大型挖掘機配加長臂拆除雙曲拱橋施工技術研究

邱藝武

（清遠市公路管理局應急搶險中心，廣東清遠 511500）

0 引言

上世紀六七十年代建造的大多數雙曲拱橋，都普遍存在橋梁結構老化、病害嚴重的問題，由于經濟快速發展、交通量增加和荷載等級提高等因素，這類設計荷載等級低、使用時間長的雙曲拱橋，原則上均要求拆除重建[1]。

由于舊拱橋經過三四十年的通車運營，其強度、剛度、穩定性都存在不同程度的下降，拆除時有較多的不確定因素，因此拆除舊橋工程是一項具有一定技術難度、存在較大安全風險的特種工程。由于從項目立項開始，其焦點往往在建設新橋方面，普遍對舊橋拆除施工方案、費用存在忽視的問題，同時，現階段舊橋拆除工程缺乏相關的設計和施工規范，亦使施工圖設計在該方面難以達到指導實際施工的深度。而施工單位提出的舊橋拆除方案，很難在安全、成本、進度、環保等方面做到均衡統一，實際上施工組織往往左支右絀難以兼顧。這種情況是絕大多數拆除重建橋梁工程的行業通病，亦帶來了近年來此類拆橋事故頻發的現象。

1 拱橋拆除常用方法分析

拱橋常用拆除方法主要有機械拆除和爆破拆除兩大類。

1.1 機械拆除方法

機械拆除主要是將橋梁上部結構幾乎全部用切割吊運（或鑿除破碎）方法分部、分塊進行拆除的方法。不同于一般梁式橋拆除，由于拱橋受力情況比較復雜，拆除時通常需按拱橋施工逆序、均衡卸載的方式進行拆除，需要有非常嚴格的卸載程序，否則可能導致原有結構出現意外破壞，而發生安全事故。拱橋正序施工一般采用支架法和預制吊裝法。拆除時，按逆序均衡的方式，同樣需要搭設大型支架支撐后拆除，或者敷設索道吊裝和扣掛系統，進行機械切割拆除。

這種拆除施工方法臨時設施復雜，卸載程序要求嚴謹，成本高、周期長、技術復雜，優點是對河流、航道及周邊環境影響較小，拆除過程可控、安全。主要在跨繁忙的通航河道、深水區、城市跨越道路及峽谷不宜爆破地區的橋梁需要拆除時有所采用，如重慶武隆峽門口大橋采用了索道吊裝和扣索扣掛拆除[2]，重慶市巴南區跨內環快速石龍立交跨線橋采用了支架法拆除。

1.2 爆破拆除方法

爆破拆除主要是利用雷管和炸藥對拱橋結構的相應部位進行爆破，以使拱橋解體和破碎的方法。

因橋頭兩岸一般都是建筑密集的區域，爆破環境受到限制，需要協調及審批的部門多，爆破技術復雜，安全措施要求高，施工準備時間長，爆破碎渣落入河道后，可能對航道和環境造成一定影響。這種拆除施工方法的優點是拆除速度快、效果明顯，可以通過爆破技術控制倒塌方向、破壞范圍及產生的有害效應。爆破拆除方法主要用于旱地和對河道、周邊建筑影響不大的區域內的橋梁拆除。隨著控制爆破技術的發展和居民接受程度提高，城鎮橋梁也在逐漸采用爆破拆除方法，如重慶巫溪大橋和彭水郁江大橋均采用了爆破拆除[3-4]。

隨著國內設備能力的提高，對一些在特定區域和特定條件下的舊拱橋，采用機械直接拆除，使拱橋拆除簡單、工期短、成本低成為可能。本文通過對三座雙曲拱橋的拆除方法的研究和實踐，提供了一種技術簡單、安全可控、施工快捷、成本低廉的拱橋拆除技術。

2 大型挖掘機配加長臂拆除施工可行性分析

2.1 當前拆除機械的發展

目前隨中高層建筑拆除機械的發展，大型挖掘機配三、四段式加長臂破碎錘（或破碎鉗）在國內已是常用拆除設備（圖1），國內從事此類設備生產配套廠商有50余家，其加長臂長度已達到36m，并有進一步發展的趨勢。

