基于SPMT模块车“墩梁协同”整跨预制PC结构快速拆除及重建技术

何 海，黄森华

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司, 广东 广州 510507)

0 概述

传统的桥梁拆除与更换的施工方法(机械或爆破拆除、预制桥梁推拉更换法)难度和风险较大,难以适应复杂的交通环境,在桥梁拆除或更换过程中时常发生安全环保事故和严重的交通拥堵事件[1-3]。

常规的预制PC小箱梁新建工法(如采用架桥机分片吊装或汽车吊分片吊装施工)施工速度慢、且存在一定的施工难度和风险。传统方法难以适应复杂的交通与城市环境,尤其对于上跨现状高速公路的新建桥梁施工时,对于每片梁的吊设安装、后浇湿接缝和横隔板等施工时均需封闭现状的交通,封闭交通的次数较多、时间较长,时常带来严重的交通拥堵现象。因此,如何保障在上跨现状高速公路等通行交通复杂条件下,使得新建桥梁达到安全、环保、低交通影响、快速、节能、提质增效的目标,是桥梁工程界研究的技术难题之一。

国内外对桥梁上部结构快速移除与安装技术开展了相关研究。项贻强[4]等针对快速施工桥梁建议借鉴发达国家在该领域的设计和建造经验,提出适用于中国国情的快速施工桥梁技术及合理的结构型式,尤其是中小跨径快速施工桥梁,其主要结构形式为钢-混组合梁桥;朱世峰[5-6]等针对上海S26公路入城段北翟路高架3×33m连续梁快速拆除,进行大吨位、大体积预应力混凝土梁体的快速分段移除施工、既有桥梁下部结构再利用和梁体混凝土废渣回填路基的工程应用研究;陈宜言[7-8]等针对深南彩田路跨线桥探讨了SPMT快速拆架桥的技术方案及其关键技术要点,实践表明SPMT快速拆建是一种施工简单、安全可靠、技术可行的新技术;李亚民[9]等介绍了福州绕城高速公路青口互通立交匝道桥跨沈海高速公路连续梁主跨整体拆除采用的SPMT施工技术;赵迎人[10]等介绍了北京昌平西关环岛桥梁改造中采用SPMT施工技术拆除钢筋混凝土实心板和新建变宽钢箱梁;朱世峰[11]等以武汉四环线跨青郑高速公路钢筋混凝土连续刚构高架桥,提出车载移动支撑式分段提吊下放快速移除的方法。基于SPMT模块车在旧桥拆除以及新桥建设中,国内不少项目进行了相应的尝试[12-16]。

SPMT施工技术的应用在国内外均取得一些成功案例,但仍存在以下问题:(1)国外如美国工程案例交通及环境较简单,其施工技术和设备无法适应我国多数大型桥梁更换交通拥堵严重、施工环境复杂的现状[17-18];(2)国内在桥梁上部结构快速移除与安装领域尚未形成系统性、通用性的技术[19-20]。

1 国内外相关研究现状及分析

美国联邦公路管理局提出桥梁快速建造及更换技术,实现桥梁上部结构的快速更换施工,制定了相关的指导手册。国外在桥梁快速更换施工方面具有相当的经验,且取得施工技术、装备、指导手册等方面的成果。如:佛罗里达州 Graves Avenue 桥,旧桥为混凝土I梁结构,新桥为混凝土T梁结构(2跨87m长、17.9m宽);科罗拉多Pecos Street桥,旧桥为三跨变截面混凝土连T型梁桥,新桥为单室三箱现浇混凝土桥,更换施工封闭交通50h。

图1 钢-混组合梁快速安装案例(美国)

美国新泽西Trenton桥,老桥为预应力混凝土梁桥,桥下净空控制严,交通繁忙。新结构采用组合梁,1个晚上完成换梁[21-22]。

图2 钢混组合梁快速安装案例(美国新泽西Trenton桥)

国内在桥梁整体拆除及更换方面,广东省开阳高速公路首次采用SPMT模块智能移运技术同步拆建天桥,整跨移运新建上部钢-砼组合梁。在桥梁上部结构快速更换施工方面,北京市采用SPMT工法和桥梁驮运架实现三元桥(交通封闭时间累计43h)上部结构的更换施工[23-24]。在桥梁快速建造方面,上海市院实现桥墩快速拼装施工并形成相关指南[25-30]。

图3 钢-砼组合梁快速安装案例(广东省开阳高速公路跨线天桥的拆除以及重建)

