拱桥旧吊杆锚头固结端拆除方式探究

戴春洋，肖开军，刘祥兴

(广东和立土木工程有限公司，广州 511400)

0 引言

某拱桥全长1 092.1m，双向4车道，主跨为(2×110m)中承式钢筋混凝土吊杆拱桥，桥面总宽为13.35m，钢筋混凝土桥面。根据设计施工图，需对全桥的34根吊杆进行更换。

拱桥吊杆更换一般需要全桥封闭或者部分车道封闭，对市民生活影响较大。主管部门为减少对交通的影响，对工期要求严格。而根据现场调查，吊杆更换由于难度大、技术要求高、影响因素多，导致更换效率低下，无法满足主管部门的工期要求。

1 旧吊杆拆除面临的难题

旧吊杆上下锚头与拱肋或横梁、吊杆与预埋管均采用灌注水泥浆的形式，使部分吊杆与拱肋或横梁形成整体。吊杆锚固长度长，空间小，施工受限，较大地影响了施工进度。

采用目前的吊杆更换技术，如果要加快吊杆更换进度，只有加大投入临时吊杆、作业人员及机械的方式，这无形中增大了作业施工成本，且多根吊杆同时更换会导致结构受力更为复杂，加大吊杆更换的危险性。

2 旧吊杆上下锚头拆除方式分析

2.1 水钻钻孔取芯法

水钻钻孔取芯法采用空心钻对索导管中高强水泥浆及钢丝或钢绞线钻孔取芯(图1)，达到清孔目的。由于水泥浆全部由浆液组成，无钢筋骨架及粗骨料，采用空心钻的方式是一种相对好的选择，但由于吊杆预埋管与吊杆索体之间存在偏心，且水钻长度越长(钻杆长度最长为3.4m)，摆动越大，偏心的几率越大，常常导致空心钻卡在钢丝与索导管间隙，无法拔出，影响作业进度。特别是拱肋由于上端为散丝段，容易在钻头钻取过程中与索体钢丝接触，空心钻头磨擦高强钢丝，造成钻机损耗率大、工效较低、成本高。

图1 水钻钻孔取芯

2.2 单根钢丝抽丝法

单根钢丝抽丝法是利用拉拔装置组件采用液压张拉千斤顶抽丝方式，单根抽拔吊杆拱桥旧吊杆的钢丝或钢绞线后，再进行清孔(图2)。

图2 单根钢丝抽丝

该施工方法是利用液压张拉千斤顶抽丝的方式，单根抽拔钢丝，凿除高强水泥浆，以实现清孔的目的。优点是人工作业强度小，可连续单根抽丝施工作业，工效高、进度快、安全可靠，便于标准化施工；缺点是由于后期钢丝采用小角度绕丝，抽拔力往往大于钢丝墩头的受力，直接破坏掉钢丝墩头。

2.3 整束拉拔法

整束拉拔法是将整束拉拔装置组件安装在桥面下，以液压张拉千斤顶提供驱动力，以高强螺杆为千斤顶张拉件，高强螺杆与拱桥旧吊杆待拔钢丝锚头之间通过连接器固定连接，采用液压张拉千斤顶整束拉拔拱桥旧吊杆的钢丝或钢绞线锚头后，最后进行清孔(图3)。

图3 整束拉拔

整束拉拔拱桥旧吊杆的钢丝或钢绞线锚头，机械化程度更高，施工作业时间相对较短，施工成本较低，既经济又安全可靠。但由于索体固结段较长，特别是拱肋端长达3m，拉拔力太大，对桥梁结构可能造成一定的损伤。

3 吊杆更换时间分析

根据多座吊杆更换施工现场的调查，吊杆更换一般采用流水作业。人员安排上，一般专业性较强的吊杆体系转换人员及安装吊杆人员为同一班组人员，兜吊拆装、取上锚头、取下锚头班组为专业班组人员，其他工作采用机动安排。本文按工序作业人员数量、工作时长进行统计，统计得出单根吊杆从开始开孔凿锚头到新吊杆张拉完毕的时间为6d(顺利的4d，难度特别大的时间长达10d)，每天的施工时长为10h，共60h，期间工艺时间分配组成见表1。

表1 更换单根吊杆时间

吊杆拆除上锚头及拆除下锚头的工时分别占吊杆更换总工时的33.7%、24.5%，拆除上锚头和拆除下锚头工时之和占吊杆更换总工时的58.2%，远大于其他各项工作的总和。据此可以看出，如果可以采取措施缩短上、下锚头的拆除作业时间，对更换吊杆作业意味着整个吊杆更换的时间大大缩短。

4 高压水射流拆除技术

鉴于预埋管与索体间填充的均为水泥浆，而水泥浆是一种脆性材料，其无钢筋骨架及粗骨料填充，如果采用一种可以快速切削水泥浆的工艺，则可解决吊杆更换最困难的锚头拆除问题。根据调研，项目决定采用高压水射流的方式进行锚头固结端拆除试验和应用。

4.1 高压水射流作业机理

将常压状态下的水通过高压水发生装置(增压器或是高压柱塞泵)形成高压，通过控制系统，最后以特制喷嘴喷出能量高度集中、速度非常快的水流[5]。高压水射流对物料的破碎作用主要为水射流对颗粒的冲击及水楔作用。