圖1 大型挖掘機配三段式加長臂破碎錘

一般挖掘機會隨原型機重、功率等參數配套不同長度的三、四段式加長臂，小松挖掘機配三段式加長臂，具體參數見表1。

加長臂28m機型在七層以下樓房拆除施工中廣泛應用，更長的加長臂機型有在十層以下樓房拆除施工應用的記錄。采用此類機械設備進行樓房拆除作業，由于機械設備自身先進，確實可以達到快捷、高效的施工目的。

2.2 大型挖掘機配加長臂拆除跨河雙曲拱橋可行性分析

2.2.1 待拆除橋梁概況

表1 小松挖掘機配三段式加長臂參數表

表2 三座舊橋主要數據表

粵北山區三座跨北江支流（連江河、嶺背河）雙曲拱橋因結構安全和使用需求問題，需要進行拆除施工。三座舊橋簡況如表2。

2.2.2 拆除橋梁特點

與拆除中高層建筑相比，拆除粵北山區跨河雙曲拱橋具有以下不同的特點：

（1）雙曲拱橋縱向呈帶狀布置，建筑高度明顯比中高層建筑低矮，如舊青蓮大橋（圖2），在常水位3.27m時，拱頂底面高程12.87m，橋面高程13.87m。

圖2 舊青蓮大橋

（2）與中高層建筑多為鋼筋混凝土框架結構或剪力墻結構不同，雙曲拱橋的主要承載構件是鋼筋混凝土拱肋，在豎直荷載作用下，拱端不僅有豎直反力，還有水平推力。

（3）拆除作業環境、條件、施工期存在明顯差別。拆除建筑中高層樓房作業環境周圍是地面，主要考慮周圍建筑受限等問題，施工期受季節影響較小。而拆除雙曲拱橋作業環境是河面，主要考慮河面施工平臺機械作業、清渣、環保等問題，施工期受降雨及河流汛期影響很大。

2.2.3 需解決的問題

將中高層建筑拆除時采用大型挖掘機配加長臂施工的方法引入到粵北山區跨河雙曲拱橋拆除上，需要解決以下幾個主要問題：

（1）合理選擇施工期：在枯水期施工，保證施工機械能到達安全的拆除位置，避免施工受到河流水位變化的影響；

（2）合理布設河面施工平臺和施工道路，保證大型施工機械具有良好的通過性和操作穩定性；

（3）同時采取措施保證拆除舊橋碎渣不會造成航道堵塞和河水污染。

（4）選擇合適機型和加長臂配置，確保機械操作位于橋梁拆除的安全范圍內。

（5）編制拆除施工安全作業方案和規程，并完善應急預案。

只要能夠解決以上問題，就能將大型挖掘機配加長臂拆除機械引入到雙曲拱橋的拆除施工中，發揮機械的先進性能，達到安全、快捷、高效的施工目的。

3 大型挖掘機配加長臂拆除雙曲拱橋研究與應用

3.1 施工期與河流水位選擇

粵北山區跨河橋其橋下河流水位H水是個在一段時期內及在一定范圍內不斷變化的變量，水位的高低值可用0≤H水≤H水MAX（最大洪水位）表示。

根據水文資料，連江河流域多年平均降雨量在1400～2200mm之間，自上游至下游遞增，年內分配不均勻，多集中在春、夏季，一般在3月中、下旬進入雨季[5]。年徑流量為119.8億m3，年內分配與降雨趨勢相近，徑流量主要集中在3—8月（汛期），約占全年70%左右[5]。

在當年汛期，河流水位可能達到H水MAX的高度；而在當地河流冬季枯水期，河流水位可能接近0水位，實際據多年觀察，此時河流水位應1.5～2.5m之間，若利用當地水利樞紐工程、水庫調節等設施進行調節，在短期內河流水位可能接近0水位。

拆除施工選在11—2月之間，河流水位較低，非常適當采用機械拆除施工。

3.2 河面施工平臺

拆除前的基礎準備工作是填筑河面施工平臺，一般要求河面施工平臺寬度沿舊橋面各加寬5m，長度沿舊橋縱向考慮河水流量、作業順序及河床清渣方便等因素，預留河流過水缺口，填筑時采用挖掘機、裝載機等機械配合作業進行平整，另在施工平臺周圍拋砂袋進行加固。

