大跨度鋼管拱混凝土真空輔助泵送頂升施工

湯厚興

1 工程概況

小欖水道特大橋屬于新建鐵路廣州—珠海城際快速軌道交通工程，本橋橋址處于珠江三角洲平原，跨越小欖水道，北向于新廣州，小欖水道特大橋主橋跨布置為100 m+220 m+100 m V構—鋼管拱組合橋，主橋橋長420 m，為迄今為止客運專線跨度最大的連續剛構橋。鋼管拱肋采用N形桁架，在靠近拱腳位置采用變高度啞鈴形截面，上、下弦管直徑為900 mm，壁厚分24 mm，22 mm和20 mm三種，為鋼管混凝土結構，腹桿采用φ 600×16 mm的空鋼管。兩片拱肋間設7道橫撐，拱頂3道為米字撐，其余4道為 K字撐，橫撐由 φ 500×12 mm，φ 300×10 mm，φ 350×12 mm，φ 200×10 mm鋼管組成，橫撐鋼管內不填混凝土。全橋拱肋吊桿共設15對，順橋向間距為9 m。

2 施工方案

根據設計要求和實際施工現場的情況，本橋鋼管拱混凝土施工灌注C50微膨脹混凝土，高壓泵送頂升灌注真空輔助工藝，灌注順序先下弦管，后上弦管。

3 施工前準備

3.1 混凝土配合比設計

鋼管拱肋灌注為C50微膨脹混凝土，施工前進行配合比設計，并對配合比、膨脹率等做性能測試，要求符合GB J119-98規定。根據以上要求，試驗人員在參考以往的施工經驗，做了大量的試驗，最后篩選出了最優化配合比。

混凝土配合比及混凝土各項技術性能指標如表1所示。

表1 混凝土配合比

3.2 真空泵選擇

本鋼管拱灌注單根管弦最大容積120 m3，一臺真空設備同時對南北兩岸拱肋進行抽真空，因此選擇設備時考慮實際情況選擇SZ-2型水環式真空泵，排氣速率 2 m3/min，配用功率4 kW，極限真空度4 000 Pa。

3.3 輸送泵選擇和布設

1)輸送泵的額定泵送能力應不小于灌注速率或實際混凝土供應量的2倍。2)輸送泵的額定壓力須滿足最大泵送壓力，即靜壓力和泵送壓力疊加之和。3)輸送泵的額定揚程應大于1.5倍的灌注頂面高度，本橋要求輸送泵的額定揚程大于100 m。

頂升壓力計算:根據流體力學能量方程知ΔP=γ h+ ∑p，其中，∑p為各種壓力損失總和。

綜合上述情況輸送泵采用SANY-SY51混凝土輸送泵，泵送混凝土壓力22 MPa，水平輸送距離1 200 m，高程400 m，滿足實際施工要求。

3.4 出漿孔、出渣孔及灌注頭制作

鋼管拱骨架合龍后在拱頂處每根鋼管的頂部開一個孔，外焊鋼管作排氣出漿孔。加勁板焊接骨架鋼管采用周邊焊，出漿孔高度1.5 m。出渣孔設在拱座上鋼管最低點，采用截止閥或鋼板螺栓連接封閉。灌注頭孔徑采用125 mm，與混凝土輸送管等直徑，其方向向上，與鋼管軸線成30°的角度。下弦管壓注頭設在離拱腳約7.5 m處的鋼管側面，與鋼管軸線成 30°～50°夾角，上弦管壓注頭設在離拱腳約2.5 m處的鋼管頂部，與軸線的角度同下弦管，灌注頭安裝M125截止閥，施工完畢進行關閉截止閥，防止混凝土反向倒流。

4 鋼管混凝土真空輔助泵送頂升施工

4.1 灌注順序

每條鋼管拱肋對稱一次性灌注完畢，從每管下端灌進，順管而上。具體灌注順序為:1)上游下弦管;2)下游下弦管;3)上游上弦管;4)下游上弦管。全橋拱肋按照實際時間分4次對稱灌注，見圖1。

4.2 泵送清水與水泥砂漿

清水必須濕潤所有的輸送泵管。檢查輸送泵工作情況是否正常、輸送管道有無滲漏。同時沖洗鋼管內壁，清理焊渣和其他雜質。清水泵送完畢后，泵送水泥砂漿，進行潤滑泵送管道，減小泵送過程混凝土和管壁之間的摩擦力。

