大跨徑CFST 拱橋鋼管混凝土灌注質(zhì)量控制探討

摘要：文章以馬灘紅水河特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃治隽舜罂鐝紺FST拱橋拱肋鋼管混凝土灌注質(zhì)量的影響因素，提出了控制措施與方法，并通過(guò)工程實(shí)踐進(jìn)行了驗(yàn)證和總結(jié)，可供同類型大跨徑橋梁施工參考。

關(guān)鍵詞：拱橋;鋼管混凝土;灌注;質(zhì)量控制

0 引言

大跨徑CFST拱橋的拱肋通常采用纜索吊裝系統(tǒng)分段起吊，在跨中合龍，然后在拱肋兩端弦管上開(kāi)設(shè)灌注孔，安裝混凝土灌注設(shè)備。灌注時(shí)，從兩端拱腳用泵機(jī)自下而上壓注混凝土，連續(xù)灌注至拱頂，然后從拱頂排出浮漿，完成灌注。由于拱肋跨度大，拱圈高度較高，單根弦管灌注方量大，影響因素多，通常質(zhì)量控制難度大。雖然現(xiàn)有的《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/TF50-2011）中有鋼管混凝土灌注的要求，但無(wú)具體的操作指導(dǎo)書(shū)。廣西發(fā)布了《鋼管混凝土拱橋施工技術(shù)規(guī)程》（DB/T1097-2014），有更詳細(xì)的規(guī)定，但也是一些通用性的描述。由于缺乏詳細(xì)的質(zhì)量控制措施，鋼管混凝土脫黏等一些問(wèn)題仍時(shí)有發(fā)生。為進(jìn)一步完善鋼管混凝土施工工藝，本文針對(duì)依托工程，提出了灌注質(zhì)量控制措施，并對(duì)實(shí)施情況進(jìn)行了總結(jié)，以供同類型大跨徑CFST拱橋施工借鑒。

1 工程概況

馬灘紅水河特大橋主橋跨徑為336m中承式CFST拱橋，全長(zhǎng)553m（見(jiàn)圖1）。大橋分左右2幅，全寬達(dá)55.8m，主體鋼結(jié)構(gòu)約14000t。拱軸線采用倒懸鏈線，倒懸鏈線系數(shù)m=1.167，拱肋凈矢高為80m。拱腳桁高12m，拱頂桁高7m，寬3m，單根拱肋采用4根1200mm弦管組成，單根弦管灌注C55混凝土達(dá)400m3，全橋共16根弦管。該橋?yàn)槟壳皣?guó)內(nèi)高速公路橋面最寬的CFST拱橋。

大橋拱肋斷面見(jiàn)圖2。大橋拱肋管內(nèi)混凝土從兩岸拱腳對(duì)稱同步向上灌注，每次灌注1根弦管，灌注下一根弦管內(nèi)混凝土前，除上一根鋼管混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%外，齡期應(yīng)≥3d，且≤5d。混凝土要求一次性灌注至拱頂，脫空面積不得超過(guò)截面積的1.2%。

2 鋼管混凝土灌注的主要問(wèn)題

鋼管混凝土要求有大流動(dòng)性、保塑性。在不斷向上泵送壓注過(guò)程中，由于骨料下沉，導(dǎo)致混凝土頂升面前端累積浮漿，不易排凈，影響拱頂段混凝土的質(zhì)量。其次，由于拱頂段拱肋較平緩，混凝土灌注至拱頂段時(shí)不易將管內(nèi)空氣排出，易在鋼管頂部留下氣囊，導(dǎo)致灌注不飽滿。另外，由于灌注時(shí)間長(zhǎng)，混凝土在灌注過(guò)程中，前端混凝土的工作性能下降，引起灌注阻力增大，常造成堵管，使灌注中斷，不得不開(kāi)孔對(duì)中斷界面混凝土進(jìn)行鑿毛，然后重新進(jìn)行二次灌注。單根管分次灌注，造成管內(nèi)混凝土整體性差。還有，在混凝土灌注過(guò)程中，由于兩岸不對(duì)稱，造成拱肋加載不均衡，拱肋線形往一端傾斜。

