大型挖掘机配加长臂拆除双曲拱桥施工技术研究

邱艺武

（清远市公路管理局应急抢险中心，广东清远 511500）

0 引言

上世纪六七十年代建造的大多数双曲拱桥，都普遍存在桥梁结构老化、病害严重的问题，由于经济快速发展、交通量增加和荷载等级提高等因素，这类设计荷载等级低、使用时间长的双曲拱桥，原则上均要求拆除重建[1]。

由于旧拱桥经过三四十年的通车运营，其强度、刚度、稳定性都存在不同程度的下降，拆除时有较多的不确定因素，因此拆除旧桥工程是一项具有一定技术难度、存在较大安全风险的特种工程。由于从项目立项开始，其焦点往往在建设新桥方面，普遍对旧桥拆除施工方案、费用存在忽视的问题，同时，现阶段旧桥拆除工程缺乏相关的设计和施工规范，亦使施工图设计在该方面难以达到指导实际施工的深度。而施工单位提出的旧桥拆除方案，很难在安全、成本、进度、环保等方面做到均衡统一，实际上施工组织往往左支右绌难以兼顾。这种情况是绝大多数拆除重建桥梁工程的行业通病，亦带来了近年来此类拆桥事故频发的现象。

1 拱桥拆除常用方法分析

拱桥常用拆除方法主要有机械拆除和爆破拆除两大类。

1.1 机械拆除方法

机械拆除主要是将桥梁上部结构几乎全部用切割吊运（或凿除破碎）方法分部、分块进行拆除的方法。不同于一般梁式桥拆除，由于拱桥受力情况比较复杂，拆除时通常需按拱桥施工逆序、均衡卸载的方式进行拆除，需要有非常严格的卸载程序，否则可能导致原有结构出现意外破坏，而发生安全事故。拱桥正序施工一般采用支架法和预制吊装法。拆除时，按逆序均衡的方式，同样需要搭设大型支架支撑后拆除，或者敷设索道吊装和扣挂系统，进行机械切割拆除。

这种拆除施工方法临时设施复杂，卸载程序要求严谨，成本高、周期长、技术复杂，优点是对河流、航道及周边环境影响较小，拆除过程可控、安全。主要在跨繁忙的通航河道、深水区、城市跨越道路及峡谷不宜爆破地区的桥梁需要拆除时有所采用，如重庆武隆峡门口大桥采用了索道吊装和扣索扣挂拆除[2]，重庆市巴南区跨内环快速石龙立交跨线桥采用了支架法拆除。

1.2 爆破拆除方法

爆破拆除主要是利用雷管和炸药对拱桥结构的相应部位进行爆破，以使拱桥解体和破碎的方法。

因桥头两岸一般都是建筑密集的区域，爆破环境受到限制，需要协调及审批的部门多，爆破技术复杂，安全措施要求高，施工准备时间长，爆破碎渣落入河道后，可能对航道和环境造成一定影响。这种拆除施工方法的优点是拆除速度快、效果明显，可以通过爆破技术控制倒塌方向、破坏范围及产生的有害效应。爆破拆除方法主要用于旱地和对河道、周边建筑影响不大的区域内的桥梁拆除。随着控制爆破技术的发展和居民接受程度提高，城镇桥梁也在逐渐采用爆破拆除方法，如重庆巫溪大桥和彭水郁江大桥均采用了爆破拆除[3-4]。

随着国内设备能力的提高，对一些在特定区域和特定条件下的旧拱桥，采用机械直接拆除，使拱桥拆除简单、工期短、成本低成为可能。本文通过对三座双曲拱桥的拆除方法的研究和实践，提供了一种技术简单、安全可控、施工快捷、成本低廉的拱桥拆除技术。

2 大型挖掘机配加长臂拆除施工可行性分析

2.1 当前拆除机械的发展

目前随中高层建筑拆除机械的发展，大型挖掘机配三、四段式加长臂破碎锤（或破碎钳）在国内已是常用拆除设备（图1），国内从事此类设备生产配套厂商有50余家，其加长臂长度已达到36m，并有进一步发展的趋势。

