世界上第一次启蒙者潮州广济桥文物建筑修缮工程监理中的新材料与新工艺应用概述

世界上第一次启蒙者潮州广济桥文物建筑修缮工程监理中的新材料与新工艺应用概述

一、广济桥,关系高职,为中苏文明广济桥俗称湘子桥。它是宋朝乾道七年（1171年）由市长曾旺建造。最初，它是一座由83艘巨轮连接的桥梁，最初被称为“康吉”。宋末至元代,广济桥诸多兴废,年久失修,“舟坏梁断,亭屋皆废。百余年舟渡虽设,遇风雨水溢,多遭覆溺,民甚患之。”明宣德十年(1435年),桥又一次被洪水毁坏。知府王源“以修桥为己任,捐俸倡之,所部撩属及富家巨室,皆争先恐后。于是,购木石,募工佣,凡墩之颓毁者补之,石梁中断者易之”,“累石为墩二十有三,架亭屋百二十有六。中不可为墩,造舟二十有四为浮桥”,完工后更名为广济桥。正德八年(1513年),知府谭伦又增一墩,减浮船六只,遂成“十八梭船廿四洲”的独特风格。经过历代的改建,桥面上还建了亭屋126间,桥楼24座,这就是民间广泛传唱的“廿四楼台廿四洲”的广济桥。广济桥的建筑十分特殊,桥的两边是在桥墩上铺设石梁搭建的梁桥,中间部分是用18条木船连接而成的浮桥。浮桥东侧有桥墩十三个,西岸有十个,合计二十三个桥墩。在东西两侧的第一个桥洞部分,还采用了拱桥的造桥技术。中国的古桥中,有梁桥、拱桥、浮桥、索桥四大类型,广济桥既有拱桥的桥洞,又有梁桥的主体,还有船只连在一起搭建的浮桥,包容了中国古代桥梁的三种形式,中国著名桥梁专家茅以升曾称赞广济桥是“世界上最早的启闭式桥梁”。随着朝代的更迭,历史的变迁,解放前夕,广济桥已是残破不堪,1958年政府拨款对全桥进行加固维修,并拆除十八梭船,改建为三孔钢桁架及俩处高桩承台式桥梁。1976年又进行一次扩建,原7米的桥面作为车行道,桥面侧各加宽2米为人行道,成为沟通粤、闽、赣三省的重要公路桥梁。广济桥也于1988年被列为全国重点文物保护单位之一。风雨沧桑800多年来,历经洪水、台风、地震以及遭兵火焚毁、飞机轰炸等天灾人祸,时至清末,广济桥上的楼台被毁坏殆尽,桥体已经残破不堪,部分桥墩也出现淘空、倾斜与沉降现象。风雨的剥蚀,岁月的斑痕,使广济桥当年风姿黯然失色。二、参与制定、执行保护方案进入21世纪,由于韩江下游兴建潮州供水枢纽工程,广济桥的桥位处水位会因此而抬高2~3米,如不对广济桥进行修缮,这座历史悠久的大桥将会被淹没于韩江水中,同时也给日后的修缮带来极大困难,抢救维修工作迫在眉睫。为保护这一不可多得的宝贵文化遗产,潮州市作出全面修复保护广济桥的重大决策,成立了“潮州市维修广济桥委员会”机构,向省文化厅和国家文物局上报《潮州广济桥维修方案》。国家文物局在2002年8月份组成专家组莅潮召开广济桥维修方案现场评审会。12月份,国家文物局正式批复《潮州广济桥维修方案》。工程以“修旧如旧”及重现明代风貌为设计依据,工程分为两期实施修复,先后完成固墩清基、钢桥拆卸、梭船架接、桥面敷铺、亭台楼阁筑砌等工程。在参与修建该项目的各个单位的共同努力下,待水利枢纽工程完工后,广济桥的古桥雄姿仍然露出水面,这一宝贵文物古桥得到了有效的保护。我有幸作为项目总监理工程师,参与了这一旨在对这一千年历史珍贵文物古建筑进行保护并使其恢复原貌的重大项目的全程监理工作。在监理施工过程工作中,依据相关设计文件及文物保护相关法律法法规,编制监理规划和监理细则,采取有效措施,避免对原有的古文物造成损伤是监理的重点;以文物保护为核心,使古文物因工程建设而展示古代历史风采,则是施工和监理的目的。