三元立交京顺路桥采用三孔V形墩刚架体系 (中跨墩顶附近设铰) , 桥梁全长54.86m, 桥梁跨径13.48+27.30+13.48=54.26m;桥梁总宽44.8m, 桥梁总面积2 457.7m²;跨越京顺路桥下净高为4.5m, 慢车道为3.5m。三元桥建于1984年, 建成至今运营30年, 在交通荷载及自然条件作用下, 存在梁体下挠、桥面铺装开裂等病害, 2015年某工程检测中心对其进行了结构检测, 发现梁体下挠较为严重, 桥梁完好状态评定为D级。为此亟待针对三元桥的状况进行整体大修。

经研究三元桥大修工程拟将桥梁上部梁体切割分块拆除, 然后驮运钢梁至桥区就位, 以彻底解决桥梁目前存在的问题。目前, 国内针对桥梁快速切割拆除施工的研究报道和文献资料相对较少, 仅有少量的成功案例可循。本文结合工程实践, 对金刚石绳锯静力切割拆除混凝土桥梁的技术措施进行了探讨, 工程中应用无损性钻切技术实现了桥梁梁体的快速拆除, 为三元桥大修工程的顺利进行奠定了基础。

1) 该工程从2015年11月13日23时启动到竣工, 仅仅用时43h, 就在一个大城市市区的重要交通节点上一次性完成了大型桥梁桥面结构的整体置换架设, 这在国内尚属首次, 整体施工技术达到了国际领先水平。其中, 切割拆除梁体耗时30h, 是整个工程取得巨大成功的关键环节。

2) 由于需要短时间内完成切割工作, 在有限的施工作业面内需要投入的机器数量很多, 现场的电缆、水管布设都需精心布置。人员及设备在正式切割前全部进入进场区等候, 道路封闭后便于快速到达施工作业面, 同时发电机、水箱、集水箱全部在正式切割前安设就位完毕。所以施工平面布置是切割拆除中控制的重点。

三元桥上部梁体如采用人工或机械凿除, 存在如下问题:一个是时间上至少需要1个月时间, 另一个是凿除对既有桥台、桥墩的振动影响。在确保安全下及时地完成拆除任务, 经方案的再三比较论证 (见表1) , 决定采用金刚石绳锯切割的方法进行拆除。

无损性钻切技术是指在建筑物拆除过程中, 对保留结构无任何附加破坏作用的分离方法, 其优点是既达到了拆除分离的目的, 又满足了保持原有结构的质量要求。

无损性拆除施工工具主要指现代金刚石钻切工具, 如金刚石绳锯、金刚石圆盘锯、金刚石薄壁钻孔机、金刚石手持锯等。桥梁梁体切割时选用金刚石绳锯和金刚石薄壁钻孔机施工。金刚石绳锯切割原理:金刚石绳锯切割是通过金刚石绳索在液压马达驱动下绕切割面高速运动研磨切割体, 来完成切割工作 (见图1) 。因为金刚石是把单晶作为研磨材料, 所以可以对钢筋、石材等非常坚硬的物体进行切割。在切割过程中不但操作安全方便, 同时噪声和振动也非常小, 因为液压泵运转平稳, 并且可以通过高压油管远距离控制操作, 这样被切割的物体就在不知不觉的情况下被分离, 并且不留一点研磨碎屑。金刚石薄壁钻孔机切割原理:钢筋混凝土钻孔是由钻孔机带动金刚石薄壁钻头加压、回转, 钻头胎体金刚石颗粒研磨切削钢筋和混凝土完成钻孔切割工作。钻进中采用冷却水, 并携带出钻屑。在实施过程中根据不同的截面类型及受力方式, 金刚石锯切工具通过不同形式的设计安装和对钻、切、锯等组合工法的正确选用。可针对不同的结构特点采用不同的静力切割技术, 达到最优的效果。

1) 拟定方案边跨体量较少, 拆除采用的是就地切割分块, 然后吊装运输。中跨拆除切割流程如下:搭设支撑→横桥方向两端各切割出横向双缝、纵桥方向分隔缝将中跨分成两块→采用驮梁车整体驮运至临时支架 (见图2) 。整个拆除过程耗时3h。

2) 实际方案由于旧桥损害程度过大, 中跨无法整体驮运, 出于安全考虑, 指挥部经反复研究和衡量, 将旧桥中跨调整为现场原地分块切割拆除。耗时从原计划的3h变成30h, 由此, 旧桥原地切割拆除成为整个工程的主要流程和关键环节, 如图3所示。

切割拆除流程:搭设支撑→布置切割线、穿绳孔→钻穿绳孔→绳锯切割。

横向双切割线为V形墩柱中心线向边跨平移3.775, 3.875m, 纵向第4和第5个V形墩中心线为分隔缝, 将中跨分为2块, 切割线需躲开临时支撑柱及桥墩。切割线布设如图3所示。在切割线上需钻穿绳孔, 穿绳孔是保证金刚石绳索能够顺利穿过被切割结构体、达到预想切割面的辅助施工。