河面施工平臺主要有以下幾方面的作用：一是作為拆除施工機械的作業工作面；二是起支承拆舊橋廢料作用，防止舊橋廢料對河流造成污染；三是方便后期對舊橋構件進行破碎和清理，最后是舊橋垮塌后減輕觸地沖擊振動起到緩沖層作用。

經過研究比較，施工平臺可以就地取材，采用砂礫填筑水中施工平臺，主要有以下優點：

首先，填料用施工河段附近的砂礫，由于施工上下河段存在挖砂生產作業，用原河的砂礫填筑水中施工平臺起支承舊橋廢料的作用，可以減輕對河水的二次污染，便于解決方案評審時環評過程中所遇到的環保問題。

其次，就地取材，方便快捷，成本費用低，利于施工作業的快速推進。

最后，工程完工后，水中施工平臺其水下部分所填砂礫完全可用挖砂船作業方式清理至河床面，達到恢復河道的要求。

3.3 拆除機型的選擇

據多次前往中高層建筑拆除施工現場調查，結合幾次拆除雙曲拱橋使用此類機械設備的經驗，考慮到機械設備使用自身安全、性能下降和拱橋拆除時可能發生連拱倒塌等因素，總結選用主要拆除機型一般要滿足以下兩個的經驗公式：

（1） Hw×δ≥Hmax；

（2） R×λ≥Hmax×β；

Hmax為拆除機械駐機位置平面與待拆橋面的最大高差，一般可取實測橋面與施工平臺最大高差，單位：m；Hw為選擇主要拆除機型最大挖掘高度，單位：m；δ為選擇主要拆除機型挖掘高度折減系數，取值區間（0，1]，一般可取0.8；R為選擇主要拆除機型最大挖掘半徑，單位：m；λ為選擇主要拆除機型挖掘半徑折減系數，取值區間（0，1]，一般可取0.9；β為拱橋拆除時發生連拱倒塌時或突然倒塌時在高度Hmax結構物可能造成破壞的影響系數，取值區間（0，3]，一般可取1.25。如舊青蓮大橋實測Hmax為14.29m，參考表1小松挖掘機配三段式加長臂參數表，選用PC300LC-7小松挖掘機配加長臂長22m的設備作為主要拆除機型。

實際上選擇的機型并非越大型、加長臂越長會越好，因為大型機太大會造成功率、性能上的浪費，且帶來河面施工平臺通過性較差，穩定性較差等問題。若選用機型只能滿足公式（1）、（2）其中一個要求，而本區域機械選擇面較窄，可采取預拆除橋上欄桿降低高度或用土工作業方式抬高機械駐機位置等靈活多樣的處理方法。另外同等條件的機型應優先選擇有外帶類似裝甲防護裝置的。

3.4 大型挖掘機配加長臂拆除雙曲拱橋方法

拆除機械駐機位置平面與待拆橋面的高差H是一個隨拆除機械駐機位置平面的高度不同及拆除橋跨的高度降低而變化的變量，其高差H越大，機械拆除難度越大，安全性越差。同時其高差H亦是控制安全距離的重要參數，拆除施工時人員機械設備嚴禁進入距拆除拱橋長度為H×β的空間范圍，施工時拆除機械駐機位置應在距拆除拱橋長度為H×β的空間范圍外且安全穩定的位置進行拆除作業，此處能充分發揮大型挖掘機配加長臂拆除機械的先進性能。

拱橋拆除施工基于不利用構件和材料前提下按 “先非承重，后承重”的拆除原則，由邊跨向中跨的順序推進。

拆除機械進入預定駐機位置后，對近橋臺（墩）橋面上的鋪裝板、欄桿進行預先鑿除，使之與橋臺（墩）分離；其次拆除腹拱等拱上結構，同時降低拆除高度；最后的拆除是先拆近橋臺（墩）拱波后鑿斷拱肋端部，鑿除拱肋的次序應先外后內，盡量使舊橋拱跨上部所有構件垂直塌入河面施工平臺，防止廢渣落入河中難以清理造成河道通行隱患。因雙曲拱橋主要承載構件是拱肋，根據受力分析，拆除拱肋端部區域最容易使拱橋的力學平衡體系受到破壞而產生坍塌，同時，橋跨上構自身重力作用從一定高度倒塌下來產生的沖擊力會使橋跨起到初始分解的效果，再用機械進一步破碎分解，可以達到安全清運的目的。

