橋梁整體拆除及更換方面,廣東省開陽高速公路首次采用SPMT模塊智能移運技術(shù)同步拆建天橋,整跨移運新建上部鋼-砼組合梁。在橋梁上部結(jié)構(gòu)快速更換施工方面,北京市采用SPMT工法和橋梁馱運架實現(xiàn)三元橋(交通封閉時間累計43h)上部結(jié)構(gòu)的更換施工[23-24]。在橋梁快速建造方面,上海市院實現(xiàn)橋墩快速拼裝施工并形成相關(guān)指南[25-30]。

圖3 鋼-砼組合梁快速安裝案例(廣東省開陽高速公路跨線天橋的拆除以及重建)

2 問題的提出

如圖6所示,基于SPMT(或?qū)Ｓ密囕v)的混凝土梁快速建造技術(shù)在國內(nèi)尚不成熟,一般混凝土梁快速安裝時只分片或整跨安裝主體結(jié)構(gòu),橋面及整體化層實施后澆,與鋼-砼組合梁、鋼箱梁上部結(jié)構(gòu)的整跨移運施工相比具有較好的經(jīng)濟效益。但也存在一定的問題:混凝土材料抗拉強度低、自重大,裝配化的預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)(如小箱梁、T梁),由于橋跨的橫向整體連接較弱,SPMT并車裝備不同步,快速運動時容易引起結(jié)構(gòu)開裂。

廣東省開陽高速公路首次采用SPMT模塊拆建天橋,整跨移運新建上部為鋼-砼組合梁。不同于開陽高速公路改擴建的是本文依托項目上部結(jié)構(gòu)均采用經(jīng)濟性更好的預(yù)制PC小箱梁,由于預(yù)制PC小箱梁不易于在復(fù)雜環(huán)境下的整體運輸和設(shè)置大懸臂支撐點,對場地要求相對較高,施工安全控制難度較大。此前我國僅嘗試單片小箱梁快速安裝,尚無整跨混凝土小箱梁的安裝案例,如要推進整跨或整座混凝土橋的同步安裝,需進一步完善結(jié)構(gòu)、工藝、裝備、材料與控制系統(tǒng)等方面的技術(shù)與裝備。

3 工程概況

“省道S361里水大道廣佛跨線改造橋中、東幅橋的快速拆除及重建工程項目”位于佛山市南海區(qū)里水鎮(zhèn)。本次改造工程的重點內(nèi)容之一就是將跨越廣佛高速公路的部分橋梁拆除重建,將廣佛高速公路原有6+2車道的分離式斷面改造為全線雙向8車道,徹底消除安全隱患,大幅度提高路段的通行能力。

將廣佛高速公路由6+2車道的分離式路基改造為標(biāo)準(zhǔn)的雙向8車道,需拆除重建上跨廣佛高速公路的橋梁,重新調(diào)整橋跨和墩位。需拆建的廣佛跨線改造橋為三幅橋,按方位區(qū)分為西、中、東三幅。由于廣佛跨線橋存在斜轉(zhuǎn)正、斜交、正轉(zhuǎn)斜等非標(biāo)橋跨,且上跨車流量較大的廣佛高速公路,橋下施工操作空間狹小有限,因此本項目上跨廣佛高速公路的里水大道西、中、東幅橋的拆除及重建成為重要的制約工點。西幅橋采用架橋機分片梁拆除重建的傳統(tǒng)工藝,施工歷時長達17個月。因此,中、東幅橋的拆除及重建亟待研究采用新的工藝技術(shù),成為需迫切解決的重點難點。

3.1 中、東幅跨路部分拆除簡介

中幅橋于2007年建成,單幅橋?qū)?2.9m,需拆除的橋跨為(36m+50m+36m)預(yù)應(yīng)力砼簡支T梁,斜交20°布置,未在廣佛高速公路中央分隔帶落墩,其中50m跨T梁整跨拆除的重量達1 300t。

東幅橋于1987年建成,單幅橋?qū)?.9m,需拆除的橋跨為(3×16m+2×25m+2×16m),正交布置,16m跨采用鋼筋砼簡支T梁,25m跨采用預(yù)應(yīng)力砼簡支T梁。東幅橋在廣佛高速公路中央分隔帶設(shè)置橋墩。

3.2 中、東幅跨路部分重建簡介

需重建中幅新橋:(31m+35m+28m+15m+13m)預(yù)應(yīng)力砼小箱梁,橋?qū)?2.9m;東幅新橋:9m現(xiàn)澆箱梁+(32.4m+35m+28m+16.6m)預(yù)應(yīng)力砼小箱梁+9m現(xiàn)澆箱梁,橋?qū)?.9m。中、東幅新橋中間橋跨均為斜交35°布置,兩端與利用舊橋則是正交布置。