綜上，筆者對(duì)鋼管混凝土灌注過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

3 主要措施

針對(duì)鋼管混凝土灌注過(guò)程中易出現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合大橋的實(shí)際情況，筆者認(rèn)為，要控制管內(nèi)混凝土的灌注質(zhì)量，材料的質(zhì)量占首要位置，應(yīng)首先確保混凝土的工作性能。其次，大橋拱肋高度較高，單次灌注混凝土方量大，宜分級(jí)連續(xù)灌注，并盡量分級(jí)排凈浮漿。還有，應(yīng)采用先進(jìn)的真空輔助灌注工藝解決拱頂管內(nèi)混凝土脫空問(wèn)題，并應(yīng)注意細(xì)節(jié)，確保抽真空的效果。具體措施如下：

3.1 混凝土工作性能控制

混凝土骨料下沉，浮漿過(guò)多，與其工作性能直接相關(guān)。另外，混凝土在灌注過(guò)程中堵管，也是由于工作性能下降。因此，混凝土的工作性能應(yīng)作為首要控制因素。

在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮其保塑性。大橋拱肋單根鋼管灌注C55混凝土達(dá)400m3，按照所采用的HBT80型泵機(jī)的泵送效率，結(jié)合運(yùn)輸車的運(yùn)送能力、工人放料的熟練程度，以及以往經(jīng)驗(yàn)，平均每小時(shí)輸送的混凝土約為30m3，兩岸同時(shí)泵送，完成1條管的灌注約耗時(shí)6～7h。在此時(shí)間內(nèi)，混凝土必須保持良好的工作性能。由此，大橋管內(nèi)混凝土設(shè)計(jì)坍落度為20±2cm，在混凝土內(nèi)摻加緩凝保塑劑，使3h坍落度經(jīng)時(shí)損失為0cm，5h坍落度經(jīng)時(shí)損失<3cm，緩凝時(shí)間為12h，擴(kuò)展度范圍為550～650mm。依靠混凝土良好的工作性能，確保灌注過(guò)程不堵管且不離析，減少浮漿。

3.2 灌注工藝控制

為減小混凝土泵送阻力，泵管盡量避免出現(xiàn)彎頭。大橋兩岸拱座后方地形平緩，因此將泵機(jī)直接設(shè)置在待灌注鋼管的正后方，泵管沿拱肋軸線布設(shè)。為減少灌注時(shí)間，防止混凝土在管內(nèi)因時(shí)間太長(zhǎng)而工作性能下降，主弦管混凝土分2級(jí)接力灌注。第一級(jí)灌注口設(shè)在拱腳，第二級(jí)灌注口設(shè)在約2/3高度處，兩級(jí)混凝土灌注方量基本相當(dāng)，則每級(jí)的灌注時(shí)間約為3～4h。在此期間，混凝土工作性能下降較小，可有效防止堵管。每級(jí)灌注均設(shè)進(jìn)漿口和排漿管，在拱頂隔倉(cāng)板兩側(cè)設(shè)出漿管。每岸泵機(jī)準(zhǔn)備2臺(tái)，分別負(fù)責(zé)一級(jí)和二級(jí)混凝土的灌注。一級(jí)和二級(jí)灌注的泵管和泵機(jī)均需提前接好，并排布置。

混凝土灌注前，將大量清水從拱頂注入主弦管內(nèi)部，沖洗鋼管內(nèi)壁鐵銹及其他雜物，從拱腳開(kāi)設(shè)的排渣孔將垃圾排出。同時(shí)，潤(rùn)濕鋼管內(nèi)壁。