在上部結構下落后，用普通帶液壓破碎錘的挖掘機利用施工便道對橋跨結構以及橋臺（墩）基礎進一步破碎分解，破碎后廢渣用挖掘機裝車棄置。

3.5 拆除施工時的安全技術措施

施工前應對舊橋拆除施工區域進行圍蔽、隔離，禁止與施工無關的人員、設備及船只通過，同時根據H×β計算數據標記前跨拆塌后至后跨拆除前禁止施工人員、機械進入的危險區域，并做好相應防護措施。在進行機械拆除時注意警戒，確保施工人員和施工機械、周圍船只的安全。

拆除邊跨時，拆除機械駐機位置在橋臺后側，此時H數值基本接近于零，處于相對安全的拆除狀態；而Hmax數值基本在跨中段拆除時出現，為最危險的拆除狀態。因拱橋水平推力的影響，需從圖紙、實測的拱跨結構與橋墩詳細數據中分析判斷在拆除時是否存在連拱作用。應對措施是：在拱頂位置布置觀測點，用測距儀連續監測拆除時縱向、橫向位移的變化，建立計算模式，計算出需監測點的允許位移值，作為發出預警信號的依據。一般實際監測數據顯示：在前跨倒塌之前和之后縱向位移不超過±2mm，且倒塌后60min內縱向位移變化不超過±1mm，可以開始后跨施工，但仍禁止進入距后跨H×β的空間范圍內。

3.6 實施效果

經過研究，大型挖掘機配加長臂拆除技術在粵北山區跨河三座雙曲拱橋的拆除施工的應用中，三座雙曲拱橋施工期安排都避開當地河流汛期，拆除施工期間河流水位較低。

特別是最后拆除的舊陽山大橋施工期安排在當年12月中旬至次年1月上旬，為當地河流冬季枯水封航期，在施工后期清理舊橋碎渣和水中橋墩期間，與當地橋梁上游水利樞紐工程協商，短期內大大降低河流水位。

三座雙曲拱橋均采用了就地取材，采用砂礫填筑河面施工平臺，減輕對河水二次污染，解決了方案評審時環評過程中所遇到的環保問題，同時施工方便快捷，成本費用低。

大型挖掘機配加長臂在拆除雙曲拱橋這種特殊工況時，完全不存在普通拆除機械時常面臨的“鞭長莫及”的窘境，亦不需高平臺、高支架等輔助設備，保證在安全區域內、在超大作業范圍內、從容不迫按預定作業程序進行拆除施工。經三座雙曲拱橋拆除實踐可知，完全拆除舊橋其作業時間為1～3d，施工作業安全高效，完美達到預定的舊橋拆除目標。該拆除方法與爆破拆除、其它機械拆除方法相比，費用低廉，施工技術控制簡單、直接、有效，具有簡單、安全、快捷、價低的優勢。

4 結論

大型挖掘機配三、四段式加長臂破碎錘（或破碎鉗）在國內已是常用拆除設備，使用價格相對合理。由于工程施工裝備的發展會帶來工程施工技術、工藝的變革，這種機械拆除技術在粵北山區跨河三座雙曲拱橋拆除施工的實踐證明，通過選擇合理的施工期、布設合理的河面施工平臺道路、配置合適機型加長臂及編制拆除施工安全作業方案規程，完全適合河流流量隨季節變化明顯的山區雙曲拱橋拆除工程。因此大型挖掘機配加長臂拆除雙曲拱橋的施工技術不僅為粵北山區雙曲拱橋拆除提供了一種簡單、安全、快捷、價低的施工技術和案例，亦可為跨常水位較淺等類似工況條件下的雙曲拱橋或其它類型的橋梁拆除提供技術和案例參考。