针对这个项目施工过程中石梁预应力施工技术、桥墩灌浆加固等相关新技术与新材料的运用,及各施工过程中存在各施工难点与其处理的方法,我结合自己从事古建筑文物修缮的工作经验,谈谈我所参与的该古建维修加固项目施工监理的过程的几个关键问题的处理,与各位同行交流。三、锚垫板板板设开石梁第一,桥面石梁施工的备料、制作和吊装架设。广济桥的结构特色之一是抬梁式结构,石梁材料的选取及制作是工程的关键。本工程是把1957年和1966年所修建的钢桁梁、钢筋混凝土桥面以及当时所修建的部分桥墩拆除,按原样式制作、安装石梁桥面。为保证石梁质量,克服石材断裂易折的特点(原有许多石梁断裂折断在韩江中),确保今后使用安全和使用年限,采用石梁底部开槽张拉预应力钢筋束,后张法施工。此是施工的难点,在石梁中开槽张拉钢筋束,此施工新工艺即没有施工先例,也没有相关规范及规程,还得必须保证运输及吊装工程不出任何差错。监理与施工单位反复讨论确定施工运输、以及石梁在运输、安装吊装方案。石梁施工工艺流程为:石梁开采→石梁修凿→石梁张拉→石梁运输→石梁架设。(1)石梁开采。由于广济桥建设周期长,使用的石梁的石材种类不同,安装的石梁依据现场残存的石梁样式和图纸的要求,与业主、施工单位确定使用福建产泉州白606#(即国际编号G3506)花岗岩,满足设计要求的石梁抗压强度71MPA,抗折强度18.7MPA,弹性模量5.7×104MPA,泊松比0.3,总共制作76条长10.65~16.1M,梁高0.9~1.1M,梁宽0.99M的石梁。石梁采用按“修旧如旧”的原则,石梁的采取以及石梁表面的制作全部必须使用人工楔、凿,地点在福建省南安县境内,严格挑选料源,每个开采工作面都要进行材质试验,符合设计要求后才能用于石梁施工。开采时严禁使用现代化的火工品或其他方式的爆破方法,开采出来的石梁必须全部经过仔细检查,看看尺寸是否合格、材质是否有变化、颜色是否一致、目测杂质含量是否在允许范围内等等,检查合格后才能运至存梁场存放。(2)石梁修凿。开采的石梁毛料必须经过必要的修凿,以及石梁表面的修整必须保留原有自然的粗糙面,不得采用机械修整,达到设计和张拉要求后才能实施张拉。将所有石梁底部修凿平整顺直,边梁内侧修凿平整顺直,边梁外侧尽量保持天然石面。在每片石梁的两端端面下部按照设计位置开凿出锚垫板槽,锚垫板槽为不规则棱台体形,位于石梁端面底部5cm以上中间,外口长79cm,宽59cm,;内口长59cm,宽30,上口深16cm,下口深14cm;内侧面必须经过精细打磨光滑,以便锚垫板张拉后能与石面密贴。将石梁侧翻90°,侧翻时石梁底部垫上一定厚度的细砂,以免侧翻时损坏石梁,在石梁底面距两端各2m中间范围开凿张拉槽,张拉槽横截面为梯形,外口宽59cm,内口宽39cm,深20cm。从开凿好的锚垫板槽面上设计位置垂直于槽面钻张拉孔,张拉孔孔径为10cm,与底部张拉槽相通。张拉孔与张拉槽连接部位打磨成半径400cm的光滑圆弧,以免波纹管和钢绞线在张拉时受到折损。(3)石梁张拉。设计要求,开槽张拉预应力钢束采用15.24钢绞线组成,标准强度Ry=1860Mpa,锚具和锚垫板无标准型号,须厂家配合特殊定做。安设波纹管和锚垫板,由于石梁张拉的特殊性,不能按普通钢筋混凝土梁的张拉工艺施工。首先,在石梁开好的张拉槽中安设波纹管箍筋,再从侧面张拉孔中穿设波纹管至另一侧张拉孔,并将锚垫板固定在石梁锚垫板槽内,并采用U型钢筋卡将波纹管按照设计位置固定牢固。