青口互通跨燃气管道旧桥拆除施工技术

袁野 孟金懿

摘 要：为满足交通需求，福州绕城高速青口互通需要拆除后进行原位改扩建。既有互通A、B、C、D四条匝道桥梁下方有一条超高压天然气管道横穿，管道平均埋深约2 m。旧桥拆除期间超高压天然气管道需正常运营，为保证管道安全，对于埋深低于2 m，既有梁體距地面高度较高的C匝道第六联采用管道柔性防护，搭设桥梁群支架后进行绳锯分块切割的综合支撑防护系统，通过金钢绳锯分块静态切割后进行吊装拆除。本文以此为依托，研究了拆除过程中的支撑防护、监测控制方案，进而形成有效的跨燃气管道施工控制和监测机制。

关键词：旧桥拆除;柔性防护;支架法;有限元仿真;静态切割

中图分类号：U445.6文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）10-0070-06

Demolition Construction Technology of Old Bridge Across Gas Pipeline in Qingkou Town

YUAN Ye MENG Jinyi

（Sinohydro Engineering Bureau 8 Co.， Ltd.，Changsha Hunan 410004）

Abstract： In order to meet the traffic demand， Qingkou interchange of Fuzhou Ring Expressway needs to be demolished for in-situ reconstruction and expansion. There are four on-ramp Bridges A， B， C and D， and an ultra-high pressure natural gas pipeline crosses under them. The average buried depth of the pipeline is about 2 meters. The ultra-high pressure natural gas pipeline must be operated normally during the demolition of the old bridge. In order to ensure the safety of the pipeline， the pipeline flexible protection is adopted for the sixth connection of the C ramp where the buried depth is less than 2 meters and the existing beam body is higher than the ground height， the integrated support and protection system of the wire saw block cutting after setting up the bridge group supports， the wire saw block static cutting， lifting and dismantling technology. Based on this， this paper studiesd the support protection， monitoring and control scheme in the process of dismantling， and then formed an effective control and monitoring mechanism for the construction of cross-gas pipeline.

Keywords： old bridge demolition;flexible protection;support method;finite element simulation;static cutting

1 工程背景

既有青口互通为沈海和福银高速交通转换的半定向Y形立交桥梁群。随着交通流量的增加，为形成更好的交通流转换服务，对该互通进行拆除后原位改扩建。拆除范围包括2座高架桥、4座匝道桥，总长约2.25 km，混凝土方量约2万m3。超高压燃气管道从互通区由南向北横穿旧桥A、B、C、D共4条匝道，燃气管道规格为Ф406 mm×7.9 mm，管道材质为L415，设计压力为7.5 MPa，管道日常运行压力为6～7 MPa，管道埋深约2 m（管顶至地表），桥梁拆除时燃气管道不停运，给燃气管道顶桥跨及邻近桥跨拆除保护增加了难度[1]。

A、B、D匝道部位燃气管道埋深较深，均为3 m，桥梁高度较低，约为5 m。该部位拆除采用土牛法进行机械破碎即可[2]。

C匝道第六联第1跨位置燃气管道埋深仅为1.82 m，桥梁高度达13.1 m，旧桥拆除危险系数很高，存在较大难度[3]。

C匝道第六联为五跨现浇预应力混凝土箱梁结构，跨径组合为18 m+3×23 m+18 m，位于缓和曲线上，曲线半径为150 m，桥面纵坡为0.7%。下部结构采用柱式墩，起止墩号为26—31，26号和31号墩为双柱结构，其他墩为单柱墩。箱梁采用等高单箱三室空心板梁，截面高1.3 m，底板宽4.5 m，桥面宽9 m。天然气管道从第一跨底下穿越。C匝道于2004年竣工并投入使用，其第六联现场如图1所示。

2 拆除实施思路

C匝道第六联位于曲线段，竖向坡度大，桥梁墩柱较高，桥梁的构造简单，结构尺寸小，配筋小，刚度小，富裕承载力小，拆除过程中易出现较大变形和倾覆[4]。桥下超高压燃气管道埋设浅，拆除过程中物体坠落会对燃气管道形成破坏[5]。为保证桥梁拆除安全，经有限元仿真分析、塌落振动控制分析及多方案论证后，采取管道柔性防护，梁体第一、二孔搭设钢管贝雷架全封闭防护，其余三孔采用钢管分配梁支架作为支撑的防护措施，先凿除桥面铺装，对称切除防撞护栏、翼缘后再进行梁体拆除。梁体利用金刚石绳锯首先沿跨中切开，再沿跨中至墩顶方向依次切割，按照5 m一个节段依次切割、吊装，切除的梁段落于支架上，最后用吊车起吊运输至指定位置进行破碎。跨燃气管道旧桥拆除工艺如图2所示。

