浅谈石拱桥施工工艺

李学东

摘要：石拱桥是一种古老的桥型，石拱桥因其具有外形美观、结构简单、施工方便、承载力大、造价低、养护费用少、使用寿命长等优点而在公路桥梁中被广泛采用，文章着重阐述了石拱桥的施工方案。

关键词：石拱桥；石拱桥施工；石拱桥工艺

中图分类号：U448

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)04-0041-03

石拱桥是一种古老的桥型，又是一种充满生机的桥型。石拱桥因其具有外形美观、结构简单、施工方便、承载力大、造价低、养护费用少、使用寿命长等优点而在公路桥梁中被广泛采用。

我国石拱桥建设历史悠久，现存的具有13000多年历史的赵州桥举世闻名。尤其从20世纪60年代开始，石拱桥的建设迅速发展，不但跨径不断增大，其数量更加惊人。可以说石拱桥在我国全部桥梁中占有相当大的比例。

虽然石拱桥本身施工比较简单，但其施工方案(包括拱架形式、拱圈砌筑顺序、拱上建筑施工顺序、落架方法及顺序等)对结构的安全和内力、变形等影响很大，对大跨径拱桥尤其明显。要做出最优的施工方案，必须以结构分析为基础，所以，首先需要制定出合理的施工方案，然后通过结构分析进行优化，最终得出施工的指令性方案。

石拱桥施工的主要工序步骤为：施工准备→基坑开挖→基础及墩台施工→拱架施工→拱圈施工→拱桥上部施工→拱架拆卸。

一、基坑开挖

基坑开挖的一般程序是：基坑放线→改河及排水→基坑开挖及坑壁加固→基底清理。

1．基坑放线是确定基坑开挖范围的工作。其方法是：先根据基底平面尺寸，考虑基坑开挖要求的宽度，以及由基坑土质确定的坑壁坡度计算出基坑开挖的长度和宽度。再根据桥墩、台中心桩和轴线，用皮尺和花杆放线，即可确定基坑开挖的边线。

2．改河及排水是确保基坑施工的重要工序。通常基坑开挖选择在枯水季节施工。改河排水常采用以下两种方法：当河沟水流较小时，可将河沟或渠道位置适当改移，先在干涸的河道上施工架桥，待桥梁建成后，再改移河道将水流接通。当河面较宽，水流较大时，可考虑用土坝或草袋围堰，构筑成导流堤，把水导向河沟一侧，基坑施工后，再改移导流堤施工另一侧基坑。

3．基坑开挖及坑壁加固是同时交叉作业的两个工序。当坑壁土质较好，渗水较少时，可采取无支撑施工。为确保安全，当坑深大于5米时，坑壁上应设有0.5—1米的护坡道。

4．基底清理是挖基的最后一道工序。基坑挖至设计高度后，如系岩石基底，应将表面风化层除去，冲洗干净，并将表面凿毛。如系土质基底，应经基底承载力检测，符合设计要求后方可进行下一道工序。

二、基础及墩台

石拱桥的基础及墩台由浆砌块和片石构成，其施工要点可归纳为“五个掌握好”：

1．掌握好砌筑顺序。砌筑时应大致按水平面分层自下而上进行，每层应从四周向中间方向砌筑，并注意外露面的平整美观。

2．掌握好砌体表面坡度。砌筑过程中应根据已立好的样架经常挂线检查，逐层校对，确保墩台的设计坡度和表面的平整。

3．掌握好桥台转角、桥墩圆头的砌筑。用于桥台转角和桥墩圆头的石料应挑选上下面大致平行、形状大致为方形的石料，并应进行上钻加工，桥台转角石(又叫角子石)应按桥台总高度和石料尺寸，基本确定每一层砌筑的高度，合理配料，以便控制砌筑总高度的尺寸。

