鋼管拱混凝土頂升法灌注施工技術(shù)

焦廣彥JIAO Guang-yan

（中鐵航空港集團第一工程有限公司，渭南 714000）

（The No.1 Engineering Co.，Ltd.of Airport Group of China Railway，Weinan 714000，China）

1 工程概況

西寶鐵路客運專線咸陽西立交特大橋主橋采用（64+136+64）m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與中孔鋼管混凝土加勁拱組合結(jié)構(gòu)上跨西寶高速公路，梁長264.3m，中跨橋面對稱布設(shè)兩道鋼管混凝土系桿拱。每道拱肋截面全高3.0m，采用啞鈴型截面形式，內(nèi)充C55 無收縮混凝土。拱肋之間設(shè)1 道米字橫撐、8 組K 撐。全高1.5m，采用直徑φ100cm，壁厚δ＝16mm 的圓端形鋼管。斜撐為外徑φ90cm，壁厚δ＝12mm 的圓形鋼管。拱肋上下鋼管內(nèi)灌注C55 無收縮混凝土，腹板間除拱腳面以外7m 范圍腹腔、橫撐與拱肋相交處2m 范圍腹腔、吊桿與拱肋相交處2m 范圍內(nèi)灌注C55無收縮混凝土外，其余部分留空。單片拱肋混凝土方量為271.5m3，具體分布見表1。

表1 單片拱肋混凝土方量（m3）

鋼管拱肋混凝土灌注分兩階段：第一階段為預(yù)埋入梁體拱座內(nèi)的拱肋鋼管和腹板內(nèi)混凝土，于拱肋第1 段吊裝前不少于14d 灌注，泵送、人工振搗；第二階段為剩余部分混凝土，先對稱灌注拱肋下弦管內(nèi)砼，混凝土強度達到設(shè)計強度的90%后，依次對稱連續(xù)灌注拱肋上弦管內(nèi)混凝土、腹腔混凝土，泵送頂升、免振自密。

2 施工難點

2.1 頂升灌注施工要求對稱連續(xù)進行，即左右雙側(cè)拱肋對稱、拱肋兩端對稱壓注到頂，施工的設(shè)備、人員組織難度較大。

圖1 拱肋混凝土灌注立面圖

圖2 拱肋混凝土灌注截面圖

2.2 對混凝土坍落度、和易性要求較高。結(jié)合現(xiàn)場拌合站設(shè)置情況、混凝土運輸設(shè)備、泵送設(shè)備情況，對混凝土的施工性能要求和掌握不易。

2.3 出漿口位于高速公路正上方，施工期間高速公路不封閉，若排漿措施不當(dāng)，將影響公路行車。

3 頂升法施工工藝

3.1 工藝流程 工藝流程：搭建施工平臺→安裝泵壓設(shè)備→安裝止?jié){閥→壓清水→斷開灌注接頭→排污→連接灌注接頭和閘閥→打開止?jié){閥→擰開排氣孔螺栓→泵送砂漿→泵壓混凝土→超過進料口1m 后打開排渣孔→排除正常混凝土后關(guān)閉→繼續(xù)泵送混凝土→檢測與監(jiān)測→出漿管排漿→出勻質(zhì)混凝土后停壓5min 補壓（2 次）→關(guān)閉止?jié){閥→拆除輸送泵管→鋼管拱表面沖洗→割除出漿管及進料口等并用鋼板補焊。

3.2 混凝土配合比選定 為便于施工，管內(nèi)混凝土必須滿足強度要求，通常要求初始坍落度稍大、坍落度經(jīng)時損失小、初凝時間稍長、和易性好、不泌水離析。同時為與鋼管套箍密貼，要求混凝土填充飽滿、補償收縮。本橋設(shè)計為C55 無收縮混凝土，原配合比見表2。

表2 原配合比

該配合比水膠比為0.29，設(shè)計坍落度160-200mm，實測初始坍落度180mm，含氣量4.6%，擴展度為610mm；半小時后坍落度為165mm，含氣量3.5%，擴展度430mm。泌水率及壓力泌水率均為0%。驗證認為混凝土粘稠度較大，且坍落度、擴展度損失較大，不利于壓注施工。為此對配合比進行了試驗調(diào)整，見表3。