混凝土采用分級(jí)連續(xù)灌注，分級(jí)排浮漿。首先采用砂漿潤(rùn)滑泵管，然后灌注第一級(jí)鋼管混凝土。當(dāng)一級(jí)管內(nèi)混凝土邊界面到達(dá)二級(jí)出漿管位置時(shí)，打開(kāi)二級(jí)出漿管閥門(mén)，將混凝土表層浮漿排出，減少浮漿累積。浮漿排完后，關(guān)閉二級(jí)出漿管閥門(mén)。當(dāng)一級(jí)混凝土邊界面達(dá)到二級(jí)進(jìn)漿管下50cm時(shí)，打開(kāi)二級(jí)進(jìn)漿管閥門(mén)，暫停一級(jí)泵機(jī)，啟動(dòng)二級(jí)泵機(jī)，砂漿潤(rùn)滑二級(jí)進(jìn)漿管，然后泵入二級(jí)混凝土。隨后，一級(jí)、二級(jí)泵機(jī)同時(shí)泵送混凝土，直到混凝土邊界面高于二級(jí)入漿管3m時(shí)，一級(jí)泵機(jī)退出工作，關(guān)閉一級(jí)進(jìn)漿管閥門(mén)。之后二級(jí)泵機(jī)繼續(xù)泵送混凝土。當(dāng)二級(jí)管內(nèi)混凝土泵送到拱頂，從拱頂出漿管開(kāi)始排出浮漿時(shí)，觀察排漿情況，當(dāng)出現(xiàn)良好混凝土后，暫停泵送，靜置10min。然后泵送兩手，再靜置10min。當(dāng)出漿管內(nèi)無(wú)明顯氣泡后，關(guān)閉二級(jí)進(jìn)漿管閥門(mén)，完成單條主弦管澆筑。

灌注過(guò)程中，兩岸需實(shí)時(shí)登記總共灌入管內(nèi)的混凝土方量，并安排專人采用敲擊鋼管的方式檢查混凝土到達(dá)的位置，用對(duì)講機(jī)相互通報(bào)進(jìn)度情況，確保兩岸灌注混凝土的高差≤4m，以避免因灌注不對(duì)稱引起拱肋線形不對(duì)稱。

3.3 灌注的整體組織

鋼管混凝土灌注過(guò)程中，前場(chǎng)與后場(chǎng)各方的配合極為重要，機(jī)械設(shè)備也不可出現(xiàn)任何問(wèn)題，否則都極易導(dǎo)致灌注失敗。

灌注前，對(duì)進(jìn)場(chǎng)的設(shè)備、材料進(jìn)行核查，保證質(zhì)量和足夠的數(shù)量。對(duì)拌和站的稱量系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)標(biāo)定。將拌和站、混凝土罐車、混凝土輸送泵進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，并試泵混凝土至拱頂。同時(shí)，需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員進(jìn)行全面技術(shù)交底，并進(jìn)行必要的操作演練。

為防止停電，應(yīng)加強(qiáng)與供電部門(mén)的溝通，及時(shí)掌握停電信息。同時(shí)，拌和站及混凝土灌注現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)各準(zhǔn)備1臺(tái)250kW發(fā)電機(jī)組，以備停電應(yīng)急使用。

3.4 收縮和脫空控制

管內(nèi)混凝土產(chǎn)生脫空主要是因?yàn)楣绊敹武摴軆?nèi)頂部空氣不易排出，因此，要排出拱頂段鋼管頂部積存的空氣，避免該部位產(chǎn)生脫空，應(yīng)采取真空輔助法進(jìn)行鋼管混凝土灌注。工藝原理為：使用大功率真空泵將準(zhǔn)備灌漿的拱肋鋼管內(nèi)部抽到指定的真空度范圍，利用混凝土輸送泵將具備低泡、緩凝、早強(qiáng)、免振、自密實(shí)、高流動(dòng)、微膨脹的高性能混凝土從兩岸拱腳對(duì)稱向拱頂連續(xù)頂升壓注入處于真空狀態(tài)的拱肋鋼管內(nèi)，依靠頂升壓力、混凝土的自重及其良好的自密性能形成鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)。通過(guò)真空輔助排出鋼管內(nèi)空氣，提高整體灌注質(zhì)量，并顯著改善拱肋接頭法蘭、拱頂?shù)汝P(guān)鍵部位混凝土灌注的密實(shí)性，減少拱頂段混凝土脫空現(xiàn)象。抽真空系統(tǒng)構(gòu)造見(jiàn)圖4。

為確保拱頂段抽真空效果，防止空氣回流至管內(nèi)，當(dāng)混凝土已灌入拱頂出漿管，填滿出漿管后，應(yīng)停止抽真空，并緩慢釋放負(fù)壓。在釋放負(fù)壓的同時(shí)，敲擊出漿管，辨別聲音以檢查混凝土是否有回落，當(dāng)混凝土發(fā)生回落時(shí)，應(yīng)泵進(jìn)混凝土，使混凝土重新填滿出漿管，再繼續(xù)緩慢釋放負(fù)壓，不得使混凝土回落至主弦管內(nèi)。