4．掌握好施工砌缝工艺。砌缝应形成不规则的“花缝”，上下左右应错开，避免竖缝上下垂直贯通。

5．掌握好拱脚的砌筑工艺。拱脚是承受拱圈推力的重要部分，砌筑要领包括严格控制设计高度、正确安砌五角石、掌握控制拱斜面、严禁砌缝呈水平。

三、拱架

拱架是支撑拱圈砌筑的临时构造物，对于确保拱圈形状以及施工安全十分重要，拱架有木拱架、钢拱架和土牛拱胎。这里只介绍钢拱架的施工。

1．拱架搭设。主拱圈施工在搭设的拱架上进行，根据拱桥的拱圈自重和相关的施工荷载，按施工要求，以经济合理又安全可靠为首选方案。拱架搭设前，先将所在河床位置的地面整平后，沿支架纵横方向以一定间距(一般为1m)采用手锤将加有铸铁桩尖的钢管打入河床内，以连续锤击无进展为止。再横向靠地面用钢管加扣件将已打入地下的管头连续起来作为支架基础。为保证其稳定和砌拱时具有足够的承载力，可在部分排架的横杆下浇筑一定厚度的混凝土。之后在支架基础上搭设横、纵间距为1m，上下步距为1m的钢管满堂支架。对于大跨度的石拱桥，为保证排架的稳定性，应设置有足够的斜撑、剪刀撑和风缆绳。

2．支架预压。各种支架安装完成并铺设底模后，应通过预压检查各种工况下支架构件的应力，应变与理论值的差异；支架变形是否在容许范围之内，并实测支架各控制点处的挠度；通过预压消除支架构建各部位之间的间隙和非弹性形变，消除支架基础的非弹性形变。

支架预压荷载一般按理论值荷载的50％、80％、100％和120％进行逐步加载，加载时在拱顶、拱脚、拱跨1/4和基础顶面等处设置测点进行观测，预压在加载50％和120％理论荷载后停止加载，进行12h的支架沉降、变位的连续观测。在120％理论荷载加上后，连续观测48h的支架沉降、变位，在其均小于1mm时，则认为地基沉降基本稳定。

预压结束后，整理预压中的原始数据，计算出支架的弹性和非弹性形变形量，为修正拱圈底模提供数据，对其进行调整，以便砌筑出的拱圈更符合设计要求。

四、拱圈

拱圈是拱桥的主要受力部分，其施工应严格按照施工技术程序进行。施工前应按跨径大小选用如下施工方法：

1．施工前的准备工作。拱圈砌筑前，要做的准备工作有：(1)砌筑时的常用工具的混准备：由于拱圈须捣实灰缝和填塞空隙，除使用一般的砌筑工具外，还需增加长插片、长插刀、挡灰板、长插针、撬棍、木夯、木锤等工具。(2)拱石的清理、编号、排列：粗料石拱石要按设计进行纸上配料，再经过实地放样制出样板，然后按样板开出拱石。拱圈一般不等厚，拱石型号很多，每号拱石又常有上、中、下之分，因此，运至现场后，需进行清点，并编号使之有顺序地排列，用铅油将编号标在石面上。(3)石料的清凿和检查：粗料石拱石，均应在安防砌筑前用样板套过，一般可比样板稍小，但偏心不应超过5mm，并不得有扭曲情况。一般拱石可用样板正套或反套，但镶面石的外漏部分必须有一半正套，一半反套。除镶面石及两侧接砌边墙部分的拱石的拱背必须修凿整齐外，其余拱石的拱背部分，厚度符合要求即可，即可以保持原来的粗糙面，不加清凿。(4)在拱模上摊放拱石及灰缝大样：拱圈安砌前在拱模上将每层拱石，包括灰缝的位置用墨线画在模板上，以防拱圈合龙封顶时封顶石放不下去或灰缝过大。放线时，可在桥上游和下游顺拱圈模板量出两端起拱线间的长度，然后分中定出实际拱顶线，因拱架有预留高度，所以实际长度比计算稍大，其差数平均摊入各灰缝内。长度量出后，即

可从实际拱顶线向两边按每排拱石尺寸和灰缝宽度画出各排拱石线，并将拱石的层次、号数用红铅油写明。(5)注意立缝的控制：拱圈的立缝须成辐射形，从圆心放射出的辐射线应一致，因此每块拱石均呈上大下小的形状。为掌握砌缝的正确位置和方向，砌筑时须用三角形辐射尺控制。各种跨径和弧形的三角尺形状不相同，在同意拱圈内，拱弧也可能不同。因此，三角辐射尺上应标注明所适用的拱形和排号，不能用错。(6)砌筑时注意错缝的规定：粗料石拱石排与排间石块在底面上错缝须错开10cm以上。拱圈较厚时每排拱石可能有数层石块，此种情况下。排与排向相邻层砌缝也要错开10cm以上。

