姚正斐

(中鐵二十二局集團(tuán)有限公司 北京 100043)

1 引言

隨著交通強(qiáng)國建設(shè)戰(zhàn)略的實(shí)施，一批城市老舊橋梁升級改造刻不容緩。在交通量的增加、荷載等級提高及運(yùn)營年限增長情況下，一些鋼筋混凝土橋梁因受制于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、施工水平、建筑材料等客觀條件，尚不能滿足于城市道路保障或水域通航能力要求，需要拆除重建[1]。根據(jù)工程實(shí)踐，橋梁因結(jié)構(gòu)構(gòu)造和所處環(huán)境不同，在拆除時(shí)面臨的問題和風(fēng)險(xiǎn)不盡相同，因而拆除方法也各有所異?；诓鸪齽?dòng)力、設(shè)備和材料等方面，橋梁拆除主要有人工拆除、機(jī)械拆除、爆破拆除或綜合拆除等；基于拆除工藝等方面，主要有直接式、支撐式、吊裝式和爆破式拆除[2]。國內(nèi)對于橋梁拆除的研究，取得了一些成果，荊偉偉等[3]針對橋梁拆除施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究，建立了以拆除規(guī)模、氣候水文條件、橋位特征、施工環(huán)境、施工工藝和橋梁狀況的風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系；張松等[4]在老橋混凝土拆除中，運(yùn)用金剛石繩鋸切割技術(shù)措施，有效降低施工作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)和對環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)；張穎[5]通過有限元軟件模擬分析了支架及梁體在橋梁拆除施工中的應(yīng)力變化，確定分塊結(jié)構(gòu)的切割順序，圓滿完成預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)橋梁的靜力拆除任務(wù)；肖建莊等[6]提出建筑拆除是建筑生命周期的關(guān)鍵環(huán)境，與建筑固廢資源化利用緊密相連的綠色拆除方案；近年來SPMT模塊車快速拆建橋梁工法被應(yīng)用于城市多孔橋梁和天橋的拆建施工；瑞典布魯克(Brokk)公司的多功能拆除機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于環(huán)境惡劣和條件苛刻的拆除施工，在建筑拆除、混凝土鉆切、搶險(xiǎn)救援、冶金爐窯等方面均有成功應(yīng)用先例。對于已有的研究，上部結(jié)構(gòu)為簡支梁的拆除以及混凝土構(gòu)件的爆破拆除方法較多。但復(fù)雜市域環(huán)境下跨航道綠色拆除施工，尤其是拆除主橋與新建輔橋并行施工的相關(guān)研究較少，且各種拆除的環(huán)境條件不盡相同，現(xiàn)有施工技術(shù)適用性不強(qiáng)。本文依托紹興市二環(huán)西路智慧快速路鑒湖大橋拆建施工項(xiàng)目，重點(diǎn)針對拆除方法研究，總結(jié)了該橋綠色拆除施工關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合橋梁拆除期間梁體應(yīng)力變化的理論分析與現(xiàn)場實(shí)測對比，保證了單肋拱橋拆除施工安全，可為類似工程提供參考。

2 工程概況

浙江省紹興市二環(huán)西路鑒湖大橋始建于1999年，橋全長304.86 m，設(shè)計(jì)為雙線四車道，跨越紹興主城區(qū)鑒湖水域，通航孔設(shè)計(jì)為Ⅴ級航道，水深4～6 m。主跨為中承式五跨三室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁單肋拱橋，跨徑為(20＋40＋60＋40＋20)m，箱梁全寬27 m、底寬17 m、高2.05 m，梁底距水面凈高為4.7 m，見圖1。單拱肋采用鋼管箱形混凝土結(jié)構(gòu)，主拱設(shè)9排豎向吊桿、單側(cè)副拱設(shè)5排豎向吊桿，每排呈雙吊桿形式，吊桿采用鋼絲束，吊桿外側(cè)為A3鋼套管，單根吊桿索力為1 200 kN。