图4 高压水射流工艺原理

本项目采用高压水射流清除钢丝与预埋管间的水泥浆，利用其不伤害钢丝及钢管，只清理填充的水泥浆的特点，保证了施工过程的安全、可控、高效。

高压水射流喷杆直径为10mm，管内水流流通直径为2mm，小于管壁与钢绞线的间距30mm，即喷杆可以顺畅地通过管壁与钢绞线的间隙，可实施性强。

4.2 高压水射流装置

该装置由五部分组成，分别是高压水管固定座、高压水管接头定位座、手动旋转座、爬升装置和固定装置等。

图5 高压水射流喷枪

图6 高压水射流装置

4.3 高压水射流拆除试验

所依托项目主桥上部结构成桥施工工艺为先施工拱肋，再吊装横梁，施工完桥面铺装及永久荷载加载完毕后再行灌注吊杆横梁段的水泥浆。通过以上分析可知吊杆锚头单独可以承受桥面永久荷载，采用高压水射流清除掉1.2m灌注水泥浆对吊杆受力无影响。

4.3.1 场外试验

以现行工艺拆除下来的吊杆锚头做样品，在内径为130mm 的钢管内灌注高强压浆料，同时留置试验块，试验块及样品采用同一条件养生，养生28d后，测试试验块的强度。根据检测数据，试验块强度平均为42MPa，大于原桥设计强度M30 的要求。试验时采用美国NLB 高压水泵，能产生最大压力为280MPa，最大流量为326Lpm。采用手持式喷枪，最大使用压力为280MPa，最大用水量38L/min。试验区域设置在无人的空地上，利用钢板进行围挡。试验采用分级加载水压力，分别记录其效果。根据测试，在压力250MPa、流量16L/min的情况下，一根吊杆清除1.2m 深的水泥浆，需用时约160min，接近3h，比采用水钻钻孔节省40h以上，体现了高压水射流的高效性。

4.3.2 现场试验

由于吊杆为桥梁的重要构件之一，吊杆的受力复杂，为确保安全，采用渐进式试验验证采用高压水射流清除管内水泥浆的安全性及可行性。

4.3.2.1 第一种情况(有兜吊)

旧吊杆先不切割，为确保安全，采用临时兜吊承载吊杆部分荷载的情况下进行试验，临时兜吊张拉力为10%索力，采用高压水射流分级加压，最高水压力为250MPa，确定现场合适的水射流压力，按确定的水压力将横梁内预埋管与吊杆间的水泥浆清除1.2m深。在桥面上布设监控点，监控每个阶段到达对应深度后测量桥面标高的变化。

根据现场试验情况可得，清除管内水泥浆适合的压力为220MPa，流量为15L/min。清除管内水泥浆现场情况见表2。

表2 有兜吊情况下清除管内水泥浆现场监测结果

根据表2数据可知，在清除管内水泥浆过程中，对桥面标高无影响，说明采用高压水射流的方式清除管内水泥浆是安全的。清除水泥浆所用的时间为206min，远小于采用水钻取芯法所需的时间。

4.3.2.2 第二种情况(无兜吊)

旧吊杆先不切割，采用高压水射流分级加压，最高水压力为250MPa，确定现场合适的水射流压力，按确定的水压力将横梁内预埋管与吊杆间的水泥浆清除1.2m深。在桥面上布设监控点，监控每个阶段到达对应深度后测量桥面标高的变化，并记录每阶段所用的时间。

根据现场试验情况可知，清除管内水泥浆适合的压力为220MPa，流量为15L/min。清除管内水泥浆现场情况见表3。

表3 无兜吊情况下清除管内水泥浆现场监测结果

根据表3数据可知，在清除管内水泥浆过程中，对桥面标高无影响，说明采用高压水射流的方式清除管内水泥浆是安全的。清除水泥浆所用的时间为214min，远小于采用水钻取芯法所需的时间。

4.4 工程应用

试验完成经过总结经验，全桥剩余8根吊杆均采用高压水射流清除吊杆横梁端管内水泥浆，清除深度为1.2m，平均每根吊杆清除时间为3.5h，8根吊杆只用了3d就将管内的水泥浆清除完成，比采用水钻钻孔取芯提前15d完成吊杆更换。

4.5 高压水射流在旧吊杆拆除中的优势

(1)高压水射流对物料的破碎作用主要为水射流对颗粒的冲击及水楔作用、颗粒相互之间及颗粒与管壁之间的摩擦剪切作用等。因为钢管是匀质的固体材料，水无法突破钢管表面，因此高压水射流不会损害到钢丝及钢管等其他钢结构。

(2)使用高压水射流破除钢筋混凝土技术，可以采用计算机操控设备，破除过程均在程序控制下进行，施工更为安全可靠。

(3)高压水射流技术以普通自来水作为工作介质，作业时由于高压水喷嘴不与水泥浆直接接触，不会产生机械摩擦损坏的情况。因此，不会因为更换机械零件而增加作业时间，并且喷嘴可以多角度作业，提高了工作效率。

(4)通过设定高压水压力值及流量大小，可以精准定位破碎水泥浆的范围和深度。

(5)施工过程中，采用水作为介质，无粉尘污染、噪声小；施工结束后，混凝土废料和废水可以用真空吸尘器吸走，作业面干净整洁。

5 结语

利用高压水射流具有的独特性，快速拆除旧吊杆锚头锚固端水泥浆，是现有拆除工艺效率的6倍。在吊杆力转移至兜吊系统后，经高压水射流清除锚固端水泥浆的上下锚头采用液压千斤顶拉拔的方式将旧锚头取出，对桥梁结构原有的受力状态改变较小，施工简单，施工作业面小。更换期间对桥梁的交通影响较小，合理安排下可以做到不中断交通，施工速度快、效率高。