图1 大型挖掘机配三段式加长臂破碎锤

一般挖掘机会随原型机重、功率等参数配套不同长度的三、四段式加长臂，小松挖掘机配三段式加长臂，具体参数见表1。

加长臂28m机型在七层以下楼房拆除施工中广泛应用，更长的加长臂机型有在十层以下楼房拆除施工应用的记录。采用此类机械设备进行楼房拆除作业，由于机械设备自身先进，确实可以达到快捷、高效的施工目的。

2.2 大型挖掘机配加长臂拆除跨河双曲拱桥可行性分析

2.2.1 待拆除桥梁概况

表1 小松挖掘机配三段式加长臂参数表

表2 三座旧桥主要数据表

粤北山区三座跨北江支流（连江河、岭背河）双曲拱桥因结构安全和使用需求问题，需要进行拆除施工。三座旧桥简况如表2。

2.2.2 拆除桥梁特点

与拆除中高层建筑相比，拆除粤北山区跨河双曲拱桥具有以下不同的特点：

（1）双曲拱桥纵向呈带状布置，建筑高度明显比中高层建筑低矮，如旧青莲大桥（图2），在常水位3.27m时，拱顶底面高程12.87m，桥面高程13.87m。

图2 旧青莲大桥

（2）与中高层建筑多为钢筋混凝土框架结构或剪力墙结构不同，双曲拱桥的主要承载构件是钢筋混凝土拱肋，在竖直荷载作用下，拱端不仅有竖直反力，还有水平推力。

（3）拆除作业环境、条件、施工期存在明显差别。拆除建筑中高层楼房作业环境周围是地面，主要考虑周围建筑受限等问题，施工期受季节影响较小。而拆除双曲拱桥作业环境是河面，主要考虑河面施工平台机械作业、清渣、环保等问题，施工期受降雨及河流汛期影响很大。

2.2.3 需解决的问题

将中高层建筑拆除时采用大型挖掘机配加长臂施工的方法引入到粤北山区跨河双曲拱桥拆除上，需要解决以下几个主要问题：

（1）合理选择施工期：在枯水期施工，保证施工机械能到达安全的拆除位置，避免施工受到河流水位变化的影响；

（2）合理布设河面施工平台和施工道路，保证大型施工机械具有良好的通过性和操作稳定性；

（3）同时采取措施保证拆除旧桥碎渣不会造成航道堵塞和河水污染。

（4）选择合适机型和加长臂配置，确保机械操作位于桥梁拆除的安全范围内。

（5）编制拆除施工安全作业方案和规程，并完善应急预案。

只要能够解决以上问题，就能将大型挖掘机配加长臂拆除机械引入到双曲拱桥的拆除施工中，发挥机械的先进性能，达到安全、快捷、高效的施工目的。

3 大型挖掘机配加长臂拆除双曲拱桥研究与应用

3.1 施工期与河流水位选择

粤北山区跨河桥其桥下河流水位H水是个在一段时期内及在一定范围内不断变化的变量，水位的高低值可用0≤H水≤H水MAX（最大洪水位）表示。

根据水文资料，连江河流域多年平均降雨量在1400～2200mm之间，自上游至下游递增，年内分配不均匀，多集中在春、夏季，一般在3月中、下旬进入雨季[5]。年径流量为119.8亿m3，年内分配与降雨趋势相近，径流量主要集中在3—8月（汛期），约占全年70%左右[5]。

在当年汛期，河流水位可能达到H水MAX的高度；而在当地河流冬季枯水期，河流水位可能接近0水位，实际据多年观察，此时河流水位应1.5～2.5m之间，若利用当地水利枢纽工程、水库调节等设施进行调节，在短期内河流水位可能接近0水位。

拆除施工选在11—2月之间，河流水位较低，非常适当采用机械拆除施工。

3.2 河面施工平台

拆除前的基础准备工作是填筑河面施工平台，一般要求河面施工平台宽度沿旧桥面各加宽5m，长度沿旧桥纵向考虑河水流量、作业顺序及河床清渣方便等因素，预留河流过水缺口，填筑时采用挖掘机、装载机等机械配合作业进行平整，另在施工平台周围抛砂袋进行加固。