支模板浇捣C50水泥砂浆,并养护7天,期间,必须保证波纹管和锚垫不移动。张拉钢筋束采用高强度低松弛15.24mm钢绞线,为方便钢筋束在波纹管中穿束,整条钢绞线的端部采用2mm厚的夹片固定,穿束时先压力清孔,然后人工穿束,完成后检查钢束能否在孔道内自由滑动。预应力钢筋束张拉前必须对张拉设备进行校验,以确定张拉力与压力表读数之间的曲线关系。第一次张拉前对千斤顶的摩阻损失值按规范要求进行测定。每条石梁预应力的张拉全程,必须在监理工程师在场时进行,张拉顺序按设计编号进行。采用双控法施工,即以控制应力进行张拉,以伸长值校核,两端钢绞线的实际伸长值与理论伸长值对比,误差应在±6%以内。预应力张拉程序按设计要求进行:0→初应力→σcon(持荷2min锚固)。由于石梁预应力张拉是国内空白,因而此次张拉理论伸长值为事先根据经验设计,在实际施工中应该根据实际发生的情况及时进行调整。初张拉:按设计的石梁预应力钢束编号和张拉顺序进行两侧对称张拉,张拉同时对千斤顶主缸充油,使钢绞线略为拉紧,并调整锚圈及千斤顶的位置,使孔道、锚具和千斤顶三者之轴线相吻合。当初应力达到张拉力的10%时作标记,并观察是否有无滑丝情况发生。张拉:采用两端同时逐级加压的方法,两端千斤顶的升压速度应接近相等,当两端达到最大超张拉吨位时鸣号,并持续供油维持张拉力不变,持荷2分钟,然后两端回油,同时测量钢束的实际伸长量。锚固:打开高压泵截止阀,张拉缸油压缓慢降为零,活塞回程,锚具夹片自动跟进锚固,锚具外多余钢绞线可用砂轮切割机切割,不准使用电、气焊切割。压浆、封锚:压浆在钢束张拉完成24小时内进行,水泥浆可适当加入膨胀剂。压浆必须缓慢、均匀进行,每个孔道压浆必须连续完成,压浆自石梁一端压进,一端流出,为保证压浆饱满,可进行二次压浆。封锚:在锚垫板槽中绑扎钢筋网片,模板固定牢固。保证其角度及垂直度正确,最后浇筑封锚混凝土。(4)石梁运输必须保证石梁在运输车上捆绑牢固,石梁中轴线与运输车中轴线基本重合,以免发生意外倾覆等情况,确保运输安全。(5)石梁吊装架设。由于每根石梁设计荷载只有5.0KPA,无法通过架桥机架设,实际操作时,用贝雷片在桥头拼装组成架梁机,在两墩之间架设行走轨道供架桥机行走,然后用小车在已架架桥机及石梁上安装钢轨运梁。在再次审查石梁安装方案时,进行平板车路上运梁的安全计算和小车在桥上运梁安全计算。计算结果都在安全限度内,同意施工。施工过程安全、进展顺利。第二,桥墩加固维修、围堰。对原有各桥墩进行筑岛围堰,并进行钢筋混凝土箍梁水下加固。原施工方案考虑韩江水位普通高于抛石面,对于桥墩圈梁、构造柱及水下圈梁施工影响非常大,必须在各桥墩周围进行筑岛围堰,在河水湍急部位,考虑使用钢板桩进行围堰筑岛施工;在审核施工方案时,监理与业主要求对施工方案进行修改,原因是现场实际情况无法进行钢板桩的施工围堰,广济桥桥墩的基础是经过800余年的不断抛石累积起来的,并在每年汛期到时不断抛石加固,桥墩基础表面是河砂,其实下面全是块石,不可能进行钢板桩的施工,并且,施工工期也不允许。监理提出利用枯水期,就地取材,使用编织袋分段快速围堰筑岛,不拘于施工段的大小,依据水位快速围堰,也可按桥墩进行围堰。由于2003年10月18日开工时正好是韩江枯水期,部分韩江河段甚至出现断流现象,韩江水位可以说是近年最低,至2004年春节后雨季到来前还有充分的时间进行施工。