基于SPMT的高速公路天桥拆建技术研究

张上伟

(中铁十二局集团第一工程有限公司 陕西西安 710038)

1 引言

沈阳至海口高速公路水口至白沙段是国家高速公路网规划“二纵”G15沈阳至海口国家高速公路的重要组成部分，也是广东省“十纵五横两环”高速公路主骨架中第五条横线，现日均车流量达到9.2万次[1]。既有高速公路已无法满足现有交通量，因此需进行改扩建。其中，T2标段既有上跨天桥的桥墩位于拓宽路基上，均需拆除重建。由于传统爆破、机械凿除或切割吊装等方式拆除上跨运营高速公路天桥具有高速交通封闭次数多、时间长(10～13 h)、社会影响大、安全风险高等缺点。因此需采用新设备和新施工工艺，并制定合理的拆除方案[2]。

自行式模块运输车(Self-Propelled Module Transporters，简称SPMT)不仅可以进行高度调节，还可进行多种模式独立转向[3-4]，以SPMT为核心对旧桥进行整体拆除移运、对新桥进行整体运输安装，符合桥梁改造的发展趋势[5]。因此沈海高速公路水口至白沙段T2标段的天桥拆除重建项目经方案比选后采用SPMT技术进行。

2 拟拆、建天桥概况

沈海高速公路水口至白沙段T2标段的旧桥拆除与新桥建设同时进行，且新桥与旧桥相邻。为揭示桥梁正交与斜交对SPMT移运过程的影响，以该标段中的一座正交桥梁(1#)与一座斜交桥梁(2#)为例进行相关研究，1#和2#桥址处旧桥与新桥概况如表1所示。

表1 旧桥与新桥概况

3 天桥拆、建方案

针对既有跨线天桥不同的结构体系及形式，首先通过现场调查，确定每座天桥模块车存放场地、拆除后梁体凿除场地或新建梁部拼装场地；其次，分析确定模块车移运路径并经BIM全程模拟，保证移运线路免受各维度施工条件的影响；最后，在不影响行车条件下采用绳锯对桥梁进行切割，使用SPMT整体移运到指定场地再进行破碎，实现对桥梁的快速拆除。新建天桥施工工序与拆除相反。

天桥拆除新建施工流程如图1所示，整个过程仅需封闭交通3 h，并可进行应急通车。

图1 施工流程

4 天桥拆、建关键技术研究

4.1 旧桥切割防卡绳研究

使用SPMT移运旧桥前需将旧桥中跨部分梁体从整桥上进行切割。目前，金刚绳锯切割在工程中的应用较为广泛，但切割过程中切割缝宽度会逐渐变小，极易发生卡绳现象。常规解决方法为在切缝中塞垫钢板，但钢垫板由于无法固定，拆除时易发生滑落，引发安全事故，且影响施工进度。

为保障施工安全及加快施工进度，缩短桥下公路交通中断时间，亟需解决混凝土切割过程中的卡绳问题，项目研发了一种在绳锯切割过程中防卡绳装置[6]，保障了切割安全及进度，防卡绳装置见图2。

图2 防卡绳装置示意

防卡绳装置由钢板、长丝杆和膨胀螺栓等组成。首先根据切割构件的大小、重量以及受力情况等，选择厚度不等的钢板(厚度为10～20 mm)，钢板尺寸为15 cm×40 cm。在两块钢板上分别开3个孔，然后将两块钢板长边焊接成L型，中间加设加劲板。

当切割的绳锯完全进入混凝土或者结构物时，使用膨胀螺栓在切缝两侧各固定一个防卡绳装置，在钢板I外侧的两个对应孔中穿入长丝杆，靠近钢板两侧安装垫片及两个螺母，利用螺母向相反方向旋转时产生的反推力防止切缝向内收敛。

在钢板I中间孔内穿设一根不带螺母的螺栓，在两个钢板I中间螺栓上填塞带孔钢板。该钢板总厚度可随L型钢之间的距离进行调整。在施工过程中，随时可停止切割，检查切缝变化，并旋紧螺母，在中间位置螺栓上持续加垫钢板，保证切缝宽度，防止卡绳。

4.2 旧桥移运防碰撞研究

由表1可知，1#天桥与高速公路正交，施工时采用平面正八字、立面倒八字的切割方式，沿高速公路将梁体顺利移出，若采用相同切角移除2#斜交天桥，切块梁体在移出时将与剩余梁体发生碰撞，BIM碰撞模拟[7]见图3，因此可见斜交桥切块梁体发生碰撞的主要原因是梁体切口形状与移出路径的不匹配。

图3 2#天桥移出模拟(正切斜行)