河面施工平台主要有以下几方面的作用：一是作为拆除施工机械的作业工作面；二是起支承拆旧桥废料作用，防止旧桥废料对河流造成污染；三是方便后期对旧桥构件进行破碎和清理，最后是旧桥垮塌后减轻触地冲击振动起到缓冲层作用。

经过研究比较，施工平台可以就地取材，采用砂砾填筑水中施工平台，主要有以下优点：

首先，填料用施工河段附近的砂砾，由于施工上下河段存在挖砂生产作业，用原河的砂砾填筑水中施工平台起支承旧桥废料的作用，可以减轻对河水的二次污染，便于解决方案评审时环评过程中所遇到的环保问题。

其次，就地取材，方便快捷，成本费用低，利于施工作业的快速推进。

最后，工程完工后，水中施工平台其水下部分所填砂砾完全可用挖砂船作业方式清理至河床面，达到恢复河道的要求。

3.3 拆除机型的选择

据多次前往中高层建筑拆除施工现场调查，结合几次拆除双曲拱桥使用此类机械设备的经验，考虑到机械设备使用自身安全、性能下降和拱桥拆除时可能发生连拱倒塌等因素，总结选用主要拆除机型一般要满足以下两个的经验公式：

（1） Hw×δ≥Hmax；

（2） R×λ≥Hmax×β；

Hmax为拆除机械驻机位置平面与待拆桥面的最大高差，一般可取实测桥面与施工平台最大高差，单位：m；Hw为选择主要拆除机型最大挖掘高度，单位：m；δ为选择主要拆除机型挖掘高度折减系数，取值区间（0，1]，一般可取0.8；R为选择主要拆除机型最大挖掘半径，单位：m；λ为选择主要拆除机型挖掘半径折减系数，取值区间（0，1]，一般可取0.9；β为拱桥拆除时发生连拱倒塌时或突然倒塌时在高度Hmax结构物可能造成破坏的影响系数，取值区间（0，3]，一般可取1.25。如旧青莲大桥实测Hmax为14.29m，参考表1小松挖掘机配三段式加长臂参数表，选用PC300LC-7小松挖掘机配加长臂长22m的设备作为主要拆除机型。

实际上选择的机型并非越大型、加长臂越长会越好，因为大型机太大会造成功率、性能上的浪费，且带来河面施工平台通过性较差，稳定性较差等问题。若选用机型只能满足公式（1）、（2）其中一个要求，而本区域机械选择面较窄，可采取预拆除桥上栏杆降低高度或用土工作业方式抬高机械驻机位置等灵活多样的处理方法。另外同等条件的机型应优先选择有外带类似装甲防护装置的。

3.4 大型挖掘机配加长臂拆除双曲拱桥方法

拆除机械驻机位置平面与待拆桥面的高差H是一个随拆除机械驻机位置平面的高度不同及拆除桥跨的高度降低而变化的变量，其高差H越大，机械拆除难度越大，安全性越差。同时其高差H亦是控制安全距离的重要参数，拆除施工时人员机械设备严禁进入距拆除拱桥长度为H×β的空间范围，施工时拆除机械驻机位置应在距拆除拱桥长度为H×β的空间范围外且安全稳定的位置进行拆除作业，此处能充分发挥大型挖掘机配加长臂拆除机械的先进性能。

拱桥拆除施工基于不利用构件和材料前提下按 “先非承重，后承重”的拆除原则，由边跨向中跨的顺序推进。

拆除机械进入预定驻机位置后，对近桥台（墩）桥面上的铺装板、栏杆进行预先凿除，使之与桥台（墩）分离；其次拆除腹拱等拱上结构，同时降低拆除高度；最后的拆除是先拆近桥台（墩）拱波后凿断拱肋端部，凿除拱肋的次序应先外后内，尽量使旧桥拱跨上部所有构件垂直塌入河面施工平台，防止废渣落入河中难以清理造成河道通行隐患。因双曲拱桥主要承载构件是拱肋，根据受力分析，拆除拱肋端部区域最容易使拱桥的力学平衡体系受到破坏而产生坍塌，同时，桥跨上构自身重力作用从一定高度倒塌下来产生的冲击力会使桥跨起到初始分解的效果，再用机械进一步破碎分解，可以达到安全清运的目的。