小箱梁按預(yù)應(yīng)力砼A類構(gòu)件設(shè)計。小箱梁存在35m、32.4m、31m、28m、16.6m、15m、13m等多種跨徑,除35m跨梁片數(shù)較多外,其余跨徑為調(diào)跨需要而設(shè)置,梁片數(shù)較少。為方便模板重復(fù)利用,預(yù)制小箱梁統(tǒng)一采用1.8m高的梁高。

4 中、東幅舊橋拆除施工工藝

中、東幅橋梁拆除主要分6步施工。

第一步:施工準(zhǔn)備。馱梁及落梁支架和墩柱馱運支架設(shè)計制造安裝,SPMT拼裝拼組,施工場地準(zhǔn)備,交通組織及防護,管線及措施防護,中、東幅橋封閉施工,西幅橋改為單幅雙向通行,中、東幅橋橋面連續(xù)切割。

第二步:廣佛高速公路全斷面夜間封閉6h。SPMT車組移運東幅橋9-12跨及8#、9#墩柱,移運順序為:第9、12跨→第8、10、11跨→第8#、11#墩柱。施工過程中需對里水立交相鄰跨進行施工防護。高速公路封閉前后需對中央分割帶及綠化帶相關(guān)隔離措施進行拆裝。墩柱移運前需對墩柱根部進行切割并處理,確保不會對SPMT行車造成影響。

第三步:廣佛高速公路全斷面夜間封閉6h。SPMT車組移運東幅橋9#、10#墩柱,7、13跨及第7#、12#墩柱,其中第7#墩柱與第7跨同步移運,第12#墩柱與第13跨同步移運。移運順序為:9#、10#墩柱→第7#墩柱與第7跨→第12#墩柱與第13跨。

第四步:廣佛高速公路全斷面夜間封閉6h。SPMT車組移運中幅橋9-10跨及第10#墩柱,其中第10#墩柱與第10跨同步移運。移運順序為:第9跨→第10#墩柱與第10跨。

第五步:廣佛高速公路全斷面夜間封閉6h。SPMT車組移運中幅橋8跨及第8#墩柱,移運順序為:第8#墩柱→第8跨。

第六步:施工場地內(nèi)破碎、轉(zhuǎn)運破碎殘渣,完成拆除作業(yè)。

5 中、東幅橋重建創(chuàng)新工藝

中、東幅橋重建橋跨存在正轉(zhuǎn)斜、斜交35°、斜轉(zhuǎn)正等非標(biāo)上部梁設(shè)計,且需在廣佛高速公路主線整跨移運安裝預(yù)制PC小箱梁。國內(nèi)目前暫無新建橋梁采用整跨移運安裝預(yù)制PC小箱梁的工程實例,設(shè)計以及施工難度較大。為保證中、東幅橋重建能按規(guī)定的時間建成通車,本項目創(chuàng)新地提出中、東幅橋預(yù)制PC小箱梁采用SPMT模塊車整跨快速安裝的方案。

對于正轉(zhuǎn)斜非標(biāo)橋跨,由于預(yù)制梁的長邊在移運方向的內(nèi)側(cè),若先完成橋墩施工再來移運上部結(jié)構(gòu),則上部移運前進方向受阻而無法實現(xiàn),因此需采用預(yù)制墩柱與蓋梁整體、并與上部結(jié)構(gòu)同步移運就位。本項目創(chuàng)新地提出“墩梁協(xié)同”設(shè)計及施工工法。

基于“墩梁協(xié)同”設(shè)計及施工工法,針對本項目需解決大尺寸斜交的預(yù)制墩及蓋梁整體與承臺的精確對位連接等問題,本項目創(chuàng)新地提出設(shè)置兩套尺寸完全一致的精確定位連接的裝置,保證斜交板式墩與承臺的有效快速精確連接,保證拼裝位置處的結(jié)構(gòu)受力。

為此,針對橋梁在更換時作業(yè)空間受限、交通及自然環(huán)境復(fù)雜、施工技術(shù)難度高、對既有交通影響大等特點,以本項目為依托,采用了多個國內(nèi)首次采用的技術(shù):