2 问题的提出

如图6所示,基于SPMT(或专用车辆)的混凝土梁快速建造技术在国内尚不成熟,一般混凝土梁快速安装时只分片或整跨安装主体结构,桥面及整体化层实施后浇,与钢-砼组合梁、钢箱梁上部结构的整跨移运施工相比具有较好的经济效益。但也存在一定的问题:混凝土材料抗拉强度低、自重大,装配化的预制拼装结构(如小箱梁、T梁),由于桥跨的横向整体连接较弱,SPMT并车装备不同步,快速运动时容易引起结构开裂。

广东省开阳高速公路首次采用SPMT模块拆建天桥,整跨移运新建上部为钢-砼组合梁。不同于开阳高速公路改扩建的是本文依托项目上部结构均采用经济性更好的预制PC小箱梁,由于预制PC小箱梁不易于在复杂环境下的整体运输和设置大悬臂支撑点,对场地要求相对较高,施工安全控制难度较大。此前我国仅尝试单片小箱梁快速安装,尚无整跨混凝土小箱梁的安装案例,如要推进整跨或整座混凝土桥的同步安装,需进一步完善结构、工艺、装备、材料与控制系统等方面的技术与装备。

3 工程概况

“省道S361里水大道广佛跨线改造桥中、东幅桥的快速拆除及重建工程项目”位于佛山市南海区里水镇。本次改造工程的重点内容之一就是将跨越广佛高速公路的部分桥梁拆除重建,将广佛高速公路原有6+2车道的分离式断面改造为全线双向8车道,彻底消除安全隐患,大幅度提高路段的通行能力。

将广佛高速公路由6+2车道的分离式路基改造为标准的双向8车道,需拆除重建上跨广佛高速公路的桥梁,重新调整桥跨和墩位。需拆建的广佛跨线改造桥为三幅桥,按方位区分为西、中、东三幅。由于广佛跨线桥存在斜转正、斜交、正转斜等非标桥跨,且上跨车流量较大的广佛高速公路,桥下施工操作空间狭小有限,因此本项目上跨广佛高速公路的里水大道西、中、东幅桥的拆除及重建成为重要的制约工点。西幅桥采用架桥机分片梁拆除重建的传统工艺,施工历时长达17个月。因此,中、东幅桥的拆除及重建亟待研究采用新的工艺技术,成为需迫切解决的重点难点。

3.1 中、东幅跨路部分拆除简介

中幅桥于2007年建成,单幅桥宽12.9m,需拆除的桥跨为(36m+50m+36m)预应力砼简支T梁,斜交20°布置,未在广佛高速公路中央分隔带落墩,其中50m跨T梁整跨拆除的重量达1 300t。

东幅桥于1987年建成,单幅桥宽9.9m,需拆除的桥跨为(3×16m+2×25m+2×16m),正交布置,16m跨采用钢筋砼简支T梁,25m跨采用预应力砼简支T梁。东幅桥在广佛高速公路中央分隔带设置桥墩。

3.2 中、东幅跨路部分重建简介

需重建中幅新桥:(31m+35m+28m+15m+13m)预应力砼小箱梁,桥宽12.9m;东幅新桥:9m现浇箱梁+(32.4m+35m+28m+16.6m)预应力砼小箱梁+9m现浇箱梁,桥宽9.9m。中、东幅新桥中间桥跨均为斜交35°布置,两端与利用旧桥则是正交布置。

小箱梁按预应力砼A类构件设计。小箱梁存在35m、32.4m、31m、28m、16.6m、15m、13m等多种跨径,除35m跨梁片数较多外,其余跨径为调跨需要而设置,梁片数较少。为方便模板重复利用,预制小箱梁统一采用1.8m高的梁高。

4 中、东幅旧桥拆除施工工艺

中、东幅桥梁拆除主要分6步施工。

第一步:施工准备。驮梁及落梁支架和墩柱驮运支架设计制造安装,SPMT拼装拼组,施工场地准备,交通组织及防护,管线及措施防护,中、东幅桥封闭施工,西幅桥改为单幅双向通行,中、东幅桥桥面连续切割。

第二步:广佛高速公路全断面夜间封闭6h。SPMT车组移运东幅桥9-12跨及8#、9#墩柱,移运顺序为:第9、12跨→第8、10、11跨→第8#、11#墩柱。施工过程中需对里水立交相邻跨进行施工防护。高速公路封闭前后需对中央分割带及绿化带相关隔离措施进行拆装。墩柱移运前需对墩柱根部进行切割并处理,确保不会对SPMT行车造成影响。