圖1 鑒湖大橋舊橋照片

鑒湖大橋經(jīng)過20余年的運(yùn)營和紹興市新建2022年杭州亞運(yùn)會配套智慧快速路的需要，需拆除鑒湖大橋舊橋，原位新建1座主橋和2座輔橋，主、輔橋設(shè)計(jì)均為(55＋85＋55)m連續(xù)變截面鋼箱梁結(jié)構(gòu)，主橋?qū)?7 m，輔橋?qū)?7 m，主、輔橋間距僅1 m。

3 施工重難點(diǎn)分析

(1)施工周圍環(huán)境復(fù)雜。該橋?yàn)榻B興市二環(huán)西路主干道，跨越鑒湖水域，湖面寬220 m。橋的北側(cè)均為居民安置區(qū)，南側(cè)兩岸廠房多。橋上護(hù)欄外裝有多條通信管線，橋下有直徑為400 mm燃?xì)夤艿篮椭睆綖? 000 mm給水管。橋位處水下殘留建橋時(shí)未全部拆除的96個(gè)樁頭支架基礎(chǔ)，樁頭直徑60 cm、長約3.5 m。

(2)橋梁拆除施工難度大。本橋?yàn)橹谐惺絾卫吖邦A(yù)應(yīng)力連續(xù)梁特殊結(jié)構(gòu)，拆除施工為反向卸荷過程，尤其是吊桿和拱肋的拆除會導(dǎo)致橋梁應(yīng)力重分配，施工過程中構(gòu)件的承載能力和自穩(wěn)性難以保證。橋址處為內(nèi)河航道，水系雖發(fā)達(dá)，尚不具備大型水上吊裝作業(yè)條件，施工作業(yè)空間受限。城市主干道，車流量大、交通組織難度大，在橋下搭設(shè)拆除支架以及拆除單拱肋等施工難度大。

(3)施工保通壓力大。鑒湖大橋施工期間交通不中斷，需先新建東側(cè)輔橋通車后再拆除主橋，新建主橋和西側(cè)輔橋，鄰近繁忙通行道路施工干擾大、風(fēng)險(xiǎn)高。橋梁跨越航道南塘線，船舶流量日均為40艘次，主要為100～300 t級貨船、泥漿船，最大通行船舶為玻璃廠石英砂船(500 t級貨船)，施工期間要求不封航，橋梁拆除吊裝施工存在高空墜物和水上、水下礙航風(fēng)險(xiǎn)，對通航安全影響大。

(4)施工環(huán)保要求高。橋址位于全國文明衛(wèi)生城市紹興市主城區(qū)，鑒湖為水源保護(hù)區(qū)，鄰近居民集中區(qū)。合理的拆除方法及拆除施工過程廢棄物的處置、施工廢水處理、施工機(jī)械噪聲控制等均是本工程控制的重點(diǎn)。

4 拆除施工技術(shù)方案比選

4.1 拆除施工方法比選

依據(jù)本工程特點(diǎn)、施工環(huán)境以及當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門關(guān)于橋梁拆除的要求，結(jié)合國內(nèi)橋梁拆除施工可選擇的方法，擬選用控制爆破拆除、靜態(tài)破碎拆除、機(jī)械破碎拆除和靜力切割等方法，從施工難度、工期、安全、成本及綠色環(huán)保等5個(gè)方面進(jìn)行綜合分析[7]，見表 1。

表1 拆除技術(shù)方案比選

經(jīng)方案綜合分析對比，優(yōu)選靜力切割拆除方法，即搭設(shè)橋梁拆除支架，采用金剛石繩鋸分塊切割的拆除方法。

4.2 總體施工方案

按自上而下逆向工序進(jìn)行拆除，首先拆除橋面附屬結(jié)構(gòu)，再切割拆除箱梁翼緣板，最后逐步拆除系桿拱橋吊桿、拱肋、梁體、墩臺結(jié)構(gòu)。橋面附屬和箱梁翼緣板拆除利用吊車站位橋上拆除完成。搭設(shè)鋼管支架作為箱梁拆除施工支撐系統(tǒng)，拱肋和箱梁拆除利用85 t龍門吊或汽車吊作為起重設(shè)備。拱肋吊桿拆除首選對拱肋穩(wěn)定性和系桿拱橋支座位移影響較小的施工順序。吊桿切割采用氧氣－乙炔熱熔切割，拱肋、箱梁和下部結(jié)構(gòu)等混凝土構(gòu)件采用繩鋸法靜力切割。