施工单位依当时天时制定、修改施工具体实施方案,采用编织袋,袋内就地取用河床上砂装袋方法,袋口使用铁丝绑扎牢固,按围堰的范围摆放,围堰外部围铺塑料布一层起到防水作用;在水流湍急部位,为防止编织袋被水冲失,采用大尼龙网袋将编织袋集中装在一起,然后同时抛入水中,露出水面的围堰袋使用尼龙网罩实,防止下雨涨水将围堰冲垮。围堰完成后,将岛内积水抽干,进行桥墩圈梁、构造柱的钢筋混凝土加固浇捣。全部围堰工作以及水下圈梁、构造柱的混凝土浇捣工作于2004年雨季到来前全部完成,即节省了工期,也节省了造价。因此,施工方案的编制与执行,应该了解当地的气候,特别是水利等环境条件,不能盲目按常规施工,否则易造成工期和经济损失。第三、墩身维修、加固。桥墩墩身组砌石裂缝、残损块石修补以及桥墩墩身压力注浆补强。由于年代久远,历经洪水、台风、地震以及遭兵火焚毁、飞机轰炸等天灾人祸,原桥墩破损严重,依据河南省建筑科学研究院2001年的广济桥桥墩测试报告,由于桥墩经过历年历代修整,桥墩内部过于复杂,桥墩内部严重密实度不足,墩基残缺不全,经现场勘查,各墩桥墩出现一些裂缝,特别是第8#、11#、14#、16#墩,韩江水面降低后,可见桥墩根部空洞,第8#墩基空洞达达桥墩基的30%以上,现场各墩清晰可见1958年用袋装细石混凝土修补痕迹,但年久失修,墩基残缺、形成的空洞、裂缝已严重影响了桥墩的寿命,与业主、施工方对各墩残缺、空洞情况进行拍照,要求施工方依据上国家文物局的维修加固方案和设计图纸制定修补方案,最后,依据图纸确定先对墩身的残缺进行修补各墩墩基都有出现块石缺损现象,采用与原式样一致的料石,依据现场修补部位的形状,参照原样式摆放浆砌,现场勘查桥墩砌石表面不勾缝,并处理成与干摆块石相同的外观。针对第8#等墩基出现较大空洞的墩,进行空洞清理后,浇筑高强度混凝土,进行修补,然后外侧使用条石参照墩身原样式摆放浆砌。其次,考虑采用桥墩深孔压力注浆的方案针对墩身裂缝和无法观测到的空洞以及墩身的不密实进行灌浆加固处理,提高墩身结构的整体性,通过钻机墩身钻孔,把带有特殊喷嘴的注浆管钻进墩身的预定位置后,用高压泥浆泵的高压发生装置,使水泥浆成为高压喷射流,从注浆管底部侧面的喷嘴喷出,同时钻杆以一定速度徐徐提升,使水泥浆高压注入墩身的缝隙中,从而达到墩身密实和修补裂缝的目的。施工初期,召开了试注现场会,确定7#和18#墩为试验墩以确定各墩的布孔间距(确保墩身密实度的关键),现场实验确定孔距180cm左右梅花形布孔,确定灌浆量的控制为设备压力20Mpa,观察墩身水泥浆溢出为止,跳孔灌注水泥浆,水泥浆适当加入微膨胀剂和细砂以改善和易性及密实度。本施工环节,重点审查其布孔和孔深。现场施工技术员和监理员对终孔深度和注浆终孔压力逐个进行旁站登记。施工过程,调整了注浆配合比和封底方法,严格控制桥墩压力注浆施工质量。经请检测单位检测,各墩经注浆加固后基本密实,符合设计要求。第四,中间十八梭船浮桥的重现。广济桥第8#、11#墩之间由十八艘梭船浮桥连接,并可以启闭,这是广济桥位于中国四大古桥的特色之一,在平时作为东西两岸交通桥梁,洪水来时,梭船开启,让洪水通过,浮桥设计的非常巧妙。原设计只能参考旧照片及相关资料设计梭船,第8#、11#各安装两个大型绞盘进行开启。实际上,由于社会和经济的发展,原有梭船启闭形式已不可能实现,现在韩江通航船只基本达到300T左右。通航要求与过去已发生了天翻地覆的变化,梭船锚固、梭船通航、梭船避风等问题必须与原设计方案出现非常大的出入。