第三步:广佛高速公路全断面夜间封闭6h。SPMT车组移运东幅桥9#、10#墩柱,7、13跨及第7#、12#墩柱,其中第7#墩柱与第7跨同步移运,第12#墩柱与第13跨同步移运。移运顺序为:9#、10#墩柱→第7#墩柱与第7跨→第12#墩柱与第13跨。

第四步:广佛高速公路全断面夜间封闭6h。SPMT车组移运中幅桥9-10跨及第10#墩柱,其中第10#墩柱与第10跨同步移运。移运顺序为:第9跨→第10#墩柱与第10跨。

第五步:广佛高速公路全断面夜间封闭6h。SPMT车组移运中幅桥8跨及第8#墩柱,移运顺序为:第8#墩柱→第8跨。

第六步:施工场地内破碎、转运破碎残渣,完成拆除作业。

5 中、东幅桥重建创新工艺

中、东幅桥重建桥跨存在正转斜、斜交35°、斜转正等非标上部梁设计,且需在广佛高速公路主线整跨移运安装预制PC小箱梁。国内目前暂无新建桥梁采用整跨移运安装预制PC小箱梁的工程实例,设计以及施工难度较大。为保证中、东幅桥重建能按规定的时间建成通车,本项目创新地提出中、东幅桥预制PC小箱梁采用SPMT模块车整跨快速安装的方案。

对于正转斜非标桥跨,由于预制梁的长边在移运方向的内侧,若先完成桥墩施工再来移运上部结构,则上部移运前进方向受阻而无法实现,因此需采用预制墩柱与盖梁整体、并与上部结构同步移运就位。本项目创新地提出“墩梁协同”设计及施工工法。

基于“墩梁协同”设计及施工工法,针对本项目需解决大尺寸斜交的预制墩及盖梁整体与承台的精确对位连接等问题,本项目创新地提出设置两套尺寸完全一致的精确定位连接的装置,保证斜交板式墩与承台的有效快速精确连接,保证拼装位置处的结构受力。

为此,针对桥梁在更换时作业空间受限、交通及自然环境复杂、施工技术难度高、对既有交通影响大等特点,以本项目为依托,采用了多个国内首次采用的技术:

(1)采用SPMT模块车工法整跨移运新建预制PC小箱梁。

(2)对于正转斜非标桥跨,由于预制梁的长边在移运方向的内侧,需采用预制墩柱盖梁,并与上部结构一起采用SPMT模块车“墩梁协同”同步移运就位。

(3)大尺寸斜交的预制墩及盖梁整体与承台的精确对位连接。

5.1 “墩梁协同”整跨快速新建技术

对于正交或斜交的桥跨,PC小箱梁预制完成后吊装至驼梁支架上,同时完成整跨上部结构的施工(包含湿接缝、横隔板、整体化层、防撞护栏),短暂封闭交通,沿设定的移运路径将整跨预制PC小箱梁移至桥位处,落架于盖梁上,精确对位后即可完成整跨上部预制结构的施工。整跨移运预制PC小箱梁新建施工工法对正交、斜交、正转斜、斜转正均通用。

而对正交转斜交非标预制PC小箱梁,若先完成桥墩施工再移运上部结构,则上部结构移运前进方向受阻而无法实现。本项目创新提出采用盖梁及墩柱整体预制成型,并与上部整跨非标预制结构“墩梁协同”同步移运就位的设计关键技术。具体步骤:

(1)在预制装配化工厂完成分片小箱梁的预制,其中需要根据驼梁支架临时支承点的位置,在支点位置处均增设一道横隔板,并对小箱梁横隔板的配筋、小箱梁顶面纵向普通钢筋、小箱梁整体化层的配筋进行加强,以满足移运过程中小箱梁结构的受力需要。

(2)针对每跨结构的支承受力点分别设计驼梁支架,于规划移运路径的场地内拼装整跨小箱梁的驼梁支架。

(3)于驼梁支架上进行吊设安装分片小箱梁。根据设计高程进行精确对位,后浇湿接缝和横隔板,再完成整体化层以及内外侧的防撞护栏,完成待移运的整跨上部结构的施工。

(4)在预制装配化工厂完成桥墩及盖梁整体化的预制施工,并在墩底预留与承台连接的锚固钢筋。同时在桥位处,桩基和承台先完成施工,对需与预制桥墩拼装的承台,承台内预埋灌浆连接套筒及主筋钢筋的精确定位装置。

(5)封闭高速公路的交通,采用SPMT模块车支承并根据已规划设定的移运路径,将整跨拼装上部预制结构、盖梁及墩柱整体预制结构同步移运至设计桥位处。先完成预制盖梁及墩柱整体与承台的预制拼装,再将梁体支承在盖梁顶面处的临时支座上,最后完成由临时支座到永久支座的落梁转换。