3 旧桥拆除施工方案

3.1 拆除顺序确定

根据待拆除桥梁的结构特点，先将翼缘拆除减轻结构自重后，剩余部分结合预应力砼连续箱梁的受力沿纵向切割线分解为两部分进行切割拆除，按纵坡从高到低的順序依次从外侧到内侧拆除。切割后新梁体面积A=1.945 m2，每米单位重约为5.2 t，按5 m一段拆除，单段重量为26 t。桥梁拆除顺序如图3所示，拆除过程中空心板式梁截面变化如图4所示，桥梁拆除吊装如图5所示。

3.2 综合防护系统设计及施工

为了保证拆除时坠物不对天然气管道造成影响，管道所处第一孔底下设覆土2 m，管道两侧2 m、顺管道方向12 m范围布置一层轮胎防坠物冲击。第一、二孔采用搭设钢管贝雷架作全封闭防护，其余三孔采用钢管分配梁支架作为支撑。综合防护系统总平面布置情况如图6所示。

墩位26—27、27—28两孔箱梁拆除支架采用Φ630 mm×10 mm钢管立柱，相邻管柱中心距为2.67 m，立于既有承台上。管柱沿高度方向设置2道扶臂，扶臂通过抱箍与主体墩柱连接成整体。Φ630 mm×10 mm钢管桩顶布置2H600×200横向分配梁，两侧悬臂部分采用2[32b型钢斜撑。分配梁顶架设321型单层加强型贝雷梁（18 m跨为单层不加强型贝雷梁），共设置12榀，相邻贝雷梁安装竖向、横向支撑架。贝雷梁顶设置工形16小横梁，小横梁顶部设置10 cm×10 cm木方与竹胶板。桥梁横坡通过木方加木楔块调整，纵坡通过两端钢管桩顶标高进行调整。支架断面布置如图7所示。

墩位28—31三孔箱梁拆除支架采用Φ630 mm×10 mm钢管立柱，相邻管柱中心距为2.67 m，立于已有承台上。管柱沿高度方向设置2道扶臂，扶臂通过抱箍与主体墩柱连接成整体。Φ630 mm×10 mm钢管桩顶布置2H600×200横向分配梁，两侧悬臂部分采用2[32b型钢斜撑。横向分配梁与梁底之间间距约10 cm，采用钢垫块与橡胶板支座抄垫。桥梁横坡通过木方加木楔块调整，纵坡通过两端钢管桩顶标高进行调整。

采用容许应力法，通过MIDAS软件建立模型分别验算支架的强度、刚度和稳定性均满足要求后予以实施。

3.3 全过程仿真分析

旧桥拆除在结构计算、梁体应力变化、施工过程等方面尚无成熟经验，其难点主要有以下三点。其一，旧桥拆除支架无法通过预压来消除支架及地基的非弹性变形，无法检验支架的强度、刚度、稳定性以及地基的承载力，拆除过程中作用于支架上的荷载不同于现浇中载荷的均匀控制，而属于突变的过程。其二，桥梁在切割拆除时，随着预应力筋割断，预应力得以释放，但由于孔道内灌浆料与钢束间的黏结作用，在钢束被割断后，桥梁结构内仍有残余预应力，残留的预应力对梁体和支撑系统存在的影响难以定量分析。其三，在桥梁拆除过程中，控制截面内力不断变化，结构体系不断转换，内力重新分配及支撑部件之间的空间传力过程难以控制。

针对以上问题，采用MIDAS Civil软件进行有限元仿真计算，建立包含上部梁体、贝雷梁及钢管柱支撑系统的整体模型。将桥梁拆除施工过程中不同阶段简化为不同的力学模型，进行仿真分析，预测拆除过程中剩余结构行为，分析拆除全部过程的结构响应。利用单元的激活和钝化来模拟拆除全部过程和结构体系转换。通过对桥梁分段后体系变化、倾覆稳定性、梁体受力和变形、支撑系统受力和变形等方面进行分析，得出桥梁在主跨切断后剩余桥梁稳定性及预应力损失量，确定桥梁与支架变形预警控制值。C匝道第六联梁体整体有限元模型如图8所示，C匝道第六联整体有限元模型如图9所示。

有限元仿真计算主要分析以下内容：①成桥及拆除阶段梁体的受力与变形;②初始状态自重下及拆除阶段最不利工况贝雷梁和钢管立柱支撑系统的受力和变形;③分别计算预应力残留40%、60%、70%、80%、100%五种状态下预应力效应梯度值。

3.4 安全监控措施

塌落振动控制，超高压天然气管道设计抗震烈度为7级，跨管道处旧桥拆除切割若出现塌落，会对地面产生冲击振动，影响燃气管道安全。切割塌落的振动计算参照爆破塌落进行分析计算，爆破塌落时冲击地面引起的振动大小与其质量、重心高度和触点土层的刚度有关。根据中国科学院力学研究所经验公式，建筑物塌落作用地面造成的振动速度计算公式为：