经模拟发现，为避免碰撞，梁体切口形状和移运路径应满足如下的关系:移运路径需在梁体两端切割线所成夹角之间[8]。

根据现场情况提出了两种避免移运过程中发生碰撞的改进方案，分别如图4、图5所示。

图4 梁体切口形状示意

图5 梁体移运路径示意

(1)方案一:改变梁体切口形状

运梁车通常沿高速公路行驶，根据上述分析，改变梁体切口形状可以避免碰撞的发生。如图4所示，桥梁拆除施工时通常将梁体切成八字形方便梁体移出，虚线1是与高速公路方向平行的切割线，只有当左边切割线位于虚线1的内侧时，梁体方能避免碰撞。该项目旧桥为连续梁桥，切割后梁体两端为原支座处，梁体存在实心段，不便切割，因此在施工时应避开梁体实心部分，尽量切割空心箱室。图4中给出了几种切割情况，经BIM[9-10]动态模拟后发现梁体均可顺利移出，无碰撞现象，建议在施工时采用左2右4的切割形状，既方便切割又方便移出。

(2)方案二:改变移运路径

若2#桥与1#桥采用同样的切口形状，如图5所示，则梁体初始移出路径也应保持相同。即运梁车不沿高速公路行驶，而是沿着梁体两端切割线形成的夹角中心线行驶。但原高速公路路面宽度不足，为保证运梁车行驶的平稳性，需将部分路面进行平整处理，充分利用高速公路原有路面可使平整场地的面积最小。最终移运路经为:运梁车首先沿垂直桥面的方向移出桥位，然后斜行到公路原有路面，最后经过旋转沿高速公路行驶至存梁场地，如图5中①→②→③所示。BIM动态模拟发现梁体无碰撞，施工可行，也印证了前文结论的准确性。图5中内侧阴影面积即为平整场地的极限最小面积19 m2，外侧阴影区域为向外扩展1 m安全距离后的相对安全面积36 m2。

总结以上研究，在应用SPMT工法进行旧桥拆除施工时，首先应根据桥位周围地理环境，选取合理的移运路径(例如:沿高速公路方向)，且移运路径需在梁体两端切割线所成夹角之间；其次，设计合适的切口形状，最后将梁体移出桥位。两种方案均能够有效避免梁体移出桥位时发生碰撞现象，同时也能避免现场二次切割，提高梁体移运效率。

4.3 新桥移运支座脱空分析及防脱空措施

在运梁车移运过程中，由于路面不平整、SPMT启，制动等因素，移运过程中可能出现支座脱空[11]现象，在分别对正交和斜交30 m钢混组合梁桥进行分析后，将支座脱空工况分为:正交桥支座脱空、斜交桥钝角支座脱空和斜交桥锐角支座脱空三种工况，如图6所示。

图6 支座脱空工况

新建梁体每片梁分别设有4个支座，两侧共有8个支座，当发生支座脱空时，由于脱空的支座不对称，两片梁受力不一致，故将梁1和梁2的受力均列示。由计算可得不同支座脱空情况下梁体的应力如图7所示。图7中梁1坐标为0～30m，梁2坐标为30～60 m。

图7 新桥梁体不同支座脱空情况应力图

由图7可以看出支座脱空对梁体影响非常大:正交桥支座脱空时上缘压应力由1.58 MPa增大到7.15 MPa，下缘拉应力由16.6 MPa增大到77.3 MPa，应力最大增加4.66倍；斜交桥钝角支座脱空时上缘压应力由1.63 MPa增大到6.52 MPa，下缘拉应力由18.9 MPa增大到71.7 MPa，应力最大增加4倍；斜交桥锐角支座脱空时上缘压应力由1.54 MPa增大到8.32 MPa，下缘拉应力由17.4 MPa增大到90.4 MPa，应力最大增加5.4倍。因此，在移运30 m钢混组合梁时支座脱空引起梁体应力至少增大4倍，斜交桥锐角支座脱空比钝角支座脱空引起应力增幅更大。

由上述分析可知在移运时须防止出现支座脱空现象，尤其是斜交桥锐角支座脱空，因此项目研究了一种临时固定装置，如图8所示，固定装置主要由两块钢板和加劲板组成，钢板-A与驮运支架用螺栓固定，钢板-B与梁体紧密连接，该装置可将梁体与驮运支架紧密固定[12]，有效避免了移运过程中的支座脱空现象。

图8 临时固定装置

5 结论

(1)防卡绳装置避免了金刚绳锯切割时的卡绳现象，提高了切割效率。

(2)运梁车移运路径需在梁体两端切割线所成夹角之间，可使斜交跨线桥一次切割完成，整体移出桥位，避免碰撞。

(3)支座脱空会使梁体产生较高的应力，斜交桥锐角支座脱空对梁体更不利。采用临时固定装置，可有效避免移运过程中出现支座脱空现象。

(4)该项目采用SPMT工法整体拆建天桥具有对既有高速公路封闭时间短，社会影响小的优点，工期提前40 d，节约施工成本300余万元，经济效益显著。