(1)采用SPMT模塊車工法整跨移運新建預(yù)制PC小箱梁。

(2)對于正轉(zhuǎn)斜非標(biāo)橋跨,由于預(yù)制梁的長邊在移運方向的內(nèi)側(cè),需采用預(yù)制墩柱蓋梁,并與上部結(jié)構(gòu)一起采用SPMT模塊車“墩梁協(xié)同”同步移運就位。

(3)大尺寸斜交的預(yù)制墩及蓋梁整體與承臺的精確對位連接。

5.1 “墩梁協(xié)同”整跨快速新建技術(shù)

對于正交或斜交的橋跨,PC小箱梁預(yù)制完成后吊裝至駝梁支架上,同時完成整跨上部結(jié)構(gòu)的施工(包含濕接縫、橫隔板、整體化層、防撞護欄),短暫封閉交通,沿設(shè)定的移運路徑將整跨預(yù)制PC小箱梁移至橋位處,落架于蓋梁上,精確對位后即可完成整跨上部預(yù)制結(jié)構(gòu)的施工。整跨移運預(yù)制PC小箱梁新建施工工法對正交、斜交、正轉(zhuǎn)斜、斜轉(zhuǎn)正均通用。

而對正交轉(zhuǎn)斜交非標(biāo)預(yù)制PC小箱梁,若先完成橋墩施工再移運上部結(jié)構(gòu),則上部結(jié)構(gòu)移運前進方向受阻而無法實現(xiàn)。本項目創(chuàng)新提出采用蓋梁及墩柱整體預(yù)制成型,并與上部整跨非標(biāo)預(yù)制結(jié)構(gòu)“墩梁協(xié)同”同步移運就位的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)。具體步驟:

(1)在預(yù)制裝配化工廠完成分片小箱梁的預(yù)制,其中需要根據(jù)駝梁支架臨時支承點的位置,在支點位置處均增設(shè)一道橫隔板,并對小箱梁橫隔板的配筋、小箱梁頂面縱向普通鋼筋、小箱梁整體化層的配筋進行加強,以滿足移運過程中小箱梁結(jié)構(gòu)的受力需要。

(2)針對每跨結(jié)構(gòu)的支承受力點分別設(shè)計駝梁支架,于規(guī)劃移運路徑的場地內(nèi)拼裝整跨小箱梁的駝梁支架。

(3)于駝梁支架上進行吊設(shè)安裝分片小箱梁。根據(jù)設(shè)計高程進行精確對位,后澆濕接縫和橫隔板,再完成整體化層以及內(nèi)外側(cè)的防撞護欄,完成待移運的整跨上部結(jié)構(gòu)的施工。

(4)在預(yù)制裝配化工廠完成橋墩及蓋梁整體化的預(yù)制施工,并在墩底預(yù)留與承臺連接的錨固鋼筋。同時在橋位處,樁基和承臺先完成施工,對需與預(yù)制橋墩拼裝的承臺,承臺內(nèi)預(yù)埋灌漿連接套筒及主筋鋼筋的精確定位裝置。

(5)封閉高速公路的交通,采用SPMT模塊車支承并根據(jù)已規(guī)劃設(shè)定的移運路徑,將整跨拼裝上部預(yù)制結(jié)構(gòu)、蓋梁及墩柱整體預(yù)制結(jié)構(gòu)同步移運至設(shè)計橋位處。先完成預(yù)制蓋梁及墩柱整體與承臺的預(yù)制拼裝,再將梁體支承在蓋梁頂面處的臨時支座上,最后完成由臨時支座到永久支座的落梁轉(zhuǎn)換。

5.2 大尺寸斜交的預(yù)制墩及蓋梁整體與承臺的精確對位連接

目前國內(nèi)預(yù)制裝配化下部結(jié)構(gòu)主要為橫向雙柱墩或三柱墩的結(jié)構(gòu)。裝配化工廠對單柱矩形墩為單元進行預(yù)制,單柱墩尺寸較小,鋼筋布設(shè)較少,可一定程度上滿足承臺頂面預(yù)埋連接鋼筋與橋墩內(nèi)預(yù)埋的灌漿套筒連接精度的要求。但對于尺寸較大的預(yù)制板式墩或斜交布設(shè)的平行四邊形橋墩,由于結(jié)構(gòu)受力需要布設(shè)較多的鋼筋,若不采用設(shè)計精確的定位連接裝置,則可能存在預(yù)制橋墩及蓋梁整體與承臺內(nèi)的灌漿套筒由于誤差較大而無法實現(xiàn)精確連接的情況。

因此,本項目創(chuàng)新提出預(yù)制斜交板式墩和蓋梁一體與承臺精確定位連接裝置的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)。具體步驟:

(1)在預(yù)制裝配化工廠中場地內(nèi)對應(yīng)橋墩預(yù)制的臺座上預(yù)埋一套連接裝置,完成板式墩及蓋梁整體的預(yù)制,其中板式墩預(yù)埋至承臺的鋼筋通過臺座以及定位裝置進行固定。

(2)完成樁基施工后,將精確定位連接裝置根據(jù)橋墩預(yù)埋至承臺鋼筋位置進行精確放樣,在承臺中預(yù)埋灌漿連接套筒,將灌漿管延伸在承臺頂面之上,整體澆筑承臺。

(3)斜交板式墩及蓋梁整體預(yù)制完成施工后,將其整體移運至設(shè)計橋墩位置處,將橋墩的主筋與承臺中的灌漿套筒進行連接。完成精確定位后,對灌漿套筒進行灌漿處理。

圖41中的標(biāo)記說明:1-操作基坑;2-第一套定位工具;3-蓋梁現(xiàn)澆支架;4-橋墩,4a-橋墩主筋;5-蓋梁;6-樁基;7-承臺基坑;8-支撐架;9-第二套定位工具;10-灌漿套筒;11-承臺,11a-承臺主筋;12-交界墊層;13-豎直調(diào)節(jié)工具。

圖6 混凝土梁快速安裝案例

圖7 廣佛高速公路改造前平面圖

圖8 廣佛高速公路改造后平面圖

圖10 改造完成后雙向8車道的廣佛高速公路

圖11 廣佛高速公路改造前、后現(xiàn)場實景效果

圖12 中幅橋需拆除跨徑布置

圖13 東幅橋需拆除跨徑布置

圖14 中幅橋梁 重建跨徑布置

圖15 東幅橋梁 重建跨徑布置

圖16 施工準(zhǔn)備

圖17 移運東幅橋第9、12跨

圖18 移運東幅橋第10、11跨

圖19 移運東幅橋8#、9#墩柱

圖20 移運東幅橋9#、10#墩柱,第7#墩柱與

圖21 東幅橋第12#墩柱與第13跨同步移運

圖22 中幅橋9跨50mT梁移運

圖23 中幅橋第10#墩柱與第10跨同步移運

圖24 中幅橋第8#墩柱與第8跨同步移運

圖25 SPMT模塊車同步拆除橋墩和上部結(jié)構(gòu)

圖26 SPMT模塊車快速拆除東幅25m跨T梁、

圖27 SPMT模塊車快速拆除完成后中、東幅橋現(xiàn)狀

圖28 駝梁支架支承點位置處增設(shè)一道橫隔板

圖29 預(yù)制PC小箱梁分片吊裝于駝梁支架

圖30 于駝梁支架上完成整跨上部結(jié)構(gòu)施工

圖31 斜交板式墩和蓋梁一體化預(yù)制

圖32 承臺中預(yù)埋精確定位連接裝置和灌漿套筒

圖33 SPMT模塊車整跨移運上部結(jié)構(gòu)立面布置

圖34 SPMT模塊車整跨移運上部結(jié)構(gòu)橫斷面布置

圖35 SPMT模塊車整跨移運上部結(jié)構(gòu)平面布置

圖36 SPMT模塊車整跨移運上部結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工照片

圖37 大型混凝土橋梁“墩梁協(xié)同”整體快速安裝新方法

圖38 預(yù)制場地內(nèi)完成斜交板式墩和蓋梁一體化預(yù)制

圖39 橋位處完成樁基、承臺的施工

圖40 斜交的預(yù)制墩及蓋梁整體與承臺的精確對位連接

圖41 預(yù)制板式墩鋼筋與承臺的鋼筋通過灌漿

圖42 精確定位連接的裝置

圖43 承臺中預(yù)埋的精確定位連接裝置和灌漿套筒

圖44 預(yù)制板式墩鋼筋與承臺鋼筋通過灌漿套筒連接

6 結(jié)語

新工藝的研究和應(yīng)用為項目帶來了顯著的效果:中、東幅橋拆除和重建施工僅用6個月就順利建成通車,大大節(jié)約了建設(shè)成本,同時使交通影響最小化,降低了對社會車輛通行的影響,并使項目在工期緊、任務(wù)重的情況下順利建成通車。目前該橋已通車近2年,運營效果良好。本項目針對特殊建設(shè)條件下創(chuàng)新提出的“墩梁協(xié)同”整跨快速PC小箱梁新建技術(shù),可為后續(xù)同類型高速公路改擴建項目提供借鑒和參考。