经文管办委托潮州市海局协助组织论证,最后确定使用六艘固定梭船的锚固方式,固定梭船为1#、2#、3#梭船和16#、17#、18#梭船,其中2#、17#梭船上游端锚固在固定锚点,下游端则抛锚固定,1#、3#、16#、18#梭船为两端抛锚,并用铁链分别与2#、17#梭船固定链接。考虑到韩江江面不稳定、浮桥链接缺乏动力(原设计梭船三艘只有一艘有动力,且马力不足)以及今后使用安全等因素,文管办与监理、施工方联系设计人员、潮州市造船厂的老师傅反复研究讨论,确定梭船内部使用钢桁架加固,并使用槽钢三艘梭船一组刚性连接起来,组与组之间钢槽铆接,首尾两组按设计方案锚固,其余四组连接时由拖船作为动力连接,很好的解决了梭船浮桥稳定性和动力问题,保证了韩江通航和梭船浮桥的使用安全。第五,广济桥维修加固工程中的抗震安全性措施。潮州广济桥维修加固工程是一座重要桥梁,其原始地貌单元属于韩江三角洲冲积平原,近场区及附近,历史上曾经发生过多次破坏性地震,大于6度的地震6次,8度的地震2次。根据工程场地钻探资料揭示,土层主要由中粗砂、粉土、含卵石粗砂、粘土、残积砂质粘性土及强风化凝灰质砂岩组成,覆盖层平均厚度约40m,下伏凝灰岩和火山角砾岩,岩心呈块状,岩石坚硬完整。距本工程场地最近的断裂带是普宁-韩江断裂和韩江断裂,约1km,不会对场地的稳定性造成直接影响。但工程场地地下夹有厚度2-7m的中粗砂层,在地震力的作用下,可能发生砂土液化现象,对桥墩的抗震产生不利影响,必须采取相应措施对大桥进行相应的加固。其一,上部花岗岩石梁采用加部分预应力,梁端支座采用抗震橡胶垫的方法,花岗岩属于脆性材料,其特性是结构刚度大、滞回耗能能力差,特别是在较大的地面运动作用下,上部结构更表现出较大的地震反应。因此,依据设计建议要求,采用在石梁两端安放隔震性能较强的抗震盆式橡胶支座,即GPZ(KZ)DX单向活动抗震盆式橡胶支座,该支座采取刚柔结合的方式获取有效抗震措施,增大了支座的耗能能力,改善了支座抗震性能。地震发生时,可提高桥梁抗震能力,最大限度地限制桥梁上、下部结构之间的相对位移,减小了地震力的放大系数。其二,原桥墩墩身属于圬工结构,目前,材料表面风化、剥蚀严重,各墩上部结构除承受主梁荷载外,还有预留亭台等上部建筑荷载,以及河道通行加高墩身要求,因此采用加固墩身整体性的结构措施,即深孔高压注浆,同时在墩身周边设置钢筋混凝土构造柱和多道圈梁的方法,提高墩身结构整体性,达到抗震目的。墩身上部加高部分内设钢筋混凝土结构,外依据墩身外观砌条石,处理成与干摆块石相同的外观。其三,根据广东省工程防震研究所关于“潮州市广济桥工程场地地震安全性评价报告”,地震活动断裂在本场地直接通过,在遭受基本烈度为8度的地震作用时,本场地可能发生严重的砂土液化现象。因此必须采取消除墩基液化沉陷的工程构造措施,采用高压旋喷法结合旋喷固结体帷幕封闭的方案加固地基,桩长必须通过液化层支撑在非液化层上。以上要求都在墩身加固时同时实施,监理必须严格控制孔深、水泥浆配合比、压力等控制指标,采用钻探取芯法检验旋喷桩和帷幕质量,经现场检测符合设计要求。四、广济桥的保护与管理河床疏浚的控制,河床疏浚是本次广济桥维修的工程内容之一,对于河床上的断梁等大体积阻塞物,都必须监督施工方彻底清除。原设计是拆至最低水位线(9.10m)下的桩承台面(8.00m),潮州航道局不同意,因通航行安全无保证,最后商定拆至(韩基)3.00m处。第9#、10#桥墩的水下部位拆除,不单有利安全通航,对渡洪能力也大为加强。经计算,当洪水位达到(五十年一遇)16.28m,梭船位的河床冲刷至3.00m时,