表3 調(diào)整后配合比

調(diào)整后配合比除增大了2%砂率外，主要調(diào)整了外加劑的減水率、緩凝及引氣組份。調(diào)整后配合比初始坍落度240mm，擴展度630mm，含氣量5.1%；1h 后坍落度240mm、擴展度600mm、含氣量4.3%，混凝土具有較好的流動性和保坍性。

3.3 泵送工藝及施工組織 泵送工藝主要包括泵送順序、輸送管配管設(shè)計、泵送設(shè)備選型與布置、進料口與出料口設(shè)置、排氣措施設(shè)計、振搗系統(tǒng)設(shè)置等方面。

3.3.1 泵送方案選擇 啞鈴形拱肋由兩根鋼管和一個腹腔組成，其混凝土灌注順序有三種：管-腔-管、管-管-腔、腔-管-管。一般而言，泵送混凝土的內(nèi)壓力產(chǎn)生的截面應(yīng)力遠大于混凝土自重產(chǎn)生的應(yīng)力，且最大應(yīng)力發(fā)生在鋼管與腹面板的相交處，施工順序選擇失當(dāng)，易在最大應(yīng)力處開裂。相比較，第二種施工順序，即管-管-腔為最優(yōu)方案，第三種腔-管-管施工順序，其截面受力最為不利，施工中應(yīng)盡量避免。

為防止拱肋在灌注腹腔內(nèi)混凝土?xí)r出現(xiàn)爆管，本橋設(shè)計采用如下預(yù)防措施：①于腹板處設(shè)對拉桿和型鋼加勁，改善腹板受力；②在灌注采取了管-管-腔的施工順序；③腹腔混凝土分倉灌注以減小腹腔內(nèi)的混凝土流體壓力。

3.3.2 輸送管配管設(shè)計 結(jié)合本工程特點、場地條件、頂升灌筑方案等選型、布置。

①輸送管管徑選擇。輸送管的管徑大小根據(jù)粗骨料最大粒徑、混凝土輸出量和輸送距離以及拌合物性能等進行選擇。《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T10-2011）表3.5.2給出了混凝土輸送管管徑與粗骨料最大粒徑的關(guān)系（表1）。

表4 混凝土輸送管管徑與粗骨料最大粒徑的關(guān)系

本橋選用粒徑為5～20mm 的陜西北山碎石作為粗骨料，最大粒徑小于25mm，故輸送管選用內(nèi)徑125mm 的高壓管。另據(jù)對國內(nèi)鋼管混凝土橋工況調(diào)查，灌注混凝土?xí)r亦多用125mm 高壓輸送管。

②輸送管配管。泵送壓力與輸送管長度成正比關(guān)系，管道換算長度越長，所需的泵送壓力越大。同時泵送過程中混凝土與管壁間的摩擦力會抵消部分泵送壓力，管道越長，壓力損失越大。所以輸送管應(yīng)根據(jù)工程和施工場地特點、混凝土輸送方案進行配管，配管時宜盡量縮短長度、少用彎管和錐管，以減小泵送阻力。

垂直配管時隨高度增加，混凝土勢能增大，回流明顯，按規(guī)程敷設(shè)水平管消阻混凝土回流。本橋配管情況如表5所示。

表5 配管情況

3.3.3 泵送設(shè)備選型與布置 混凝土泵送設(shè)備要求性能可靠，否則影響混凝土連續(xù)灌注。泵送設(shè)備選型時，首先計算了混凝土由地面泵送至拱頂所需的泵送壓力、再取用1.5 倍的計算壓力、泵壓小于4Mpa 選擇泵送設(shè)備，最后選定HBT80-1818 型混凝土拖泵和SY5125THB-9018 型混凝土車載泵。

表6 泵車技術(shù)參數(shù)

如圖3，在既有高速公路兩側(cè)4 個拱腳位置根據(jù)對稱灌注要求各安設(shè)1 臺，備用2 臺，即4+2 設(shè)置。分設(shè)于兩側(cè)的雙120 混凝土拌合站（2#、3#站）供應(yīng)，最遠距離8km,按頂升作業(yè)連續(xù)進行能夠保證的原則計算混凝土運輸能力，確定運輸罐車數(shù)量，并按20%數(shù)量備用，工前按照運輸路線試跑確認。

