花魚洞大橋位於G 3 2 0 線的貴州省清鎮市境內, 跨越紅楓湖, 起訖樁號為K 2 1 3 3 + 0 0 2 . 1 6 5 ～ K 2 1 3 3 + 2 9 2 . 1 6 5 , 橋樑全長2 9 0 m 。全橋孔跨布置為5×15m+150m+4×15m，主跨為150m預應力混凝土桁式組合拱橋。主拱計算矢跨比為1／8，橋面凈寬為9.0（行車道）+2×1.5m（人行道），設計荷載等級為汽車-20級，挂車-100，人群荷載為3.5kN／m2。
圖1 花魚洞大橋
該橋於1991年3月建成通車，2010年至2011年進行過加固維修，如圖2。2014 年國家道路及橋樑質量監督檢驗中心對該橋進行檢測，檢測結果評定為四類危橋。2015年6月，國家道路及橋樑質量監督檢驗中心對該橋進行荷載試驗及特殊檢查， 發現中間箱底縱橫向交錯粘貼碳纖維布重新出現了嚴重病害，橋墩混凝土出現大面積脫落現象等。橋樑的整體結構強度和耐久性都明顯下降。報告總體結論：花魚洞大橋主要控制截面的承載能力、結構強度及剛度已不能滿足原設計規範的要求。報告建議：1.限速，最高車速不超過20km/h；2.建議該橋限載單車總重不超過30 噸。G320是貫穿貴州省東西方向的重要通道，採取限速限載措施後，對沿線人民的生產生活帶來許多不便，貴州省公路局批覆同意該橋拆除重建的方案。
圖2 花魚洞大橋加固維修圖
桁式組合拱橋
花魚洞大橋為主跨150m預應力混凝土桁式組合拱橋。桁式組合拱橋是從上世紀80年代起源於貴州的橋型，由於採用了「化整為零」的結構型式，橋樑施工可採用簡易的人字桅杆起吊完成，不需要大型機械設備便可以完成大跨徑橋樑的建設。全國範圍內共修建有41座桁式組合拱橋， 跨徑從75m-330m，是一種適用性很強的橋樑結構形式。圖4-圖7為同類型桁式組合拱橋施工圖片，花魚洞大橋同樣採用該種施工工藝修建。主跨330m的江界河大橋為世界最大桁式組合拱橋，如圖3。歷經了20年左右的時間後，結構過於零散、汽車荷載增加等因素，使得該類橋樑普遍出現了嚴重的病害，先後有多座橋樑拆除重建。
圖3 江界河大橋（主跨330m）世界最大跨徑桁式組合拱橋
圖4
圖5
圖6
圖7
設計方案
橋位方案
花魚洞大橋位於國家5A級紅楓湖景區和二級飲用水源保護區。新建花魚洞大橋橋位的選擇除了要考慮工程建設的經濟性，同樣也需要考慮橋樑建設及運營期間對景區和飲用水源的影響。
從圖8可以得到以下結論：貴黃公路花魚洞大橋橋址處跨徑最小，工程經濟性最好，並且橋樑施工期間和運營期間對紅楓湖景區和飲用水源的影響最小。若採用其他橋位方案，除了經濟性較差、施工期間和運營期間對紅楓湖景區和飲用水源的影響較大外，與已有的黃果樹岸的隧道相接十分困難。
圖8 花魚洞大橋橋位鳥瞰圖
橋型方案
花魚洞大橋橋位處地勢平緩，大橋兩岸拱座均位於紅楓湖水域邊緣，新建橋樑跨徑至少要大於老橋150m的跨徑，才能保證橋樑在施工及運營後，對紅楓湖景區及二級飲用水源保護區無影響。此外，大橋在貴陽岸有溶洞發育，終點岸橋樑緊接隧道，這些因素將影響橋樑方案的孔跨布置。
圖9 新建花魚洞大橋立面圖
新建花魚洞大橋孔跨布置的主要控制因素：
(1）橋型必須滿足景區、飲用水源的需求，景觀效果要求高。
(2）拆除不能採用爆破和支架方案，橋型方案的布設必須同時考慮拆除方案。
