我国城市核心区域的高架桥大多修建于建国初期, 长期以来受混凝土收缩徐变、墩台基础不均匀沉降等因素影响很大。改革开放后, 我国城市交通通行量与日俱增, 相应的桥面荷载也呈现出逐年增加的态势。近年来, 大多数高架桥均发生了混凝土大面积剥落与开裂、钢筋大量裸露与侵蚀以及纵横向较大的位移与变形^[1]。最初设计的交通通行量、桥面荷载等级、结构安全性、适用性及耐久性等均难以满足当前城市交通需求, 拆除与新建迫在眉睫。

城市核心区域桥梁拆除工程具有施工工期紧、绿色环保要求高、交通通行要求高、钢绞线预应力释放复杂等难点, 不宜采用控制爆破、静态破碎和机械破碎等传统的拆除方法。与此同时, 国内高架桥的拆除中, 绿色、环保、可持续理念的实践仍然较为落后^[2]。本文以长沙黄花国际机场航站楼前的2座高架桥拆除工程为例, 基于现有静力切割与BIM技术, 研究了新型绿色静力拆除技术在城市核心区域高架桥拆除工程中的应用。

长沙黄花国际机场T1航站楼前的高架桥 (以下简称“T1桥”) 和T2航站楼前的高架桥 (以下简称“T2桥”) 是连通黄花机场T1, T2航站楼与机场高速间的重要交通枢纽, 修建年代距今久远, 当初的设计理念和建造水平已难以满足如今黄花机场与机场高速间交通通行的要求。经过综合分析与论证, 决定将其拆除, 按照新的设计文件进行重新设计与修建。

拟拆除T1桥为预应力混凝土等截面连续箱梁桥, 截面形式为单箱双室, 跨径布置为:3×16m+5×16m+3×16m, 梁高1.3m, 桥宽9.5m。拆除主要工程量为C30预应力混凝土1 460.3m³。

T1桥上跨机场大道属于交通枢纽地区, 交通繁忙, 每日通行车辆很多。T1桥平面布置如图1所示。

拟拆除T2桥为预应力混凝土等截面连续空心板桥, 跨径布置为:4×20m+22m+17.61m+28.3m, 梁高1.3m, 桥宽9.7m, 墩柱高度1.5～6.5m, 拆除主要工程量为C30预应力混凝土1 351.22m³。

T2桥第2联第7跨 (6～7号墩) 位于D, E, F匝道交汇处的桥下绿化带中, 临近E, F匝道, 施工作业区域相当狭小, 拆除难度很大。T2桥平面布置如图2所示。

T1, T2桥周边设有黄花国际机场、磁浮快线以及机场大道等重要交通枢纽。根据施工合同要求, T1桥拆除施工工期为9d, T2桥拆除施工工期为17d。如何显著提高T1, T2桥的拆除速度, 缩短拆除工期, 是本项目的一大难点。

拆除时, 应当有效减少大气污染、水污染及噪声污染;拆除后, 要实现混凝土废弃物的合理回收利用, 真正达到施工全过程绿色环保的要求。

T1, T2桥上跨机场大道, 周边道路的通行要求较高。在满足施工工期及绿色环保的要求下, 如何确保桥下机场大道的通行顺畅, 是本项目的难点。

T1, T2桥均为预应力混凝土连续梁桥, 跨中位置的底板处、墩台位置顶板处设有预应力钢绞线, 分布较为复杂。拆除时, 应当安全、合理地释放钢绞线中的预应力, 避免因预应力释放不当而引发严重的安全事故。

目前, 高架桥拆除的常见技术主要有控制爆破、静态破碎、机械破碎以及静力切割等。从技术难度、拆除工期、综合成本、安全性、绿色环保等5个方面对本项目的拆除技术进行综合对比^[3]。对比结果如表1所示。

由表1可知, 静力切割具有技术难度小, 拆除工期短, 成本费用较低, 安全可靠, 绿色环保等优点, 符合本项目的施工要求, 因此拟采用静力切割方案对T1, T2桥进行拆除。

