淺談鋼管混凝土填充灌注施工技術

朱運宗

摘要：秋湖里大橋主橋為中承式鋼管混凝土系桿拱橋，主跨鋼管混凝土拱跨徑為160m，拱肋為空間桁架結構，桁架由四根鋼管、橫向綴條、隔板和腹桿連接而成。鋼管內灌注C50微膨脹混凝土，鋼管混凝土采用填充灌注施工技術。文章分析了鋼管混凝土填充灌注施工中選擇輸送泵型號規格和泵送工藝等技術。

關鍵詞：鋼管混凝土；填充灌注施工技術；配合比設計；輸送泵；橋梁工程 文獻標識碼：A

中圖分類號：U448 文章編號：1009-2374（2015）10-0124-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0913

1 工程概況

秋湖里大橋主橋為中承式鋼管混凝土系桿拱橋，主跨鋼管混凝土拱跨徑為160m，拱肋為空間桁架結構，桁架由四根鋼管、橫向綴條、隔板和腹桿連接而成。鋼管內灌注C50微膨脹混凝土。桁架斷面圖和立面圖如圖1和圖2所示。單根上弦鋼管長度為154.6m，灌注混凝土方量為72.87m?；單根下弦管長度為150.6m，灌注混凝土方量為70.98m?；上綴板灌注混凝土方量為58.11m?，下綴板灌注混凝土方量為56.61m?，全橋鋼管拱灌注混凝土方量為804.84m?。

圖1 鋼管桁架斷面圖 圖2 鋼管桁架立面圖

2 填充順序

鋼管混凝土填充灌注利用混凝土輸送泵壓注的方式進行，填充灌注過程中遵循對稱、均衡的原則，即以跨中為對稱線，兩岸同時對稱進行填充灌注。上、下游兩岸各設置一臺HBT60-16-90S混凝土泵，兩岸同時往一根弦管內進行泵送灌注C50微膨脹混凝土施工。全橋頂升灌注整體分三次進行：第一次灌注下弦管，第二次灌注上弦管，第三次灌注綴板。每次頂升灌注均連續進行，且上、下游，左、右側對稱泵送頂升。詳細泵送順序如圖3所示。考慮本橋矢高較大，頂升高度達26m，每根主弦管備用二級泵送的灌注孔。

圖3 灌注順序圖

3 填充工藝

3.1 準備工作

完成體系轉換。當拱軸線線型調整檢查合格后，即可對各個鋼管拱肋拼裝節段進行體系轉換施工。

各個鋼管拱肋拼裝節段體系轉換主要包括：（1）完成各個接頭的焊接（從拱頂往拱腳方向對稱進行焊接）；（2）完成拱肋接頭焊接后，將拱腳弦管與拱腳預埋管焊接，將上、下弦管與預埋管焊牢，使鉸接初步固結。

3.2 施工階段

3.2.1 下層系桿張拉。鋼管拱節段體系轉換完成后，完成下層系桿第一次張拉，張拉力由監控單位提供。張拉系桿前，三角區所有橫梁預應力和三角區縱向預應力均必須張拉壓漿完成。

3.2.2 配合比設計。本橋設計要求管內頂升灌注混凝土C50微膨脹混凝土。根據現場實際施工條件，如法蘭處管徑變小、頂升高度較高，距離較長等諸多因素，致使頂升灌注混凝土施工難度大，因此，對頂升灌注泵送混凝土配合比必須達到如下要求：（1）具有良好的可泵性，即塌落度大（入泵22～26cm）、和易性好、流動性高（擴展度55～65cm）、不泌水、不離析、自密性好；（2）具有補償收縮性，微膨脹，水中養護14天的最小限制膨脹率≥2.5×10-4；（3）初凝時間大于16小時，終凝時間大于18小時；（4）膠凝材料最少用量不得小于350kg/m?，水膠比不宜大于0.5。

