中承式單肋拱橋綠色拆除施工技術研究

姚正斐

(中鐵二十二局集團有限公司 北京 100043)

1 引言

隨著交通強國建設戰略的實施，一批城市老舊橋梁升級改造刻不容緩。在交通量的增加、荷載等級提高及運營年限增長情況下，一些鋼筋混凝土橋梁因受制于設計標準、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]。根據工程實踐，橋梁因結構構造和所處環境不同，在拆除時面臨的問題和風險不盡相同，因而拆除方法也各有所異。基于拆除動力、設備和材料等方面，橋梁拆除主要有人工拆除、機械拆除、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險進行了研究，建立了以拆除規模、氣候水文條件、橋位特征、施工環境、施工工藝和橋梁狀況的風險評估指標體系；張松等[4]在老橋混凝土拆除中，運用金剛石繩鋸切割技術措施，有效降低施工作業安全風險和對環境污染風險；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力變化，確定分塊結構的切割順序，圓滿完成預應力結構橋梁的靜力拆除任務；肖建莊等[6]提出建筑拆除是建筑生命周期的關鍵環境，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器人被廣泛應用于環境惡劣和條件苛刻的拆除施工，在建筑拆除、混凝土鉆切、搶險救援、冶金爐窯等方面均有成功應用先例。對于已有的研究，上部結構為簡支梁的拆除以及混凝土構件的爆破拆除方法較多。但復雜市域環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研究較少，且各種拆除的環境條件不盡相同，現有施工技術適用性不強。本文依托紹興市二環西路智慧快速路鑒湖大橋拆建施工項目，重點針對拆除方法研究，總結了該橋綠色拆除施工關鍵技術，并結合橋梁拆除期間梁體應力變化的理論分析與現場實測對比，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

浙江省紹興市二環西路鑒湖大橋始建于1999年，橋全長304.86 m，設計為雙線四車道，跨越紹興主城區鑒湖水域，通航孔設計為Ⅴ級航道，水深4～6 m。主跨為中承式五跨三室預應力混凝土連續箱梁單肋拱橋，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構，主拱設9排豎向吊桿、單側副拱設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

鑒湖大橋經過20余年的運營和紹興市新建2022年杭州亞運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、輔橋設計均為(55＋85＋55)m連續變截面鋼箱梁結構，主橋寬27 m，輔橋寬17 m，主、輔橋間距僅1 m。

3 施工重難點分析

(1)施工周圍環境復雜。該橋為紹興市二環西路主干道，跨越鑒湖水域，湖面寬220 m。橋的北側均為居民安置區，南側兩岸廠房多。橋上護欄外裝有多條通信管線，橋下有直徑為400 mm燃氣管道和直徑為1 000 mm給水管。橋位處水下殘留建橋時未全部拆除的96個樁頭支架基礎，樁頭直徑60 cm、長約3.5 m。

(2)橋梁拆除施工難度大。本橋為中承式單肋拱預應力連續梁特殊結構，拆除施工為反向卸荷過程，尤其是吊桿和拱肋的拆除會導致橋梁應力重分配，施工過程中構件的承載能力和自穩性難以保證。橋址處為內河航道，水系雖發達，尚不具備大型水上吊裝作業條件，施工作業空間受限。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，需先新建東側輔橋通車后再拆除主橋，新建主橋和西側輔橋，鄰近繁忙通行道路施工干擾大、風險高。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、水下礙航風險，對通航安全影響大。

(4)施工環保要求高。橋址位于全國文明衛生城市紹興市主城區，鑒湖為水源保護區，鄰近居民集中區。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、施工機械噪聲控制等均是本工程控制的重點。

4 拆除施工技術方案比選

4.1 拆除施工方法比選

依據本工程特點、施工環境以及當地有關部門關于橋梁拆除的要求，結合國內橋梁拆除施工可選擇的方法，擬選用控制爆破拆除、靜態破碎拆除、機械破碎拆除和靜力切割等方法，從施工難度、工期、安全、成本及綠色環保等5個方面進行綜合分析[7]，見表 1。

表1 拆除技術方案比選

經方案綜合分析對比，優選靜力切割拆除方法，即搭設橋梁拆除支架，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行拆除，首先拆除橋面附屬結構，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、墩臺結構。橋面附屬和箱梁翼緣板拆除利用吊車站位橋上拆除完成。搭設鋼管支架作為箱梁拆除施工支撐系統，拱肋和箱梁拆除利用85 t龍門吊或汽車吊作為起重設備。拱肋吊桿拆除首選對拱肋穩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、箱梁和下部結構等混凝土構件采用繩鋸法靜力切割。