5 施工關(guān)鍵技術(shù)

5.1 低凈空有限空間搭設(shè)拆除支架施工關(guān)鍵技術(shù)

拆除支架采用“鋼管立柱＋型鋼橫梁”支撐方案。低凈空有限空間拆除支架搭設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，采用在避開梁體隔板或中隔梁對應(yīng)支架鋼管樁搭設(shè)位置處鉆孔后開800 mm×800 mm矩形孔，采用70 t履帶吊配DZ-120型振動(dòng)錘在橋面上打設(shè)φ630 mm×10 mm鋼管樁，兩排鋼管組成支墩，間距為2 m。鋼管柱橫向設(shè)4根，間距為(6.4＋5.2＋6.4)m，縱向布置間距為10～15 m，最大在通航孔處為17 m。鋼管頂部設(shè)厚度為10 mm、平面尺寸為80 cm×80 cm鋼板。鋼板頂部為4根 40a工字鋼橫梁，長度根據(jù)橋面寬17 m(梁部每側(cè)5 m翼緣板先行拆除)確定為24 m，鋼橫梁通過水上工作船運(yùn)至安裝位，橋上兩臺25 t汽車吊吊裝就位，與鋼管柱頂鋼板焊接連接。鋼橫梁頂通過人工在橋下將高約20 cm的φ219 mm×10 mm調(diào)節(jié)鋼管焊接于鋼橫梁上并保證與梁底密貼，解決梁底鋼束錨頭凸起及作業(yè)空間問題。拆除支架如圖2所示。

圖2 主孔拱肋與梁體拆除支架結(jié)構(gòu)立面布置

待梁體拆除完成后，采用橋上設(shè)置的85 t龍門吊將支架橫梁吊移至岸邊，鋼管柱接高后作為新建主橋鋼箱梁拼裝支架使用。主橋完成后可在兩側(cè)輔橋上采用50 t吊車拆除支架。

5.2 吊桿拆除施工關(guān)鍵技術(shù)

中承式拱橋吊桿的拆除是整個(gè)拆除施工中風(fēng)險(xiǎn)最高的環(huán)節(jié)，因此，利用有限元分析軟件，對鑒湖大橋吊桿拆除過程受力安全性進(jìn)行仿真分析，建立預(yù)警系統(tǒng)對拆橋過程進(jìn)行監(jiān)控[8]。

5.2.1 結(jié)構(gòu)仿真分析

鑒湖大橋吊桿采用151 φ5.5 mm不銹鋼絲，鋼絲抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度σ＝1 250 MPa，彈性模量Ey≥1.6×105MPa，吊桿破斷索力為4 482 kN。根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)顯示，在考慮結(jié)構(gòu)自重與活載時(shí)的單根吊桿最大組合應(yīng)力值為2 421 kN。采用Midas civil建立有限元模型如圖3，通過控制變量法分析不同的吊桿拆除順序?qū)χ髁杭肮袄叩奈灰?、?yīng)力影響分析，選取其中對主梁線形及應(yīng)力影響最小的吊桿拆除順序。

圖3 鑒湖大橋吊桿拆除有限元模型

鑒湖大橋現(xiàn)場吊桿布置形式如圖4，取主拱吊桿拆除順序進(jìn)行分析，副拱吊桿拆除順序參照主拱。在建造時(shí)吊桿一次性張拉，但吊桿切割不能一次完成，因此提出4種吊桿拆除順序:(1)跨中向兩側(cè)對稱切割，即①→②→③→④→⑤；(2)兩側(cè)向跨中對稱切割，即⑤→④→③→②→①；(3)兩側(cè)向跨中對稱跳躍式切割，即⑤→③→①→④→②；(4)先拆兩側(cè)，再拆跨中，最后對稱跳躍式切割，即⑤→①→③→④→②。