3.2.3 出漿孔、出氣孔、灌注孔以及出渣孔的布置：（1）出漿孔：在每根鋼管拱拱頂處開一個Φ125mm的孔，孔周鐵板加強處理，并外函一節內徑為125mm鋼管（壁厚6mm，長150cm），鋼管豎直向上，用于排氣出漿孔；（2）出氣孔：為了確保壓注混凝土流動順利，方便觀察管內混凝土流動進展情況，沿鋼管軸線方向的上方每隔15～20m設置一個Φ50mm鋼管出氣孔。當出氣孔冒混凝土時，馬上用鋼板焊接蓋住封閉出氣孔，防止出氣孔外流混凝土泄壓；（3）灌注孔：下弦管灌注孔設在離拱腳約1.5m處的鋼管側面，以方便接泵管。灌注孔詳見圖4。灌注孔外接一節混凝土輸送泵管，輸送泵管與鋼管焊接固定，同時保證鋼管軸線呈30°～50°夾角。上弦管灌注孔設在離拱腳約2.5m處的鋼管頂部，同樣外接一節混凝土輸送泵管，與鋼管軸線的焊接固定角度同下弦管。灌注孔與輸送泵管管路之間設置安裝一個M125截止閥；（4）臨時出渣孔：在拱肋底部設置臨時出渣孔，尺寸和結構同排氣孔，便于清水和渣物流出。以上開孔，均必須在合攏前開好。

圖4 混凝土灌注孔大樣圖（mm）

3.2.4 焊接質量和鋼管拱線形監測。鋼管拱鋼管混凝土灌注前，必須對鋼管拱肋各個拼裝節段的焊接接頭進行細致檢查、檢測，確保焊縫滿足設計規范要求。同時對鋼管拱高程、軸線進行測量，并記錄好數據，作為對拱肋在混凝土灌注過程中線形變化的基礎數據。

3.3 混凝土供應和混凝土輸送泵選用

3.3.1 鋼管最大允許壓力計算。秋湖里大橋主拱鋼管內徑為800mm，壁厚14mm，1.036，小于1.2，屬于薄壁器范疇。鋼管最大允許工作承壓力可由公式推導下式進行計算：

式中：

——圓筒或球殼的內直徑（mm）

——圓筒或球殼的最大允許工作壓力（MPa）

——圓筒或球殼的計算厚度（mm）

——圓筒或球殼的有效厚度（mm）

——設計溫度下圓筒或球殼材料的許用應力（MPa）

計算得出鋼管最大允許工作壓力為：

砼泵送壓力損失計算。根據相關文獻資料，結合類似工程施工經驗，得出砼泵送的換算壓力損失計算參考如表1：

秋湖里大橋東岸混凝土輸送泵管路長度約為150m，根據以上數據計算砼泵送壓力損失如下：

水平管135m，換算壓力損失，0.675MPa；

垂直管6m，換算壓力損失，0.12MPa；

45°彎管3個，換算壓力損失，=3×0.15=0.45MPa；

90°彎管2個，換算壓力損失MPa；

管道接環58個，換算壓力損失，MPa；

砼輸送管道壓力損失7.245MPa。

輸送泵的最大功率為16MPa，砼輸送泵啟動內耗為2.8MPa，混凝土從鋼管拱入口流入時輸送泵的最大壓力為：16MPa-7.245MPa-2.8MPa=5.955MPa，小于鋼管的容許承壓力MPa。

3.3.2 混凝土在鋼管內的壓力損失計算。根據以往的施工經驗，1MPa的泵送壓力可使砼泵送約10m的高度。秋湖里大橋拱腳至拱頂約40m，大約需要4MPa，混凝土從鋼管拱入口流入時輸送泵的最大壓力為5.955MPa（啟動時）﹥4MPa。

通過上述的計算分析，選用輸出功率為16MPa的輸送泵可以滿足砼一次泵送頂升至拱頂的壓力要求。但考慮到鋼管拱肋鋼管本身的質量安全要求，在施工過程中混凝土輸送泵的輸出功率，應小于鋼管的允許承壓力PW（7.24MPa）和管道壓力損。

