復合圍堰法機械拆除水中橋梁基礎施工技術

劉解放,牛子民

(中鐵四局集團第二工程有限公司,江蘇蘇州 215131)

1 工程概況

常州市奔牛大橋位于江蘇239省道上,橫跨京杭運河；該橋于2008年5月出現損壞,地方政府決定將老橋拆除,并在原址處重建新橋。

如圖1所示,老橋主跨為51.6 m預應力混凝土系桿拱橋,新橋主跨采用108 m鋼桁梁,新、老橋均為上、下行分離的雙幅橋梁,且引橋均為16 m跨簡支空心板梁；從該新、老橋橋型布置圖上可以看出,老橋2號、3號主墩均處于新橋正下方的航道中。

圖1 新、老橋橋型布置(單位：cm)

新橋施工前,原計劃將老橋全部拆除,由于新橋主跨鋼桁梁采用浮拖法架設施工,考慮到老橋兩水中主墩可作為浮拖過程中的臨時支墩使用,因此老橋拆除時此兩主墩被保留了下來,待新橋建成后再予以拆除。

但后來在此老橋兩主墩拆除施工時發現,蓋梁與墩柱拆除較易,水中承臺與鉆孔樁拆除非常困難。如圖2所示,當時運河水位高程3.9 m,水中承臺頂面高程1.5 m、厚度1.6 m,每個水中承臺下為6根φ1.2 m鉆孔樁,且地方航道管理部門明確要求水中鉆孔樁樁頭須拆除至高程-2.7 m處(即承臺以下2.6 m),而新橋2號主墩岸上φ1.2 m鉆孔樁至老橋水中鉆孔樁最小凈距僅為8.41 m,因此采用何種方法安全拆除老橋水中基礎并確保附近新橋鉆孔樁不受大的擾動就成為問題的關鍵,也是本文所要闡述的對象。

圖2 新、老橋主墩位置(單位：cm)

2 拆除方法選擇

鋼筋混凝土結構的拆除方法主要有3種,即機械拆除、爆破拆除、靜態破碎,針對本次老橋水中鉆孔樁樁頭及承臺拆除施工的特點,從技術可行性與施工經濟性兩個方面對3種拆除方法分析比較如下。

(1)機械拆除。即采用風鎬、液壓鎬頭機、液壓鑿巖機等破碎設備或碟式切割機、鋼線切割機等切割設備,對水面以下承臺和鉆孔樁樁頭直接進行水下切割或破碎,也可采用筑圍堰后在無水環境中拆除。

此法優點是技術上可行,操作簡單,可有效控制拆除過程中對臨近新橋主墩鉆孔樁的不利影響；缺點是人員、設備投入多,工期長,與爆破拆除和靜態破碎相比,費用也是最高的。

(2)爆破拆除。即在水中承臺和鉆孔樁樁頭的某些部位鉆鑿小直徑炮孔,裝入起爆雷管和適量炸藥,起爆后使這些部位破碎并失去承載能力,從而將結構物拆除。

爆破拆除優點是工期短,經濟性好,爆破拆除費用與機械拆除、靜態破碎相比是最少的,并可根據要求達到很好的破碎效果；缺點是技術上不可行,由于待拆除老橋水中承臺與鉆孔樁距離新橋主墩基礎較近,根據文獻[1],建筑物或構筑物只有在振動安全容許距離之外才能保證其不受爆破的影響,爆破振動安全容許距離按下式計算

式中R——爆破振動安全允許距離，m；

Q——炸藥量,齊發爆破為總藥量,延時爆破為最大一段藥量,kg；

V——保護對象所在地質點振動安全允許振速,cm/s；

K、a——與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數,分別取K=350、a=2.0。[1]

(3)靜態破碎,即利用裝在待破碎結構物鉆孔中的靜態破碎劑與水拌和后發生的水化反應,使破碎劑晶體變形,產生體積膨脹,當這種膨脹受到孔壁的約束后,積聚的能量就會產生膨脹壓力,從而緩慢地將混凝土破碎。[3]

靜態破碎的優點是無振動、無沖擊波,經濟性介于機械拆除和爆破拆除之間；缺點是技術可行性不佳,由于靜態破碎劑的水灰比一般控制在20%～30%[2],水灰比太大,其膨脹壓力太小,因此靜態破碎進行水下拆除時,施工難度很大,比較適用于水面以上結構物的破碎拆除。

根據對上述3種拆除方法的分析比較,本次水中承臺與鉆孔樁樁頭采用機械拆除；但考慮到鉆孔樁樁頭需拆除至承臺底面以下2.6 m,相當于水面以下6.6 m、運河駁岸擋墻頂面以下8.4 m,若直接進行水下切割或破碎,施工難度和費用將會大幅增加,且大面積的水下土方開挖也會影響臨近新橋主墩鉆孔樁的土側壓力平衡。因此本次承臺與鉆孔樁樁頭拆除時充分利用圍堰。先施工圍堰并在無水條件下拆除承臺,然后在承臺圍堰不拆除的情況下,在每根鉆孔樁樁頭處插打鋼護筒并逐根拆除之,從而避免了鉆孔樁樁頭拆除時的大面積土方開挖,僅僅是鋼護筒內與每個樁頭之間土方的局部少量開挖。這種采用大圍堰套鋼護筒拆除水中承臺與鉆孔樁的方法,本文稱其為復合圍堰法。