静力切割技术, 是指利用金刚石圆盘锯、金刚石线锯或钢丝绳锯加磨料等对混凝土桥梁构件进行线性切割, 使构件同原有桥梁主体相分离的技术^[4]。金刚石线锯切割如图3所示。

1) 优势 (1) 拆除速度较快, 同时可以实现对结构的精准切割; (2) 切割设备轻便, 易运送至桥面上, 操作技术难度低; (3) 静力切割具有无振动、无噪声、无粉尘等特点^[5], 对未拆除的结构物不会造成任何损伤, 对周围环境几乎不会造成影响, 完全符合绿色施工的要求。

2) 不足 (1) 对高架桥进行静力切割时, 通常采用支架作为临时支撑体系, 这对下方既有道路的正常通行有着严重的阻碍; (2) 金刚石绳锯高速运转、摩擦时会产生很大的热量, 用冷却水降温后会形成污浊不堪的泥浆水。泥浆水会透过混凝土切割块体间的缝隙流入到桥下既有道路上^[6]。

结合T1, T2桥拆除工程的特点、施工难点、交通通行情况以及周边环境等, 确定拆除施工方案。为保证附近交通畅通且尽量缩短拆除工期, 本工程将采用金刚石绳锯切割的方式进行拆除作业。拆除过程中桥下道路需要正常通车, 通车路段的高架桥应用新型移动式桥梁模板台车支撑梁体, 静力切割后梁体随模板台车一同拉出场地;非通车路段搭设钢管支撑体系来支撑梁体, 静力切割后应用吊车与平板车对梁体结构实施吊装与运输。拆除结束后, 组织专人将废弃混凝土块体运送至指定地点进行回收利用。静力切割方案设计如图4所示。

T1, T2桥拆除的具体施工可分为下列2个阶段。

1) 拆除下跨道路的梁体段在拆除该段梁体时, 先选择车流量较小的时间段暂时封闭道路, 而后将新型移动式桥梁模板台车沿着安装好的导轨移动至梁体下方支撑梁体, 同时在台车顶部做好防护措施, 避免切割过程中破碎体突然坠落。待上述工作就绪后恢复交通并进行绳锯切割。

2) 拆除其余梁体段在拆除该段梁体时, 先封闭施工区域, 疏导受影响的道路交通。而后对地基承载力进行检测与计算, 必要时进行地基硬化, 待地基承载力满足拆除施工要求后再进行钢管支撑架的搭设工作。搭设的钢管支撑架作为拟拆除梁体的支撑结构, 在确保支架的稳定性良好后, 方可进行绳锯切割。

1) 桥墩盖梁固结在桥墩周围用精轧螺纹钢、钢筒或抱箍等构件将盖梁与箱梁进行固接处理。方法如下: (1) 将桥墩处的上、下钢板用特制钢板焊接连接; (2) 将盖梁顶部和箱梁梁底间的缝隙用微膨胀混凝土浇注、振捣密实; (3) 再用环氧胶液对残余缝隙进行浇筑密实。

2) 上跨机场大道路段铺设台车导轨, 其他路段对地基做硬化处理。

3) 场外加工安装模板台车, 场内其他路段处安装钢管支撑体系。

4) 防撞墙切割吊装的工艺流程为:钻孔机钻孔→垂直切割防撞墙→水平切割防撞墙→吊装。在拆除施工前应用了BIM技术对防撞墙切割拆除进行了施工模拟。

5) 对预应力钢绞线的应力进行释放。在切割T1, T2桥主体结构之前, 应按照T1, T2桥的设计图纸对顶板、腹板和底板预应力钢绞线编号标记清楚。在释放预应力时, 采用左右对称、纵向同步的切除方式在锚具前端切断预应力钢绞线, 预应力遵循由内到外的释放原则^[7]。由于预应力释放较为复杂, 在T1, T2桥预应力释放过程中, 通过布置水平监测仪来监测桥面高程的变化, 并组织专门安全小组应对可能出现的突发情况, 确保拆除施工的安全。