驮梁车驮运时需有一定的空间, (拟定方案中跨整体驮运) 横向切割出双缝10cm宽块体, 切割后为了便于10cm块体吊装取出, 切割时调整金刚石绳锯机安装使切割面形成倒“八”字形。绳锯机底座安装时在切割缝一侧安设垫块, 如图4所示。

桥梁上部主梁结构断面为Π形, 共计9根主梁, 梁高1.10m, 横断面切割划分为18个切割单元, 主梁横断面如图5所示, 切割单元断面如图6所示, 边跨纵断面切割如图7所示, 中跨纵断面切割如图8所示。

1) 钻切设备方面钻孔机全部为原装进口的美国米瓦其钻孔机, 绳锯机全部为原装进口的日本和瑞士喜利得绳锯机。

2) 金刚石钻组及绳索金刚石绳索采用进口的高强度、高柔韧性的钢丝绳索结合现代化的粉末冶金制造工艺, 针对本工程切割前用同类工程反复论证制造出高效、安全的金刚石绳锯产品, 金刚石钻组采用特制的高效、低噪、锋利型金刚石钻组。为了确保工期, 切割前必须对切割单元所用金刚石绳索长度进行计算提前下料准备。

切割前在桥梁下部搭设支撑, 支撑选型、承载力大小需经过验算, 支撑搭设不能影响桥下交通。

切割时产生的泥浆水会污染桥梁下方的道路路面, 因此在切割前在切割线位置桥梁下方安设集水槽, 切割产生的泥浆水通过集水槽收集至集水箱, 然后采用排污车运走排放。

集水箱采用8mm厚钢板加工3m×2m×1.8m (长×宽×高) 集水箱4个, 集水箱顶部采用水管串联形成沉淀池。集水槽采用特制加工的快速移动可调高度承插式集水槽对泥浆水进行收集, 具体如图9所示。

切割采用套索锯切法。其实质是:结成环状的串珠式金刚石绳围包着被锯切的混凝土, 借助于金刚石锯机驱动绳轮转动与移动两种运动, 牵曳串珠式金刚石绳切混凝土。切割曲线长度、曲率半径由大而小在变化。

套索锯切法的工艺为:穿孔→套索→锯切。 (1) 穿孔在锯切工作面设计的位置上先行穿孔, 桥平面横、纵向穿绳孔间距按照2m布置, 孔径为108mm, 穿绳孔用金刚石薄壁钻孔机进行钻孔。 (2) 套索当2个穿绳孔贯通后, 将串珠式金刚石绳穿入穿绳孔, 将串珠式金刚石绳对接成无极环状, 套在金刚石锯机的驱动轮上。将金刚石绳索撑开, 使2个导向轮与2个贯通的孔应在同一平面上, 方向正确, 不能偏斜。 (3) 锯切按照操作要求和步骤进行锯切作业。

切割中的注意事项: (1) 金刚石绳适当绷紧, 及时供应冷却水; (2) 切割过程中要确保切割绳在同一个平面内; (3) 切割要做到速度稳定、参数稳定、设备稳定。

1) 横向双缝切割每条缝划分为18个切割单元, 两侧共4条横缝共划分72个切割单元, 共投入36台金刚石绳锯机, 切割面积为74.76m², 每台切割面积为2.077m², 常规切割效率为1~1.5m²/ (台·h) , 按照最不利纯切割时间为124.62min, 就位时间为30min, 1次移机时间为20min, 总计需要174.62min。

2) 边跨纵缝切割14条缝布设20台金刚石绳锯机, 每条缝切割面积为2.4m², 14条缝为33.6m², 按照最不利纯切割时间为100.80min, 就位时间为3min, 2次移机时间为40min, 总计需要170.80min。

3) 中跨纵缝切割面积260.64m², 共投入45台金刚石绳锯机, 能够在10h内完成施工任务。

4) 切割施工时横向双缝、边跨纵缝、中跨纵缝可同时施工, 中跨切割为理论耗时10h, 实际切割耗时30h, 实现了桥梁梁体的快速切割拆除。

北京市管城市桥梁三元桥 (跨京顺路) 桥梁拆除利用无损性钻切技术实现了桥梁梁体的分块切割和快速吊运, 并解决了施工过程中对保留部分 (桥台、桥柱) 的保护, 以及对公众、公共财物、邻近财产、现有公共设施、现有道路的保护。本次工程在30h内完成了切割施工任务, 安全性高, 采用传统工艺根本无法完成施工。金刚石无损性钻切技术作为一种新型施工工艺, 具有良好的社会效益和经济效益, 今后的桥梁大修中要大力推广此技术的应用, 不断促进此项施工工艺水平的提高。将无损性钻切技术应用到桥梁快速大修改造工程中, 采用切割桥梁改造段、整体更换主梁的快速施工方法, 对交通基本没有影响, 1座普通3跨桥梁快速大修在中断交通1~2d后即可恢复使用, 这在桥梁维修改造历史中是里程碑式的创新。