圖4 吊桿編號示意

通過吊桿拆除模擬分析，4種拆除順序下橋梁拱肋最大應(yīng)力、位移見圖5。

圖5 拱肋最大壓應(yīng)力和位移變化折線

吊桿拆除施工檢測以應(yīng)力控制為主、位移控制為輔。由圖5可知，通過4種吊桿拆除順序?qū)Ρ?，拱肋?yīng)力、位移逐漸增大，在最后階段吊桿拆除完成時(shí)拱肋應(yīng)力最大值為113.4 MPa，位移最大值為23.1 mm。采用方案一時(shí)，前4個(gè)拆除階段的拱肋最大應(yīng)力均小于其余3個(gè)方案。綜上，吊桿拆除選用方案一:跨中向兩側(cè)依次對稱切割的順序。

5.2.2 拆除方法

首先采用氧氣－乙炔在距梁面1.2～1.5 m位置處從跨中向兩端依次對稱進(jìn)行預(yù)熱，使主梁下?lián)下湓诓鸪Ъ苌?，然后緩慢切割吊桿直至整根完全斷開。為防止吊桿熔斷過程發(fā)生瞬間繃斷、彈射現(xiàn)象，在單根吊桿拆除前，采用自制鐵箍型扣件將3根相鄰吊桿纏繞約束，防止吊桿切割過程中已斷鋼絲彈射飛出傷人，吊桿扣件采用φ16 mm鋼絲繩固定在未拆除吊桿上。

5.3 單拱肋綠色拆除施工關(guān)鍵技術(shù)

(1)拱肋支架。采用在橋面上搭設(shè)φ377×10 mm無縫鋼管，4根鋼管組成支墩[9]，橫向間距3 m、縱向間距2 m。鋼管間連接采用 20a槽鋼，鋼管柱頂設(shè)雙拼 20a工字鋼橫梁(見圖2)。梁體拆除支架搭設(shè)完成后自跨中向兩側(cè)安裝拱肋支架。主拱肋支架設(shè)5個(gè)支墩，副拱肋支架設(shè)2個(gè)支墩。支墩均在現(xiàn)場制作而成，利用25 t汽車吊吊裝就位，雙拼 20工字鋼橫梁上設(shè)φ219×10 mm調(diào)節(jié)鋼管，調(diào)節(jié)鋼管與橫梁焊接連接，確保與拱肋密貼。支墩底部通過膨脹螺栓與梁體錨固，相鄰支墩間采用φ219×10 mm鋼管縱向連接形成整體。

(2)拱肋拆除方法。采用繩鋸自拱頂向下逐段切割，分段長度2～3 m，重量控制在20 t以內(nèi)，利用85 t龍門吊或站在橋梁上的50 t吊車起吊、逐段吊離。

5.4 梁體綠色拆除施工關(guān)鍵技術(shù)

采用2臺50 t汽車吊自主孔中間向兩端依次拆除梁體面板、底板，最后采用龍門吊拆除梁體的各橫梁，縱、橫向拆除切割線對應(yīng)支墩中軸線位置。拆除堅(jiān)持分塊基本均等[10]，混凝土最大塊重不超過65 t，以滿足85 t龍門吊安全起吊。梁體切割采用噪聲小、粉塵小的金剛石繩鋸，拆除作業(yè)面采用消噪防護(hù)棚，切割過程采用水槍連續(xù)沖水防止作業(yè)粉塵，廢水采用梁底污水收集箱集中回收，防止污染水源。拆除塊吊至橋頭后，統(tǒng)一運(yùn)至集中回收站再生后利用于本標(biāo)段路基填料。鋼構(gòu)件通過回收再加工利用。

5.5 混凝土拆除塊吊裝關(guān)鍵技術(shù)