[Vt=KtRMgH/σ13β]                          （1）

式中：[M]为下落构件的质量，t;[H]为构件重心高度，取13.1 m;[R]为重心高度落点处距被保护对象的距离，取14.92 m;[σ]为地面介质的破坏强度，一般取10 MPa;[g]为重力加速度，取9.8 m/s2;[β]为衰减指数，取-1.66;[Kt]为衰减系数，取3.37;[Vt]为振动速度，根据相关文献及专家建议，选取的[Vt]应小于等于2 cm/s。据此计算最大切割质量取值小于等于101 t。

4 应力监控技术

利用有限元仿真模拟拆除过程，针对最不利工况和最不利位置，确定控制截面，布置监测点，通过多种类型传感器检测应力应变。通过数据监测后达到预警值，然后暂停作业，分析原因、制定对策并实施，最后回归预警值控制范围等监测流程，进行动态监测。

4.1 梁体应力监测

对上部梁体在第一、二跨处各布置一个应力监测断面，分别位于相应跨的跨中截面，每个截面布置4个应力测点。C匝道第六联应力监测断面如图10所示，C匝道第六联应力测点布置如图11所示。

4.2 贝雷梁应力应变监测

现场贝雷梁位于高空，受限于测试条件，在左、右跨的跨中各布置一个应力监测点。将应变传感器沿结构主受力方向布置在贝雷梁下弦杆上。贝雷梁受力变形时，对应力监控点连续施测。贝雷梁监测平面图如图12所示，贝雷梁监测立面图如图13所示。

4.3 监控数据及分析

4.3.1 监控数据。将C匝道第六联梁体、贝雷梁应力实测数据与有限元初始理论数据结合，得到换算后的真实应力应变汇总表，如表1、表2、表3所示。C匝道第六联残留预应力分析如图14所示。

4.3.2 数据分析。研究数据分析表明：①实测最大拉应力为0.81 MPa，表明梁体在整个拆除过程中，只是部分削弱了成桥状态时的预应力效果，大部分混凝土仍处于受压状态，少部分混凝土产生了拉应力，未达到混凝土受拉极限，在梁体拆除过程中不会出现混凝土开裂情况;②支撑系统贝雷梁应力最大增幅为62.81 MPa，表明梁体在残留的预应力和相邻其他联跨的协同受力综合作用下，大部分重量通过结构自身和桥墩形成的稳定结构来承担，而传递到贝雷梁和钢管立柱构成的支撑系统的荷载并不大，因而贝雷梁和钢管立柱应力增加的幅度较小;③孔道压浆质量一般，实测数据与计算的60%残留预应力比较接近，残留的预应力仍然能发挥良好的效果。

5 结论

跨燃气管道C匝道第六联拆除历时16 d完成，其中，柔性防護及全封闭支架搭设耗时7 d，分块切割拆除耗时4 d，支架拆除及梁体破碎耗时5 d。拆除过程中，燃气管道一直处于安全状态。

跨燃气管道旧桥拆除，管道采用柔性防护后梁体钢管桩+贝雷架支撑的全封闭的综合防护，拆除时按照自上而下逆作顺序，经塌落振动控制计算有效控制切割分块重量后，以5 m一段通过金刚绳锯逐块切割工艺，可安全高效地完成桥梁的拆除。

采用有限元仿真分析技术模拟施工全过程，设置各施工阶段梁体、支撑系统的预警值，结合现场监测手段，对梁体及支架的真实受力状况进行实时对比分析、验证，能使整个拆除施工过程处于可控状态。

对支撑系统监测数据和残留预应力数据进行分析可知，梁体分块切割后，在残留预应力的作用下，大部分重量通过结构自身和桥墩形成的稳定结构来承担，传递到临时支架上的荷载相对较小，可作为类似桥梁拆除的支撑支架设计依据。

参考文献：

[1]程波.市政桥梁拆除施工与监测预警[J].现代城市轨道交通，2014（6）：41-43.

[2]陈芙蓉.整体式建模在青口互通立交桥非爆破拆除中的应用研究[D].成都：西南交通大学，2017：12.

[3]李腾飞.梁桥拆除中高大满堂支架的安全性评估及对策研究[D].重庆：重庆交通大学，2016：5.

[4]刘小林，崔清强，张鹏，等.大跨度旧、危桥梁的智能预警非爆破拆除法[J].中国市政工程，2006（3）：28-31.

[5]周家汉.爆破拆除塌落振动速度计算公式的讨论[J].工程爆破，2009（1）：1-4.