4.3 真空輔助施工

1)啟動真空泵抽真空，使真空度達到-0.08 MPa～-0.06 MPa并保持穩定。2)啟動灌注混凝土泵，進行混凝土泵送頂升灌注，在灌注過程中嚴格控制泵送混凝土質量和速度。3)泵送頂升灌注混凝土過程中，真空泵保持連續工作。4)待泵送混凝土快達到鋼管出漿口頂部時，撤離真空輔助設備。5)灌注泵繼續工作，待混凝土在出漿口冒漿1.5 m，并且維持2 min。關閉灌注泵及灌注端閥門，完成混凝土頂升真空輔助灌注。拆卸外接管路、附件、清洗設備及閥泵。6)完成灌注后，必須將所有水泥漿、混凝土的設備清洗干凈。

真空輔助工藝具有以下特點:1)在真空狀態下，鋼管內的空氣大大降低，避免了泵送混凝土與管壁結合處產生大氣泡現象。2)灌注過程中鋼管具有良好的密封度，可以使混凝土保證充滿整個鋼管。3)真空輔助灌注是一個連續且迅速的過程，縮短了傳統的鋼管混凝土泵送頂升灌注時間。

4.4 泵送頂升C50微膨脹混凝土

鋼管拱混凝土具備和易性好、可泵性好、無泌水現象。采用正交試驗法初選出混凝土的配合比，再在初選配合比的基礎上進行了摻與不摻UEA、粉煤灰、外加劑等的對比試驗，最終確定施工配合比。施工過程中嚴格控制按照灌注順序進行施工，隨著混凝土在管內上升，真空泵在拱頂部出漿口進行抽真空，真空度維持在-0.08 MPa～-0.06 MPa之間。混凝土泵送過程中，設專業質檢人員用敲擊法判斷管內混凝土的填充情況，如有空隙應及時用體外加振法解決。灌注時環境氣溫應大于5℃，當環境氣溫高于40℃，鋼管溫度高于60℃時采取降溫措施。

4.5 質量保證措施

1)所有輸送泵在每次混凝土灌注前對各部件都要進行認真檢查，并試運行，確保在整個混凝土灌注過程中，機況運行良好。2)泵送混凝土前，先泵送清水和水泥砂漿潤滑管道，再泵送混凝土。3)每車混凝土都應作坍落度、和易性檢驗，保證泵送前混凝土的坍落度控制在20 cm～22 cm內及保證混凝土和易性、可泵性和自密實性良好。4)對稱灌注混凝土數量相差不超過管長度2 m。5)當拱頂排氣管冒漿時，應繼續壓注混凝土，直到浮漿全部排完，出現有石子的混凝土時，方可停止泵送混凝土。6)混凝土灌注完后，應對鋼管表面淋水降溫，以保證混凝土的質量。

4.6 監測監控

監控項目:拱頂高程變化、拱軸線變化。監測儀器:賓得全站儀。測點布置:鋼管拱的 L/2，L/4，L/8處設測點，共布設9個測點。監測監控時間:在混凝土灌注過程跟蹤進行監測監控。

5 鋼管管內混凝土質量檢測

鋼管拱混凝土灌注過程中用體外敲擊法檢測，灌注完成后用超聲波進行檢測。檢測內容:包括鋼管混凝土密實度檢測，鋼管內壁與混凝土的貼實度情況。檢測方法:采用超聲波檢測。不符合質量要求的部位要采用鉆孔法，利用環氧水泥漿進行補強。

6 結語

小欖水道特大橋主跨(100+200+100)m V鋼管拱組合橋，鋼管拱灌注總方量達500 m3，主肋灌注為其節段吊裝豎轉施工后的又一關鍵工序。小欖水道特大橋鋼管拱灌注施工，采用真空輔助泵送頂升工藝，在國內外常見的灌注鋼管拱混凝土施工只有泵送頂升法施工，通過實際灌注的檢測結果表明，真空輔助泵送頂升法進行灌注鋼管拱密實度和貼實度等指標很好的滿足了設計規范要求。本次鋼管拱的灌注成功為今后國內類似的鋼管拱真空灌注施工提供了可靠的依據和參考。

[1] 趙志縉，趙 帆.混凝土泵送施工技術[M].北京:中國建筑工業出版社，2001.

[3] JGJ/T 10-95，混凝土泵送施工技術規程[S].

[4] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].第2版.北京:人民交通出版社，2007.