綜合考慮橋梁拆除和新建施工需要以及主橋和輔橋間1.0 m有效空間，基于工作面的吊裝需求和經(jīng)濟(jì)效率，采用廠制85 t龍門吊吊裝方案，如圖6。龍門吊跨度28 m、高度23.8 m、主鉤額定起重量85 t、副鉤額定起重量10 t。

圖6 龍門吊及其支架立面圖

(1)龍門吊基礎(chǔ):采用φ800×12 mm單排鋼管樁，樁間距9 m，兩端設(shè)雙排樁間距為3 m的制動(dòng)墩。在通航孔處跨徑為15 m，支墩鋼管間距為1.5 m。為增強(qiáng)整體穩(wěn)定性，軌道基礎(chǔ)鋼管樁與相鄰鋼管樁采用φ280×10 mm的鋼管連接，同時(shí)也與輔橋施工支架預(yù)留的1排鋼管樁及舊橋拆除支架鋼管樁均連接，均采用φ219×10 mm鋼管進(jìn)行水平和斜向桁架式焊接連接。

(2)小橫梁:在鋼管樁頂設(shè)長度為1.5 m的雙拼 40工字鋼作為橫梁。

(3)縱梁:采用6排標(biāo)準(zhǔn)貝雷片組成縱梁，橫聯(lián)采用定制花架連接，貝雷梁和橫梁間設(shè)限位角鋼。在通航孔處設(shè)伸縮縫，防止龍門吊基礎(chǔ)變形，同時(shí)將貝雷梁插銷定制為φ30 mm圓鋼，通長穿孔固定，增強(qiáng)縱梁整體穩(wěn)定性[11]。

(4)分配梁:由雙拼 22a工字鋼組成，與貝雷梁間采用U型卡限位固定，采用角鋼焊成X型將相鄰分配梁連接，以增強(qiáng)整體剛度。

6 拆除施工安全監(jiān)測

6.1 監(jiān)測項(xiàng)目及方法

為確保主梁拆除過程中施工安全，通過建立模型分析工況，確定監(jiān)測預(yù)警值[12]。施工過程中將實(shí)測值與預(yù)警值對比，發(fā)現(xiàn)異常和危險(xiǎn)情況時(shí)及時(shí)采取相應(yīng)措施，施工監(jiān)測項(xiàng)目及方法見表2。

表2 主要監(jiān)測項(xiàng)目及方法

6.2 監(jiān)測結(jié)果

拆除過程中，各測點(diǎn)的實(shí)測值均小于理論計(jì)算修正值，且二者擬合較好，拱腳幾乎未發(fā)生變形，梁體無破壞趨勢，監(jiān)測過程中未發(fā)生報(bào)警，使得整個(gè)拆除過程安全平穩(wěn)可控。

7 結(jié)束語

鑒湖大橋拆除選用靜力切割法分段切塊吊移的方法，拆除過程中按照逆序、對稱及嚴(yán)格控制塊重的要求，通過對吊桿拆除順序仿真分析，確定了拆除安全檢測預(yù)警值，拆除過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測并與預(yù)警值對比，確保了拆除施工安全受控。通過本工程實(shí)踐表明:

(1)傳統(tǒng)的人工拆除、機(jī)械破碎和爆破拆除已不宜用于城市大跨或跨航道橋梁，尤其是鄰近居民區(qū)的橋梁拆除作業(yè)，靜力切割法是目前城市橋梁應(yīng)用最廣泛的拆除方法。

(2)靜力切割法除了目前適應(yīng)性較強(qiáng)的繩鋸切割外，還有針對薄構(gòu)件的水刀切割在某些特殊環(huán)境下也被成功應(yīng)用。隨著人工智能和智慧化建造在建筑業(yè)的快速發(fā)展，靜力切割機(jī)械法拆除和拆除機(jī)器人將不斷優(yōu)化，會更加趨于智慧化、智能化，提高施工作業(yè)安全性、適宜性和經(jīng)濟(jì)性。

(3)在“雙碳”背景下的建筑環(huán)境，橋梁拆除廢料資源化有效利用將成為建筑人綜合考慮的關(guān)鍵工序。