灌注混凝土輸送泵型號規格的選擇：

首先，混凝土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；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。

其次，混凝土輸送泵的泵送高度應大于1.5倍的灌注高度（即拱腳至拱頂的高度）。秋湖里大橋要求輸送泵的額定揚程大于60m。根據以上要求，選擇HBT60-16-90S（最大理論垂直輸送距離270m，最大理論水平輸送距離1200）拖式混凝土高壓輸送泵，分配閥為S形擺管閥，最大理論輸出量60m?/h，出口處最大壓力為16MPa，電機功率為90kW，4#和5#墩上、下游附近各布置1臺HBT60-16-90S輸送泵。

在鋼管拱混凝土灌注前，混凝土攪拌站和混凝土輸送泵進行聯動試車，確保所有拌和輸送設備正常運行。

3.4 鋼管混凝土灌注

3.4.1 濕潤輸送泵管。混凝土輸送泵管接通后，先全程泵送通清水，一方面利用清水濕潤所有的輸送泵管，另一方面檢查輸送泵管工作是否正常、泵管接頭處是否有滲漏的情況。

3.4.2 泵送水泥砂漿。混凝土從進料管出來后，在重力作用下填充管口以下的空腔直至淹沒進料管口，以后混凝土在泵送壓力下向上流動，此時粗骨料先下落，所以泵送混凝土前首先泵送1m?高強度水泥砂漿（即將混凝土配合比中石子扣除），以免粗骨料反彈以及接頭處混凝土質量差，同時砂漿還可在泵送過程中起到潤滑管壁的作用。混凝土填充灌注接近完成時，利用混凝土將砂漿排除鋼管之外。

3.4.3 填充灌注混凝土。在開始壓注前，將截止閥擋板抽出，在擋板兩側涂滿黃油，再將擋板插入閥中但不穿入泵管內，以便壓注后擋板能順利插入混凝土中起到止漿作用。待焊縫冷卻后壓注少量混凝土通過壓注口，繼續壓注混凝土直至拱頂。水泥砂漿的目的是減小混凝土與管壁之間的摩擦力。壓注過程中，根據排氣孔觀察到的情況隨時補漿。壓注過程中通過調整控制兩岸混凝土輸送泵的泵送速度，確保壓注均勻、對稱，并通過錘擊鋼管管壁辨別管內是否空心的方法了解混凝土壓注的高度，以此憑據調整混凝土的壓注速度，控制兩岸混凝土壓注進度對稱。

當混凝土壓注至接近拱頂面時，嚴格控制壓注速度，以防止混凝土超過拱頂截面引起鋼管拱振動。混凝土到達拱頂時，通過交替泵送兩岸混凝土將砂漿從拱頂出漿孔排除，待出漿孔有混凝土溢出后，利用鋼筋抽插出漿管內的混凝土，將氣體和浮漿排出，直至良好的正常混凝土從出漿管溢出，兩岸輸送泵停止泵送，穩壓2分鐘，并關閉壓注管處的閥門且不得漏漿，防止混凝土回流。

拆除輸送泵接頭，接通下一根鋼管填充灌注的泵管路，開始填充灌注下一根鋼管。如此循環。每次一個循環灌注完成時，鋼管內混凝土均不得初凝。

進行下一次鋼管混凝土填充灌注前，對前一次灌注混凝土強度進行檢測，確保前一次混凝土達到設計

要求。

3.5 出漿孔、灌注孔填充灌注后的處理

待鋼管混凝土填充灌注完成并混凝土終凝后，割掉灌注用的泵管和出漿管，并用原開孔保留的鋼板進行封閉焊接，并在表面進行防腐涂裝處理，以防雨水進入。

4 結語

鋼管混凝土填充灌注施工技術有一定的難度和風險，施工時必須做好充分的準備工作和現場精細組織，比如說填充混凝土的配合比設計和輸送泵的選擇以及施工時現場機械設備的調度指揮協調，確保鋼管混凝土填充灌注施工一次性連續完成。

參考文獻

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（責任編輯：蔣建華）