鋼管混凝土系桿拱頂升灌注法研究及應(yīng)用

喬麗智 （中鐵二十四局集團(tuán)安徽工程有限公司，安徽 合肥 230012）

1 工程概況

新建商合杭鐵路無量溪特大橋1-80m下承式鋼管混凝土系桿拱，主橋跨度為80m，拱頂橫向間距13m。拱軸線采用懸鏈線，計(jì)算跨徑80m，拱肋矢跨比為1/5，拱軸系數(shù)m=1.5。拱肋截面為啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高度h=3.0m，沿程等高設(shè)置。每榀拱肋由兩根弦管構(gòu)成，弦管法向中心距2m，鋼管厚度16mm、直徑1000mm，兩弦管之間用δ=16mm的腹板相連，拱肋上、下弦管填充C55無收縮混凝土，單根鋼管最大灌注量52.9m3，共計(jì)211.6m3。

鋼管拱混凝土采用頂升法泵送，泵送高度從地面至最高點(diǎn)為25m，泵送水平距離為40m。

鋼管混凝土拱肋截面如下圖：

圖1 鋼管混凝土拱肋截面圖

2 工藝特點(diǎn)

鋼管拱混凝土的施工使用頂升法施工，在底部開灌注口，在頂部開出氣口，利用泵車的高壓力，將混凝土沿鋼管拱自底部至頂部一次性灌注完成。鋼管拱內(nèi)灌注無收縮混凝土，混凝土具有較好的可泵送性和微膨脹性，能夠抵抗混凝土收縮。根據(jù)對稱均勻的施加荷載原則，以鋼管拱拱頂為中心兩側(cè)同時對稱澆筑。

此法利用混凝土自重力將氣泡趕出，無需振搗又保證了拱肋混凝土的灌注質(zhì)量，且提升了經(jīng)濟(jì)效益。

3 主控要點(diǎn)

3.1 混凝土性能

系桿拱鋼管混凝土采用無收縮混凝土，混凝土性能能否達(dá)標(biāo)是鋼管混凝土灌注能否一次成功的關(guān)鍵，無收縮混凝土需具有和易性極好、補(bǔ)償收縮性、初凝時間較長等性能。混凝土配合比依據(jù)設(shè)計(jì)文件初步選定，并通過多次拌和試驗(yàn)確定。在混凝土配合比中加入所需混凝土外加劑，以達(dá)到初凝時間長、微膨脹性、塌落度適宜、早強(qiáng)性良好、和易性好等目的，以滿足泵送要求。

3.2 混凝土供給時機(jī)

因頂升法灌注混凝土必須一次灌注施工，不能間斷，所以混凝土供應(yīng)必須滿足施工進(jìn)度。因高性能混凝土初凝時間較快，且頂升法泵送壓力較大，一旦出現(xiàn)較長時間斷料，可能會出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，造成泵送失敗。

3.3 混凝土輸送泵及泵管的選擇

因頂升泵送壓力較高，必須根據(jù)計(jì)算壓力選定泵車型號，并備備用泵。泵管采用高壓泵管，安排有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場施工安排。

3.4 位移、形變及沉降的監(jiān)測

觀測混凝土頂升施工過程中拱腳位移、鋼管拱形變及沉降，檢查測量結(jié)果是否與設(shè)計(jì)值相近，是否滿足設(shè)計(jì)圖紙要求。

使用萊卡TS600型全站儀測量，混凝土澆筑過程中實(shí)時不間斷測量。測量儀器、人員、方法不變。

4 施工工藝及施工要點(diǎn)

4.1 施工混凝土工藝流程

施工準(zhǔn)備→灌注清水潤滑泵管→泵送砂漿→泵送混凝土→拱頂出漿孔振搗混凝土→關(guān)閉截止閥→清洗泵管完成澆筑。

4.2 施工要點(diǎn)

4.2.1 無收縮混凝土性能

圖2 頂升法灌注混凝土工藝流程圖

系桿拱鋼管混凝土采用無收縮混凝土，混凝土性能能否達(dá)標(biāo)是鋼管混凝土灌注能否一次成功的關(guān)鍵，無收縮混凝土需具有和易性極好、補(bǔ)償收縮性、初凝時間較長等性能。混凝土配合比依據(jù)設(shè)計(jì)文件初步選定，并通過拌和試驗(yàn)確定。在混凝土中加入各類所需混凝土外加劑，以達(dá)到初凝時間長、微膨脹性、塌落度適宜、早強(qiáng)性良好、和易性好等目的，以滿足泵送要求。試拌時綜合考慮混凝土的性能指標(biāo)和施工現(xiàn)場所可能出現(xiàn)的情況，要求混凝土指標(biāo)為：

混凝土性能指標(biāo) 表1

在確定每種砂石料比重時，應(yīng)模擬施工現(xiàn)場環(huán)境溫度、濕度及運(yùn)輸過程。通過多次配合比的對比試驗(yàn)和不同廠商原材料的試驗(yàn)，優(yōu)先確定無收縮混凝土水灰比、含砂率、容重等主要數(shù)據(jù)。再選擇不同氣溫，做初步選定的配合比驗(yàn)證，最后委托第三方檢測單位檢測選定配合比。若以上試驗(yàn)檢測結(jié)果合格，則最終確定該配合比。

4.2.2 混凝土供給

混凝土拌合站應(yīng)確定，并做好應(yīng)急預(yù)案，運(yùn)輸距離及到達(dá)現(xiàn)場運(yùn)輸時間需實(shí)際測出，在混凝土澆筑前確保施工便道暢通，并提前修整罐車停靠場地。為保證混凝土連續(xù)順利澆注，派專人巡查混凝土運(yùn)輸通道暢通性。