5.2 大尺寸斜交的预制墩及盖梁整体与承台的精确对位连接

目前国内预制装配化下部结构主要为横向双柱墩或三柱墩的结构。装配化工厂对单柱矩形墩为单元进行预制,单柱墩尺寸较小,钢筋布设较少,可一定程度上满足承台顶面预埋连接钢筋与桥墩内预埋的灌浆套筒连接精度的要求。但对于尺寸较大的预制板式墩或斜交布设的平行四边形桥墩,由于结构受力需要布设较多的钢筋,若不采用设计精确的定位连接装置,则可能存在预制桥墩及盖梁整体与承台内的灌浆套筒由于误差较大而无法实现精确连接的情况。

因此,本项目创新提出预制斜交板式墩和盖梁一体与承台精确定位连接装置的设计关键技术。具体步骤:

(1)在预制装配化工厂中场地内对应桥墩预制的台座上预埋一套连接装置,完成板式墩及盖梁整体的预制,其中板式墩预埋至承台的钢筋通过台座以及定位装置进行固定。

(2)完成桩基施工后,将精确定位连接装置根据桥墩预埋至承台钢筋位置进行精确放样,在承台中预埋灌浆连接套筒,将灌浆管延伸在承台顶面之上,整体浇筑承台。

(3)斜交板式墩及盖梁整体预制完成施工后,将其整体移运至设计桥墩位置处,将桥墩的主筋与承台中的灌浆套筒进行连接。完成精确定位后,对灌浆套筒进行灌浆处理。

图41中的标记说明:1-操作基坑;2-第一套定位工具;3-盖梁现浇支架;4-桥墩,4a-桥墩主筋;5-盖梁;6-桩基;7-承台基坑;8-支撑架;9-第二套定位工具;10-灌浆套筒;11-承台,11a-承台主筋;12-交界垫层;13-竖直调节工具。

图6 混凝土梁快速安装案例

图7 广佛高速公路改造前平面图

图8 广佛高速公路改造后平面图

图10 改造完成后双向8车道的广佛高速公路

图11 广佛高速公路改造前、后现场实景效果

图12 中幅桥需拆除跨径布置

图13 东幅桥需拆除跨径布置

图14 中幅桥梁 重建跨径布置

图15 东幅桥梁 重建跨径布置

图16 施工准备

图17 移运东幅桥第9、12跨

图18 移运东幅桥第10、11跨

图19 移运东幅桥8#、9#墩柱

图20 移运东幅桥9#、10#墩柱,第7#墩柱与

图21 东幅桥第12#墩柱与第13跨同步移运

图22 中幅桥9跨50mT梁移运

图23 中幅桥第10#墩柱与第10跨同步移运

图24 中幅桥第8#墩柱与第8跨同步移运

图25 SPMT模块车同步拆除桥墩和上部结构

图26 SPMT模块车快速拆除东幅25m跨T梁、

图27 SPMT模块车快速拆除完成后中、东幅桥现状

图28 驼梁支架支承点位置处增设一道横隔板

图29 预制PC小箱梁分片吊装于驼梁支架

图30 于驼梁支架上完成整跨上部结构施工

图31 斜交板式墩和盖梁一体化预制

图32 承台中预埋精确定位连接装置和灌浆套筒

图33 SPMT模块车整跨移运上部结构立面布置

图34 SPMT模块车整跨移运上部结构横断面布置

图35 SPMT模块车整跨移运上部结构平面布置

图36 SPMT模块车整跨移运上部结构现场施工照片

图37 大型混凝土桥梁“墩梁协同”整体快速安装新方法

图38 预制场地内完成斜交板式墩和盖梁一体化预制

图39 桥位处完成桩基、承台的施工

图40 斜交的预制墩及盖梁整体与承台的精确对位连接

图41 预制板式墩钢筋与承台的钢筋通过灌浆

图42 精确定位连接的装置

图43 承台中预埋的精确定位连接装置和灌浆套筒

图44 预制板式墩钢筋与承台钢筋通过灌浆套筒连接

6 结语

新工艺的研究和应用为项目带来了显著的效果:中、东幅桥拆除和重建施工仅用6个月就顺利建成通车,大大节约了建设成本,同时使交通影响最小化,降低了对社会车辆通行的影响,并使项目在工期紧、任务重的情况下顺利建成通车。目前该桥已通车近2年,运营效果良好。本项目针对特殊建设条件下创新提出的“墩梁协同”整跨快速PC小箱梁新建技术,可为后续同类型高速公路改扩建项目提供借鉴和参考。