3 復合圍堰設計與計算

3.1 復合圍堰設計

(1)承臺圍堰

圖3 承臺圍堰半平面結構(單位：cm)

(2)鋼護筒

圖4 鋼護筒結構(單位：cm)

3.2 復合圍堰計算

(1)承臺圍堰計算

圍堰計算主要是骨架的受力檢算,參考文獻[4]關于對土側壓力、水壓力、波浪荷載等的計算,參考文獻[5]關于用m法對彈性樁的計算,按照以下兩種工況對圍堰骨架進行了計算。

工況一,土芯墻填筑過程中,隨著土芯墻的不斷增高,鋼管樁受力不斷增加,直至土芯墻填筑完畢,此時鋼管樁受力最大,按單根鋼管樁檢算其受力及穩定性。

工況二,鋼管樁-土芯墻圍堰形成后,圍堰內抽水,隨著圍堰內水面的不斷下降,圍堰骨架受力不斷增大,直到圍堰內抽水完畢,此時骨架受力最大,把骨架與堰身填料作為整體分析其受力及穩定性。

經過計算圍堰骨架受力滿足文獻[6]關于鋼結構強度、剛度及穩定性的要求,此外還根據文獻[7]對圍堰在承臺拆除過程中的抗傾覆、抗隆起、抗滲透等的穩定性進行了計算,均滿足要求。

(2)鋼護筒計算

采用Midas/civil有限元計算軟件,按照下述工況對鋼護筒受力進行了計算。鋼護筒施沉至設計深度后,挖除護筒內樁周土,隨著樁周土的不斷向下開挖,護筒在土側壓力的作用下,其受力不斷增大,直至樁周土挖除完畢滿足鉆孔樁樁頭拆除條件時,護筒受力最大,檢算其在此工況下鋼護筒受力。

經過計算,鋼護筒受力滿足文獻[6]關于鋼結構強度、剛度及穩定性的要求。此外，鋼護筒施沉采用液壓振動錘,參考文獻[8],計算了鋼護筒穿越土層時破壞阻力對液壓振動錘激振力的要求及相應沉樁條件。

4 水中基礎拆除及實施效果

本次采用復合圍堰機械拆除水中承臺與鉆孔樁樁頭的具體施工步驟為：施沉鋼管樁,填筑土芯墻,形成鋼管樁-土芯墻圍堰→圍堰內抽水清淤,在無水條件下用液壓鎬頭機破碎拆除圍堰內兩個鋼筋混凝土承臺→圍堰內清理承臺拆除后的碎塊,在待拆除的單根鉆孔樁樁頭處施沉鋼護筒,挖除鋼護筒內的樁周土,人工操作風鎬在滿足拆除要求的高程處將樁頭截斷并吊離之,在樁頭拆除后的鋼護筒內及時回填土方,然后拔除鋼護筒用做下一根鉆孔樁樁頭的拆除→逐根拆除兩個承臺下其余的11根鉆孔樁樁頭,至此單個老橋主墩下的水中基礎全部拆除完畢,然后拆除圍堰,準備施工另一個老橋主墩下水中基礎的拆除→重復上述步驟拆除另一個老橋主墩下的水中基礎→兩個老橋主墩下水中基礎全部拆除完畢,完成施工。

本次老橋主墩水中基礎拆除歷時62 d,承臺圍堰及鋼護筒使用良好,臨近新橋主墩基礎沒有受到任何不利影響,施工也非常順利。本次拆除施工完成工程量包括：C25鋼筋混凝土承臺130.4 m3/個×4個=521.6 m3,2.6 m長C25鋼筋混凝土φ1.2 m鉆孔樁樁頭2.9 m3/個×24個=69.6 m3；施工投入主要包括：兩次筑、拆鋼管樁-土芯墻圍堰3 500元/m×51.9 m=18.2萬元,鋼護筒2.6萬/個×2個=5.2萬,其他機械租賃費約25萬、人工費約15萬,費用合計約63.4萬；每立方鋼筋混凝土水中基礎拆除費用平均約為1 100元。

5 結語

橋梁上部結構的拆除,不管是采用機械拆除,還是爆破拆除,各種文獻中多有著錄,施工實踐中也多有接觸；但水中橋梁基礎的拆除,則少有論述,這主要是由于水中結構物在不影響航道安全的情況下,一般不考慮將其拆除的問題,故施工案例較少見。本文針對施工條件限制,提出了采用復合圍堰法機械拆除水中橋梁基礎,既出色地完成了拆除施工任務,又有效地保護了臨近結構物的安全,豐富了橋梁結構拆除的領域,提供了水中橋梁基礎拆除的施工經驗。

[1]GB6722—2003,爆破安全規程[S].

[2]張繼春.工程控制爆破[M].成都：西南交通大學出版社,2001.

[3]王光金.靜態爆破技術在橋梁施工中的應用[J].安徽建筑,2007(2).

[4]JTG D60—2004,公路橋涵設計通用規范[S].

[5]JTG D63—2007,公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[6]GB 50017—2003,鋼結構設計規范[S].

[7]YB 9258—97，建筑基坑工程技術規范[S].

[8]高振峰.土木工程施工機械實用手冊[M].濟南：山東科學技術出版社,2005.