圖10 新建花魚洞大橋平面圖
(3）地形、地質條件複雜。
根據本項目的地形地貌特點，可選用的橋型方案有斜拉橋、懸索橋、拱橋、梁橋等。本項目若布置主跨200m左右的斜拉橋方案，距離橋位約250m處聳立著滬昆高速紅楓湖大橋，該橋為獨塔斜拉橋，若本項目再採用斜拉橋方案則景觀效果較差，同時斜拉橋方案造價偏高。此外，懸索橋、連續梁橋方案明顯不適合該橋位。
圖11 新建花魚洞大橋橫斷面圖
經比較，最終採用主跨180m中承式提籃鋼管混凝土變截面拱橋，孔跨布置為 2×20m箱梁+180m中承式提籃鋼管混凝土變截面桁架拱+1×20m箱梁。主橋拱軸線係數m=1.8，凈矢高h=45.0m，凈矢跨比f=1/4。主拱圈由四根弦管組成，拱腳弦管高5.5m，拱頂弦管高3.5m。主拱肋採用鋼管混凝土，管內填充自密實微膨脹混凝土。拱圈向內傾斜10度。橋樑全長269.6m。其中兩側人行道寬1.75m，車行道寬9m，總寬度12.5m。
圖12 新建花魚洞大橋效果圖
該方案橋樑造型美觀、跨越感強、和周圍環境協調， 設計施工經驗成熟，對紅楓湖生態環境和飲用水源保護區影響小。該方案效果圖見圖12。
橋樑主要結構
(1）拱肋結構
新建花魚洞大橋主拱圈由四根弦管組成，拱腳弦管高5.5m，拱頂弦管高3.5m。主拱肋採用鋼管混凝土，管內填充C50自密實微膨脹混凝土。拱圈向內傾斜10度。拱肋計算跨徑180m，拱軸線係數m=1.8，凈矢高h=45.0m，凈矢跨比f=1/4。
拱肋上、下弦管規格：φ850×25、φ850×20；平聯管規格φ550×12；拱鉸處斜腹杆規格：φ550×28；立柱以下直腹杆規格：φ 5 0 0 × 1 2 ；其餘腹杆規格：φ450×12。拱肋標準橫斷面見圖13。
圖13 拱肋標準橫斷面圖
(2）橋面繫結構
橋面系採用縱橫樑結構體系，如圖14。其中縱梁分為主縱梁3道，次縱梁2道。橫樑除在交界墩位置採用混凝土結構外，其餘均為鋼結構，橫樑共計25道。縱橫樑通過栓焊進行連接。
圖14 橋面系縱橫樑平面布置圖
鋼結構橫樑共計4種類型，其中標準橫樑（吊杆處）長17.5m，如圖15，其餘位置因拱肋傾斜，考慮支撐的需要橫樑適當加長。橫樑高度最小1.8m，其餘位置高度因橫坡而相應變化。
圖15 橫樑立面圖
主縱梁共計3種類型，其中標準主縱梁（吊索間） 長6.5m，如圖16，其餘主縱梁長度因橫樑間距的不同而變化。
圖16 主縱梁立面圖
次縱梁共計3種類型，其中標準次縱梁（吊索間）長6.7m，如圖17，其餘次縱梁長度因橫樑間距的不同而變化。次縱梁高度均為0.8m。
圖17 次縱梁立面圖
(3）吊杆
全橋共計17對吊索，吊索均採用GJ15-15型。吊索張拉端設置在拱頂，固定端設置在橫樑底部。
圖18 吊索拱頂端
拆除方案
新建花魚洞大橋橋型方案為主跨180m中承式提籃鋼管混凝土變截面桁架拱，邊跨是20m混凝土箱梁。主跨採用纜索吊裝，邊跨採用支架現澆，均為常規施工方案。
花魚洞大橋老橋為桁式組合拱橋，位於景區及二級飲用水源保護區，無法採用爆破拆除。同時老橋拱座臨近水面，設計水位高於拱座底面，湖水深達30米以上，無法在拱圈下緣搭設支架。