4 實(shí)踐情況

馬灘紅水河特大橋鋼管混凝土灌注的時(shí)間段為2018-01-11至2018-03-19。項(xiàng)目使用6臺(tái)混凝土泵機(jī)（2臺(tái)備用），10臺(tái)混凝土運(yùn)輸車，工人20人進(jìn)行施工。混凝土所用碎石進(jìn)行了整形，將其外棱角磨圓。粉煤灰采用來(lái)賓電廠一級(jí)灰，河沙為優(yōu)質(zhì)陸川砂。混凝土配合比見(jiàn)表2。

首根管混凝土設(shè)計(jì)坍落度為20±2cm，緩凝時(shí)間為12h，擴(kuò)展度范圍為550～650mm。第一級(jí)混凝土灌注至臨近第二級(jí)進(jìn)漿口1m處時(shí)，泵機(jī)泵送阻力增大，無(wú)法再往上灌注。項(xiàng)目隨即啟動(dòng)第二級(jí)泵機(jī)，從該處往上繼續(xù)灌注。此后，從第二根管開(kāi)始，混凝土擴(kuò)展度調(diào)整為600～680mm，第一、第二級(jí)灌注均較順利交接，全拱灌注順利。

每條鋼管混凝土灌注期間均采用了真空輔助工藝，管內(nèi)真空度達(dá)到-0.09～-0.07MPa，均待混凝土灌注至拱頂出漿管后再緩慢卸壓。卸壓過(guò)程中，敲擊檢查混凝土面情況，無(wú)回落至主弦管內(nèi)的現(xiàn)象。采用超聲波檢測(cè)灌注完一周的鋼管混凝土情況，顯示灌注密實(shí)。用鐵錘敲擊鋼管混凝土外壁，聲音清脆。此外，項(xiàng)目還在拱頂弦管內(nèi)埋設(shè)2個(gè)應(yīng)變計(jì)進(jìn)行混凝土變形測(cè)定，從灌注完成開(kāi)始，連續(xù)自動(dòng)測(cè)量和記錄，選取有代表性的1根管的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。

從圖5可看出，管內(nèi)混凝土的應(yīng)變曲線在灌注完后的前3d呈明顯上升趨勢(shì)，而后下降，從第5d開(kāi)始呈平緩，但一直保持正應(yīng)變狀態(tài)，且徑向垂直方向的應(yīng)變明顯大于徑向水平方向的應(yīng)變。結(jié)合超聲波檢測(cè)和敲擊檢查結(jié)果以及圖5檢測(cè)結(jié)果，表明采用抽真空輔助灌注工藝對(duì)解決鋼管混凝土因氣囊產(chǎn)生的脫空是有效的。

5 結(jié)語(yǔ)

大跨徑CFST拱橋的鋼管混凝土灌注難度大，質(zhì)量控制點(diǎn)多，組織協(xié)調(diào)要求高，必須從原材料、配合比、機(jī)械設(shè)備、灌注工藝、施工組織等多方面進(jìn)行管控，才能確保其灌注質(zhì)量。

采用緩凝、保塑的混凝土配合比有助于在灌注全過(guò)程中保持混凝土的工作性能，防止堵管的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，采用分級(jí)連續(xù)灌注的工藝，使每級(jí)灌注控制在4h以內(nèi)，也可有效降低堵管帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)影響。此外，真空輔助灌注工藝可有效防止鋼管頂部產(chǎn)生的氣囊脫空，使混凝土灌注飽滿。拱肋鋼管混凝土灌注是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，施工過(guò)程中還需加強(qiáng)各方組織和協(xié)調(diào)，進(jìn)行必要的演練。

上述拱肋鋼管混凝土灌注的質(zhì)量控制措施，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，對(duì)依托工程的順利建成及質(zhì)量保證，起到了非常重要的作用，將為后續(xù)修建大跨徑的鋼管混凝土拱橋提供借鑒。

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