圖3 泵車布置圖

3.3.4 進料口與出漿口設(shè)置

①進料口設(shè)置。輸送管進料口開設(shè)在距拱座頂面2～2.5m 處，原設(shè)計為φ200mm 鋼管作為進料管，考慮方便與輸送管的連接，實際施工中采用與輸送管同型號泵管制作進料管。對上弦管，設(shè)在拱肋上方；對下弦管及拱腳腹板，進料口開設(shè)在拱肋側(cè)面。進料導(dǎo)管與鋼管拱軸線成30 度角焊接，以減小灌注阻力，保證灌注混凝土順暢，接口處用小角鋼作加勁處理。每道拱肋進料口對稱布置。

圖4 進料管示意圖

圖5 進料口管道布置

為防止拆管時混凝土回流，在每個進料導(dǎo)管上設(shè)置止?jié){閥，本橋采用輸送管配套止?jié){閥。

②備用進料口設(shè)置。為了避免施工中可能出現(xiàn)泵送頂力不足或其他意外情況發(fā)生，對上弦管，在主拱1/3 矢高及2/3 矢高處對稱設(shè)置第二級和第三級備用進料口。對下弦管，在拱肋1/2 高度對稱設(shè)置兩個備用進料口。

③排氣管設(shè)置。上弦管排氣管設(shè)置：拱頂隔倉板兩側(cè)20cm 處。下弦管排氣管設(shè)置：拱頂隔倉板兩側(cè)60cm 處。拱腳腹板：腹腔最上端側(cè)面。排氣管采用外徑φ200mm 鋼管，長度0.7m～1m，與管壁和腹板焊接。左右拱肋腹板和下弦管排氣管均設(shè)于面向橋面一側(cè)。

圖6 止?jié){閥

圖7 排氣管

表7 排氣管數(shù)量表

3.3.5 排氣措施 混凝土在高速泵送過程中，管道出口呈射流狀態(tài)，混凝土內(nèi)有大量氣體，呈氣泡狀隨浮漿上浮集于拱頂?shù)墓芮簧喜浚诠軆?nèi)流動漫過排氣管口時易堵塞排氣管。此時若繼續(xù)向肋腔內(nèi)泵入混凝土，將引起管內(nèi)空腔混凝土壓縮，當(dāng)鋼管焊縫達到極限強度時，拱肋鋼管爆裂，引發(fā)事故。

為減低管內(nèi)空氣壓力，于上弦管頂面、下弦管側(cè)面間隔10m～15m 設(shè)直徑25mm 排氣孔，孔外側(cè)焊接27mm 螺母，排氣孔出漿時，旋緊螺栓封堵排氣孔。終凝后旋下螺栓，割除螺母并補焊處理。

3.3.6 輔助振搗 單弦管頂升灌注施工時，在拱腳1/3、1/2、2/3 拱肋處各安裝2 個ZF75-150 型附著式振動器輔助振搗，確保混凝土頂升排氣順暢、混凝土壓注密實。

圖8 排氣孔

圖9 附著式振動器

3.3.7 過程監(jiān)測 混凝土灌注達到的高度由計算確定，之外尚需敲擊聽音確認以協(xié)調(diào)同步，敲擊拱肋管身主要用以檢查混凝土與管壁是否存在較大空腔和空隙，在發(fā)現(xiàn)確認后及時標(biāo)示并采取附著補振或其他措施消除，這一常用方法要求一定的經(jīng)驗；過程中預(yù)埋傳感監(jiān)測系統(tǒng)用于后期進行無損超聲檢測，監(jiān)測由蘭州交通大學(xué)實施。