因此老橋的拆除方案是本項目的難點。在方案設計階段，充分考慮拆除舊橋的各種嚴苛要求後，設計人員改變過往先拆再建的思路，將新建橋樑主拱設計成提籃拱， 「包住」舊橋。施工時先用纜索吊裝主拱，並灌注管內混凝土，利用鋼管混凝土拱所具有的強度和剛度，設置扣索拉住舊橋，採用倒裝法實現舊橋的拆除。新老花魚洞大橋疊合立面圖、平面圖見圖19和圖20。
圖19 新老花魚洞大橋疊合立面圖
圖20 新老花魚洞大橋疊合平面圖
施工方案
鋼管混凝土橋施工
新建鋼管混凝土拱橋採用無支架斜拉扣掛纜索吊裝系統施工。纜索吊裝系統由承重索、承重索支撐塔架及索鞍、承重索錨碇、起重跑車運行系統等組成；拱肋懸拼扣掛系統由扣塔、鋼鉸線扣索及扣索錨碇等部分組成。
桁式組合拱橋拆除
拆除舊橋總體思路：利用新建鋼管混凝土橋拱肋的強度和剛度（即鋼管管內混凝土灌注並達到設計強度後）， 分別在桁式組合拱下弦各節點附近設置臨時扣點，並用鋼絞線作為臨時吊索錨固於鋼管拱對應的節點處（基於拱結構特點，臨時吊索大致在鋼管拱拱軸線徑向布置，這樣， 臨時吊索也處於桁式組合拱橋下弦拱軸線的徑向方向，如圖21所示）。張拉各臨時扣索，將桁式組合拱橋的結構恆載均勻分配到鋼管拱結構上後，解除桁式組合拱橋拱頂連接（即「開拱」），將桁架拱結構體系轉化為節點有支承的懸臂桁架，按照原橋懸臂架設的逆過程，逐段拆除桁式組合拱橋各構件。為確保施工安全，在對原橋桁式組合拱體系轉化前，在不破壞原結構受力的情況下，須儘可能對原橋進行減載（如拆除橋面鋪裝、人行道牛腿等）。
圖21 桁式組合拱橋臨時吊索布置示意圖
開拱
桁式組合拱橋體系向多支點懸臂桁架體系轉換，即開拱，是本項目拆除的重點環節。具體實施步驟如下：
1.安裝臨時吊索，並按監控數據進行預張拉。
2.開設拱頂人孔，切割實腹段邊箱頂底板千斤頂基座槽口，並按圖埋置千斤頂基座構造。
3.安裝千斤頂，並按監控數據進行預頂；安裝豎向限位支架，實腹段邊箱頂底板填塞鋼板。
4.按照設計圖進行首次切割，切割順序為：先切割箱的頂底板，再切割腹板。
5.觀察無異常情況後，進行第二次切割，切割完成後，千斤頂進行同步回油，逐步釋放拱結構軸力。為確保回油過程中的結構安全，通過不斷抽換邊箱頂底板填塞的鋼板，以匹配千斤頂的回縮。
6.千斤頂再次頂緊，按上述順序進行第三次切割。同樣的，按上述步驟進行拱結構的第二次軸力釋放。如此類推，直至拱頂軸力完全釋放，形成兩個獨立的多支點懸臂桁架體系。
混凝土構件的切割拆除工具主要採用全液壓繩鋸、專用牆鋸等專業設備。
花魚洞大橋在原橋址處拆除重建，由於受到紅楓湖5A 級風景區、二級飲用水源、地形地質條件和前後接線的限制，考慮到景觀效果，最終採用了主跨180m的中承式鋼管提籃拱。
該橋施工中的難點是舊橋的拆除，本項目建設過程中按先建後拆的思路，採用先吊裝完成新橋的拱肋，巧妙利用拱肋的剛度，架設扣索，倒裝法拆除舊橋。該施工方案可以有效滿足景區和飲用水源的環保要求，同時施工安全性顯著提升，並節約了施工工期。
花魚洞大橋景觀、環保要求嚴苛，設計施工緊密結合，先建後拆，是山區橋樑精心設計、精細施工的經典案例。
本文刊載 / 《橋樑》雜誌 2020年 第1期 總第93期
作者 / 楊健 吳駿 劉彬
作者單位 / 貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司
貴州理工學院交通工程學院
貴州橋樑建設集團有限公司