4.2.3 截止閥安裝

除在底部裝置一個約為35°角截止閥外，為方便處理堵管問題，在泵管和混凝土進(jìn)口間增設(shè)一個截止閥，在出現(xiàn)堵管問題時，方便處理堵管問題。

4.2.4 混凝土輸送泵、泵管選擇及安裝

頂升壓力計(jì)算：根據(jù)流體力學(xué)能量方程知ΔP=PH+PX+Pi，PH為豎向壓力損失，PX為水平方向壓力損失，Pi為其他壓力損失總和。；

k1=300-s1，粘著系數(shù)（pa）；

k2=400-s1，流動系數(shù)（pa·s/m）；

r：輸送管道半徑（m）；

s1：混凝土塌落度（mm）；

t2t1：混凝土泵分配閥切換時間與活塞推壓混凝土?xí)r間之比，當(dāng)設(shè)備未知時取0.3；

v2：混凝土在輸送管內(nèi)平均流速（m/s）；

a2：徑向壓力與軸向壓力之比，普通混凝土取0.9；

L：混凝土輸送管道長度（m）[1]；

Pi實(shí)際較為復(fù)雜，取0.5MPa；

綜合以上因素及市場機(jī)械情況選擇SANY-9108型混凝土泵車，出口處最大壓力為18MPa。

使用φ125mm高壓泵管，并搭設(shè)腳手架固定，保證泵管的穩(wěn)定性。并盡可能不出現(xiàn)彎管，管線順直，減少壓力損失。在連接泵管前，檢查泵管接頭及封閉圈，以確保不會在泵送過程中發(fā)生堵管、炸管等問題。全部聯(lián)結(jié)固定后，對管線派專人復(fù)查，確保管間聯(lián)結(jié)密封性。在現(xiàn)場準(zhǔn)備若干泵管、彎管及封閉圈作為備用。

4.2.5 頂升灌注

拱肋混凝土采取從底部對稱持續(xù)澆筑，鋼管拱混凝土頂升在溫度適宜時組織施工。泵送混凝土的頂升應(yīng)持續(xù)施工，不可停泵，當(dāng)混凝土不能按時到達(dá)現(xiàn)場，應(yīng)緩慢泵送頂升，不能停泵待料。可通過混凝土澆筑記錄量及敲擊校驗(yàn)兩側(cè)泵送進(jìn)度，兩側(cè)管內(nèi)混凝土高差小于1m。

當(dāng)出氣口有砂漿溢出時，減慢泵送速度，將砂漿及水?dāng)D出，直到純凈混凝土冒出，關(guān)閉截止閥。然后清洗鋼管拱表面和泵管。

泵壓控制在約為8MPa，當(dāng)混凝土泵送不順利時，泵車壓強(qiáng)增高，切忌強(qiáng)行泵送，應(yīng)對停泵檢查。在混凝土頂升施工中，泵車料倉應(yīng)裝滿混凝土，若吸進(jìn)空氣，應(yīng)反向轉(zhuǎn)泵，將混凝土吸回到料倉內(nèi)，待排除空氣后改為正向轉(zhuǎn)泵。

出現(xiàn)堵管時，用鐵錘敲打泵管，找出堵塞處，關(guān)閉截止閥，拆除堵塞泵管，倒出雜物，并檢查無其他堵管后連接管道，繼續(xù)灌注。

4.2.6 灌注施工時的監(jiān)測

設(shè)專門人員統(tǒng)計(jì)混凝土方量，另外設(shè)人員用錘敲打鋼管拱，聽空響判斷混凝土已澆筑的高度，并隨時與現(xiàn)場施工人員溝通，保證兩處混凝土澆筑的對稱性，當(dāng)兩側(cè)差量超出一米時，進(jìn)度較快的一邊暫停作業(yè)，等到進(jìn)度相當(dāng)后再灌注。

利用全站儀和拱肋上部提前刻的觀測點(diǎn)進(jìn)行拱肋坐標(biāo)及標(biāo)高測量。采用鋼管拱澆筑前、澆筑25%、澆筑50%、澆筑75%、澆筑完成后、澆筑完后1日，共六種時段，拱腳、1/4跨及拱頂五個橫截面測量。并專人做好記錄，隨時分析比對，出現(xiàn)異常立刻停止?jié)仓槊髟颉?/p>

4.2.7 灌注孔、排氣孔修復(fù)

拱肋內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%以上時，可切除鋼管拱上灌注孔、排氣孔，所有修補(bǔ)處使用原切割材料焊接，焊接時做好降溫措施，切忌高溫傷害混凝土，孔洞焊接應(yīng)平整圓滑、不漏焊，按設(shè)計(jì)要求涂裝。

4.2.8 混凝土養(yǎng)護(hù)

頂升施工時，若天氣溫度較高，對鋼管拱表面采用淋水降溫措施，保障鋼管拱內(nèi)混凝土的養(yǎng)護(hù)。

5 小結(jié)

①使用頂升法一次性灌注大跨徑系桿拱拱肋混凝土，施工便利，使用機(jī)械設(shè)備及人工數(shù)量極少，減少了人工勞作，無需振搗且施工速度快。利用混凝土自身性能及自重使其達(dá)到密實(shí)，提高了混凝土灌注質(zhì)量。

②降低了人工、機(jī)械等高空危險作業(yè)時間，施工安全性大大提升。

③施工效益方面，采用頂升法施工鋼管混凝土，不僅簡化了施工工藝，且節(jié)約人工、機(jī)械、材料的投入。提高了施工效率，提升了施工質(zhì)量。

④施工現(xiàn)場從以上方面組織施工，確保了工程質(zhì)量，提升了經(jīng)濟(jì)效益。