6) 高架桥主体切割。高架桥面板部分, 采用碟式切割机进行纵向预切, 在板中保留1.5m暂不切割, 待吊车到现场后再进行切割;高架桥翼板部分, 采用绳式切割机对其进行纵向预切, 保留中间2m暂不切割, 待吊车到现场后再进行切割。桥梁主体切割示意如图5所示, BIM技术模拟桥梁主体切割如图6所示。

7) 桥梁切割块的吊装与运输。对于采用钢管支撑体系的桥跨, 采用吊车将预切好的切割块吊紧, 检查无误后用切割机将剩余混凝土板切断。随后吊车将混凝土块吊装到平板运输车上运离现场。桥梁切割块的吊装如图7所示。上跨既有道路的桥跨, 为保证周边车辆的正常通行, 采用新型移动式桥梁模板台车作为支撑和运输体系, 切割后的切割块直接由模板台车拉出。

8) 桥墩切割与运输。待桥梁主体结构切割、运输完毕后, 方可进行桥墩的切割与运输。

现有的静力切割技术在拆除施工时所使用的冷却水会与灰渣结合形成泥浆, 透过绳锯切割后混凝土块体间的缝隙流入桥下道路, 严重影响道路上车辆和行人的正常通行。研究、设计并生产了与静力切割技术相适应的集水系统, 通过有效搜集切割时产生的泥浆污水, 以达到绿色施工的目的。

静力切割集水系统主要由集水箱、集水槽和水管组成。静力切割后产生的泥浆水经集水槽输送至集水箱。结合T1, T2桥拆除工程实际情况, 集水箱尺寸设计为4m×3m×2m, 厚度为6mm, 采用钢材加工制作。水管相互串联, 安装在集水箱顶部, 形成沉淀池。集水槽如图8所示。

新型移动式桥梁模板台车支撑运输体系从上到下依次由防坠网、圆形钢柱、千斤顶、滚动轴承和顶推器所组成。模板台车结构设计如图9所示。

1) 防坠网通常设置在模板台车顶部, 以防止绳锯切割时混凝土碎渣飞落以及运输时混凝土块体坠落。在模板台车顶部四周设置的防坠网如图10所示。

2) 移动式模板台车顶部设置有3排千斤顶用以支撑梁体, 绳锯切割后的分割块可在千斤顶牵引下上下移动。模板台车的中间部分由圆形钢柱组成, 用以支撑模板台车和桥体分割块的自重荷载。模板台车的腿部由圆形滚动轴承及顶推器组成, 可由顶推器推动圆形滚动轴承移动, 使台车移动至安全地点。

移动式桥梁模板台车在长沙黄花机场高架桥拆除施工中的成功应用, 满足了机场大道交通顺畅通行的需求, 同时减少了施工现场的机械使用量, 有效简化了拆除施工的工艺流程。

因T1, T2桥拆除工程与多条道路、磁浮快线、公司办公区等公共建筑相互交织, 车流量大, 线路复杂, 对交通的正常通行影响较大。经过大量的走访、调研、查询, 汇总资料、分析数据后, 针对现场实际情况, 应用BIM技术模拟了现场的交通疏解情况。通过对车辆进行分流, 缓解了拆除施工对附近道路交通产生的不良影响^[8]。

长沙黄花国际机场T1, T2高架桥拆除工程应用了以静力切割、移动式桥梁模板台车及BIM技术为核心的新型绿色切割技术, 较传统静力切割速度更快, 极大地缩短了施工工期;拆除过程无振动、无污染、无噪声, 静力切割中应用集水系统, 真正实现了污染水零排放, 使得拆除施工给黄花机场及周边环境的不利影响降到最低。新型移动式桥梁模板台车的设计与应用, 满足了机场大道交通顺畅通行的需求, 同时减少了施工现场的机械使用量, 有效简化了拆除施工的工艺流程;BIM技术在拆除施工中的应用极大地降低了静力切割与交通疏解的难度, 在交通疏解方案的设计与实施中发挥了积极的作用。工程实践证明, 研究、改进并优化的新型绿色静力切割技术有效地指导了长沙黄花国际机场联络线改造工程中T1, T2高架桥的拆除施工, 具有良好的社会效益与经济效益。