在上部结构下落后，用普通带液压破碎锤的挖掘机利用施工便道对桥跨结构以及桥台（墩）基础进一步破碎分解，破碎后废渣用挖掘机装车弃置。

3.5 拆除施工时的安全技术措施

施工前应对旧桥拆除施工区域进行围蔽、隔离，禁止与施工无关的人员、设备及船只通过，同时根据H×β计算数据标记前跨拆塌后至后跨拆除前禁止施工人员、机械进入的危险区域，并做好相应防护措施。在进行机械拆除时注意警戒，确保施工人员和施工机械、周围船只的安全。

拆除边跨时，拆除机械驻机位置在桥台后侧，此时H数值基本接近于零，处于相对安全的拆除状态；而Hmax数值基本在跨中段拆除时出现，为最危险的拆除状态。因拱桥水平推力的影响，需从图纸、实测的拱跨结构与桥墩详细数据中分析判断在拆除时是否存在连拱作用。应对措施是：在拱顶位置布置观测点，用测距仪连续监测拆除时纵向、横向位移的变化，建立计算模式，计算出需监测点的允许位移值，作为发出预警信号的依据。一般实际监测数据显示：在前跨倒塌之前和之后纵向位移不超过±2mm，且倒塌后60min内纵向位移变化不超过±1mm，可以开始后跨施工，但仍禁止进入距后跨H×β的空间范围内。

3.6 实施效果

经过研究，大型挖掘机配加长臂拆除技术在粤北山区跨河三座双曲拱桥的拆除施工的应用中，三座双曲拱桥施工期安排都避开当地河流汛期，拆除施工期间河流水位较低。

特别是最后拆除的旧阳山大桥施工期安排在当年12月中旬至次年1月上旬，为当地河流冬季枯水封航期，在施工后期清理旧桥碎渣和水中桥墩期间，与当地桥梁上游水利枢纽工程协商，短期内大大降低河流水位。

三座双曲拱桥均采用了就地取材，采用砂砾填筑河面施工平台，减轻对河水二次污染，解决了方案评审时环评过程中所遇到的环保问题，同时施工方便快捷，成本费用低。

大型挖掘机配加长臂在拆除双曲拱桥这种特殊工况时，完全不存在普通拆除机械时常面临的“鞭长莫及”的窘境，亦不需高平台、高支架等辅助设备，保证在安全区域内、在超大作业范围内、从容不迫按预定作业程序进行拆除施工。经三座双曲拱桥拆除实践可知，完全拆除旧桥其作业时间为1～3d，施工作业安全高效，完美达到预定的旧桥拆除目标。该拆除方法与爆破拆除、其它机械拆除方法相比，费用低廉，施工技术控制简单、直接、有效，具有简单、安全、快捷、价低的优势。

4 结论

大型挖掘机配三、四段式加长臂破碎锤（或破碎钳）在国内已是常用拆除设备，使用价格相对合理。由于工程施工装备的发展会带来工程施工技术、工艺的变革，这种机械拆除技术在粤北山区跨河三座双曲拱桥拆除施工的实践证明，通过选择合理的施工期、布设合理的河面施工平台道路、配置合适机型加长臂及编制拆除施工安全作业方案规程，完全适合河流流量随季节变化明显的山区双曲拱桥拆除工程。因此大型挖掘机配加长臂拆除双曲拱桥的施工技术不仅为粤北山区双曲拱桥拆除提供了一种简单、安全、快捷、价低的施工技术和案例，亦可为跨常水位较浅等类似工况条件下的双曲拱桥或其它类型的桥梁拆除提供技术和案例参考。