2．拱圈的砌筑。修建拱圈，最为重要的是要保证在整个施工过程中拱架受力均匀，变形最小，使拱圈的质量符合实际要求。为此，必须选择适当的砌筑方法。施工方法的选择一般根据跨径大小、构造型式等分别采用。

跨径在10米以下的拱圈，通常，可按拱的全宽和全厚，由两侧拱脚同时对称地向拱顶砌筑。但应当注意，尽量争取尽可能快的速度，使在拱顶合龙时，石拱桥拱石砌缝中的砂浆尚未凝结。

跨径10～15米的拱圈，最好在拱脚预留缝，由拱脚向拱顶按全宽、全厚进行砌筑。为了防止拱架的拱顶部分上翘，可在拱顶区段预先压重。压重时，一般自拱脚向上砌到1/3矢高左右，就在拱顶1／3L范围内预压占总数20％的拱石。待拱圈砌缝的砂浆达到设计强度70％后，再将拱圈预留空缝用砂浆填塞。

大、中跨径的拱桥，一般采用分段施工或分环(分层)施工与分段相结合的施工方法。分段施工可使拱架变形比较均匀。并可避免拱圈的反复变形。分段的位置与拱架的受力和结构型式有关，一般应设置在拱架挠曲线有转折及拱圈弯矩比较大的地方，如拱顶、拱脚及拱架的节点处。对于石拱桥，分段间应预留0.03～0.04米的空缝后设置木撑架，混凝土拱圈则应在分段间设混凝土挡板(端模板)，待拱圈砌筑后再用砂浆(或埋人石块、浇注混凝土)灌缝。拱顶处封拱必须在所有空缝填塞并达到设计强度后才能进行。另外，还需注意封拱(△龙)时的大气温度是否符合设计要求。如果设计无明确要求时，应该在气温较低时，如凌晨时，进行。

当跨径大、拱圈厚度较大，由多层拱石或预制混凝土块等组成时，可将拱圈全厚分层，即分环施工。按分段施工法修建好一环合龙成拱，待砂浆或混凝土强度达到设计要求后，再浇注或砌筑上面一环。这样，第一环拱圈就能起拱的作用，参与拱架共同承受第二环拱圈结构的重力。以后各环节均按照上述工序进行。分层施工，大大减小了拱架的设计荷载，合龙快，施工安全系数高，也节省了拱架。

五、拱桥上部

拱桥上部施工，应在拱圈合龙，混凝土或砂浆达到设计强度的30％后，才能进行。对于石拱桥，一般来说，应不少于合拢后三昼夜。拱上建筑施工，应避免使主拱圈产生过大的不均匀变形。实腹式拱上建筑，应由拱脚向拱顶对称砌筑。在侧墙砌筑好后，再填筑拱腹填料，修建桥面结构后续工程。空腹式拱桥一般是在腹拱墩砌筑完后，随即卸落拱架，之后再对称均衡地砌筑拱圈，以免使主拱圈产生不均匀下沉，导致腹拱圈开裂。在多孔连续拱桥中，当桥墩不是按施工单向受力墩设计时，仍应注意相邻孔间的对称均衡施工，避免使桥墩承受过大的单向推力。在裸拱圈上修建拱上结构的多孔连拱时，更应注意相邻孔间的对称均衡施工，以免影响拱圈的质量和安全。

六、拱架拆卸

为使拱架承受的荷载逐渐、平稳地转移给拱圈，卸架应严格按照规定的工序进行。

1．卸架常用设备有简易木楔、木马、组合木楔、沙筒等。沙筒由顶心木和金属筒组成，卸架时将泄沙孔的塞子拔出，将筒中沙子逐步掏出，顶心木缓缓下降，拱架随之卸下。沙筒是一种应用较广、安全可靠的设备。

2．卸架的技术要求如下：(1)卸架时间。对于跨径为20米及以下的拱桥应自拱顶合龙后15～20天进行；对于跨径大于20米的拱桥应自合龙后30天进行；当温度低于15℃时应适当延长。(2)多孔拱桥卸架应考虑相邻孔推力的影响，应在相邻孔拱圈合龙。并达到上述时间后才能进行卸架。(3)卸架不能在裸拱情况下进行，实腹式拱桥应在侧墙完工或护拱，砌筑完毕后方可卸架。(4)卸架应分步进行、逐渐均匀降落，每次下降均由拱顶向拱脚对称进行、逐排完成，第一次完成后又从拱顶开始第二次下降，直至拱架与拱圈完全脱离为止。