5 施工關鍵技術

5.1 低凈空有限空間搭設拆除支架施工關鍵技術

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的關鍵技術，采用在避開梁體隔板或中隔梁對應支架鋼管樁搭設位置處鉆孔后開800 mm×800 mm矩形孔，采用70 t履帶吊配DZ-120型振動錘在橋面上打設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，長度根據橋面寬17 m(梁部每側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調節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構立面布置

待梁體拆除完成后，采用橋上設置的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輔橋上采用50 t吊車拆除支架。

5.2 吊桿拆除施工關鍵技術

中承式拱橋吊桿的拆除是整個拆除施工中風險最高的環節，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行仿真分析，建立預警系統對拆橋過程進行監控[8]。

5.2.1 結構仿真分析

鑒湖大橋吊桿采用151 φ5.5 mm不銹鋼絲，鋼絲抗拉標準強度σ＝1 250 MPa，彈性模量Ey≥1.6×105MPa，吊桿破斷索力為4 482 kN。根據現場采集數據顯示，在考慮結構自重與活載時的單根吊桿最大組合應力值為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對主梁及拱肋的位移、應力影響分析，選取其中對主梁線形及應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

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

圖5 拱肋最大壓應力和位移變化折線

吊桿拆除施工檢測以應力控制為主、位移控制為輔。由圖5可知，通過4種吊桿拆除順序對比，拱肋應力、位移逐漸增大，在最后階段吊桿拆除完成時拱肋應力最大值為113.4 MPa，位移最大值為23.1 mm。采用方案一時，前4個拆除階段的拱肋最大應力均小于其余3個方案。綜上，吊桿拆除選用方案一:跨中向兩側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行預熱，使主梁下撓落在拆除支架上，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生瞬間繃斷、彈射現象，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鍵技術

(1)拱肋支架。采用在橋面上搭設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，鋼管柱頂設雙拼 20a工字鋼橫梁(見圖2)。梁體拆除支架搭設完成后自跨中向兩側安裝拱肋支架。主拱肋支架設5個支墩，副拱肋支架設2個支墩。支墩均在現場制作而成，利用25 t汽車吊吊裝就位，雙拼 20工字鋼橫梁上設φ219×10 mm調節鋼管，調節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，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鍵技術

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支墩中軸線位置。拆除堅持分塊基本均等[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，拆除作業面采用消噪防護棚，切割過程采用水槍連續沖水防止作業粉塵，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，統一運至集中回收站再生后利用于本標段路基填料。鋼構件通過回收再加工利用。

5.5 混凝土拆除塊吊裝關鍵技術

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濟效率，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:采用φ800×12 mm單排鋼管樁，樁間距9 m，兩端設雙排樁間距為3 m的制動墩。在通航孔處跨徑為15 m，支墩鋼管間距為1.5 m。為增強整體穩定性，軌道基礎鋼管樁與相鄰鋼管樁采用φ280×10 mm的鋼管連接，同時也與輔橋施工支架預留的1排鋼管樁及舊橋拆除支架鋼管樁均連接，均采用φ219×10 mm鋼管進行水平和斜向桁架式焊接連接。

(2)小橫梁:在鋼管樁頂設長度為1.5 m的雙拼 40工字鋼作為橫梁。

(3)縱梁:采用6排標準貝雷片組成縱梁，橫聯采用定制花架連接，貝雷梁和橫梁間設限位角鋼。在通航孔處設伸縮縫，防止龍門吊基礎變形，同時將貝雷梁插銷定制為φ30 mm圓鋼，通長穿孔固定，增強縱梁整體穩定性[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，以增強整體剛度。

6 拆除施工安全監測

6.1 監測項目及方法

為確保主梁拆除過程中施工安全，通過建立模型分析工況，確定監測預警值[12]。施工過程中將實測值與預警值對比，發現異常和危險情況時及時采取相應措施，施工監測項目及方法見表2。

表2 主要監測項目及方法

6.2 監測結果

拆除過程中，各測點的實測值均小于理論計算修正值，且二者擬合較好，拱腳幾乎未發生變形，梁體無破壞趨勢，監測過程中未發生報警，使得整個拆除過程安全平穩可控。

7 結束語

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警值，拆除過程中實時監測并與預警值對比，確保了拆除施工安全受控。通過本工程實踐表明:

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

(2)靜力切割法除了目前適應性較強的繩鋸切割外，還有針對薄構件的水刀切割在某些特殊環境下也被成功應用。隨著人工智能和智慧化建造在建筑業的快速發展，靜力切割機械法拆除和拆除機器人將不斷優化，會更加趨于智慧化、智能化，提高施工作業安全性、適宜性和經濟性。

(3)在“雙碳”背景下的建筑環境，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鍵工序。