3.3.8 其他措施 ①混凝土輸送管道布設(shè)，本著前述原則，減少彎管數(shù)量，泵口平管在墩位處接立管至拱角，沿拱背布設(shè)至靠近拱頂?shù)膫溆眠M料口。②確保連續(xù)供應(yīng)混凝土，混凝土供應(yīng)間斷時，保證泵前始終有一車混凝土，每短時間隔即泵送一次直至后續(xù)混凝土運至，或由其他頂升壓注混凝土的工作面調(diào)配解決。總之輸送泵承料斗內(nèi)保持足夠混凝土以防空泵，引起堵管或雖未堵管而將空氣泵入拱肋鋼管產(chǎn)生空腔，影響施工質(zhì)量或造成后期處置困難。③拱頂排氣管開始出漿時，保持壓注混凝土，至全部排出浮漿并排出粗骨料勻質(zhì)混凝土?xí)r停泵。兩側(cè)及同一拱肋確保對稱或基本同步，即兩側(cè)混凝土基本同步壓注至頂，拱頂排氣孔相繼出漿。④泵送結(jié)束后關(guān)閉止?jié){閥，拆除輸送管進行清洗，鋼管拱肋覆蓋灑水養(yǎng)護。

4 施工預(yù)案及組織保證措施

4.1 拌合站、運輸車及混凝土泵等配備 混凝土拌合站、運輸車和混凝土泵的備用安排為，以稍遠的1#拌合站作為備用拌合站，2#和3#站除在途、機口及泵口混凝土運輸車外各備2 臺，壓注施工現(xiàn)場備兩臺車載泵。故障時啟用接替。

4.2 電力故障處治 各拌合站備1 臺250Kw 的發(fā)電機，現(xiàn)場備2 臺150Kw 的發(fā)電機。施工前與供電部門聯(lián)系保證灌注過程中不斷電。意外斷電則自發(fā)電接用，施工前進行線路檢查、檢修。

4.3 材料供應(yīng) 計算每次灌注混凝土所需材料數(shù)量，檢查確認。

4.4 泵管堵塞處治 混凝土骨料粒徑須符合要求，站內(nèi)試驗員負責(zé)嚴控混凝土質(zhì)量；泵送混凝土前清水潤滑管道，并先送砂漿，再送混凝土；于每處拱腳管道旁安設(shè)備用管道，并于現(xiàn)場配備輸送管的水平管、彎管、變徑管、管卡和橡膠墊圈。輸送壓力漸增而承料斗料位不降，管道出口不出料伴有泵身、管路強烈振動或位移時，判作管道堵塞。多發(fā)于彎管、錐管，以及有振動的地段。可用小錘沿管路敲打聽音確定位置。

遇堵管時立即采取反復(fù)進行正、反轉(zhuǎn)泵的方法，使混凝土吸回承料斗再輸送。也可用木錘敲擊的方法，結(jié)合正、反轉(zhuǎn)泵疏通。上法無效時立即關(guān)閉進料口止?jié){閥、連接備用泵管、打開止?jié){閥繼續(xù)泵送。處理速度要快，一般在30min 內(nèi)完成。將堵塞的泵管拆下、清理、備用。

4.5 泵管爆卡處治 泵管管卡脫落時立即停泵、關(guān)閉止?jié){閥、更換管卡、重啟止?jié){閥，繼續(xù)泵送。

4.6 鋼管堵塞處治 確認拱肋鋼管堵塞無法泵送時，查明混凝土灌注位置，啟用備用口（應(yīng)保證備用口上方管內(nèi)5m 以上的混凝土柱，不可倒灌入管），接入泵管繼續(xù)灌注。

4.7 組織保證 現(xiàn)場統(tǒng)一指揮，人員按既定分工，各司其責(zé)且相互聯(lián)系配合，項目生產(chǎn)副經(jīng)理總指揮、拌合站各一名試驗員、各泵前一名試驗員、雙側(cè)拱肋各兩名技術(shù)員負責(zé)施工指揮監(jiān)測和安排配合人員作業(yè)、各作業(yè)面配合6人接拆管路、堵孔、加固等，安排測量人員施工中對拱軸線、拱頂高程變化、梁面監(jiān)測監(jiān)控。

5 結(jié)語

本橋鋼管拱混凝土頂升灌注通過采取上述施工技術(shù)和現(xiàn)場組織措施得以順利完成，通過在過程中預(yù)埋于管腔的傳感監(jiān)測系統(tǒng)工后對鋼管混凝土脫空、鋼管拱損傷的監(jiān)測表明，管內(nèi)混凝土密實、鋼管拱工后無損。

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