鋼管混凝土系桿拱橋頂升灌注施工關(guān)鍵技術(shù)研究

【摘 要】鋼管混凝土拱肋由于核心混凝土收縮和日照產(chǎn)生溫差都會引起鋼管與混凝土不密貼現(xiàn)象，鋼拱橋成型后一般設(shè)計計算中不考慮鋼管對核心混凝土緊箍力，只按鋼筋混凝土驗算。混凝土的密實度直接影響成橋后拱肋斷面的剛度取值。頂升灌注利用高壓輸送泵從兩側(cè)拱腳向拱頂推進澆筑，有效提高核心混凝土密實度。結(jié)合跨徑109m下承式鋼管混凝土提籃式系桿拱橋頂升灌注施工案例，詳細介紹了頂升灌注工藝、混凝土質(zhì)量控制、機械設(shè)備配置及同步施工等要點，為類似工程施工提供參考。

【關(guān)鍵詞】鋼管拱肋;頂升;施工工藝

中圖分類號：TU997

1前言

鋼管混凝土系桿拱橋有效解決了拱橋材料和施工的兩大難題，其施工主要包括空鋼管拱肋的安裝、弦桿內(nèi)混凝土澆注以及橋道系安裝三個主要階段。管內(nèi)灌注混凝土不密實容易造成鋼管混凝土拱肋脫黏、脫空現(xiàn)象[1]。澆筑施工時，因混凝土質(zhì)量不佳造成堵管進而易產(chǎn)生集中應(yīng)力過大，要做到鋼管拱橋的實時監(jiān)測，并控制好泵送速度，防止施工中出現(xiàn)因鋼管集中應(yīng)力過大而產(chǎn)生鋼管開裂[2]。

2工程概況

南蘆公路上跨大治河109m下承式鋼管混凝土系桿拱橋，為分離式雙幅橋，位于上海市浦東新區(qū)。拱肋向內(nèi)傾斜6?，拱肋高21.8m，矢跨比f/L=1/5，拱肋為等截面啞鈴型鋼管混凝土截面，拱肋寬1.2m，高2.4m，鋼管壁厚16mm。拱肋成形后，鋼管內(nèi)填充C50微膨脹自密實混凝土。每幅主橋設(shè)置2道縱梁、19對吊桿拉索、21根中橫梁和2根端橫梁。為保證橋梁整體穩(wěn)定安全，每幅主橋拱頂設(shè)置一道“一”字型風(fēng)撐，兩側(cè)各設(shè)置一道“K”型撐，風(fēng)撐采用空心鋼管結(jié)構(gòu)，內(nèi)部不灌注混凝土。本次實施西幅橋施工，自密實混凝土總量約530立方。橋梁總體布置見圖1。

根據(jù)對稱與均衡加載原則，以拱頂為對稱中線組織鋼管混凝土的灌注施工。為保證拱肋混凝土的密實性，采用在拱肋兩端泵送澆筑鋼管拱肋混凝土的泵送頂升壓注澆筑方法，灌注時由輸送泵將混凝土連續(xù)不斷地自下而上壓入鋼管拱內(nèi)，且不需振搗，直至管頂冒出混凝土使管內(nèi)混凝土密實為止。

3施工總體布置

將鋼拱混凝土頂升施工分為南北兩個作業(yè)區(qū)，每個作業(yè)區(qū)為兩個作業(yè)點：東拱腳和西拱腳。施工采用四臺地泵同步頂升工藝，在北岸設(shè)置指揮中心，收集現(xiàn)場泵送頂升過程所有數(shù)據(jù)，并作出指令，保證四個作業(yè)點同步頂升，作業(yè)布置詳見圖2。

為了保證一次壓注須在首盤混凝土初凝以前完成，分二級泵送施工，確保每次泵送時間控制在3h以內(nèi)。第一個泵管注漿孔開設(shè)在1、2吊桿之間;第二個泵管注漿孔開設(shè)在5、6吊桿之間。在拱腳最底部設(shè)置D1排渣孔，用于排除鋼拱內(nèi)廢水;二級泵送口水平位置設(shè)置排漿孔，同時用于監(jiān)測一級泵送停止位。對稱布置E1、E2、E3排氣孔和頂部冒漿孔，詳見圖3。待鋼管混凝土頂升灌注完成后7天可將孔口設(shè)施切除并焊接同類型鋼板補齊。

（1）注漿孔

考慮到注漿口離吊桿較近，此注漿管平面向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)5°，注漿管外徑135，壁厚10mm，與拱軸線呈30°夾角，注漿管設(shè)計見圖4。

（2）出氣孔、排漿孔

出氣孔、排漿孔均采用35mm孔徑304不銹鋼球閥，方便開關(guān)。

（3）冒漿孔

冒漿孔同時也兼做出氣孔，在拱頂兩側(cè)750mm處對稱安設(shè)直徑為125mm、高為1500mm的增壓排漿管，管口可向內(nèi)側(cè)面略微傾斜，外接2m軟管，以免排除混凝土污染管壁，詳見圖5。

4混凝土配合比

鋼拱肋截面在吊桿錨箱位置空間受阻，此處容易發(fā)生堵管現(xiàn)象，本次混凝土采用細石混凝土，骨料最大粒徑為2cm。為了保證首盤混凝土拌制完成到此次泵送結(jié)束仍具有良好工作性，混凝土需保證6h工作性（擴展度550～650），初凝時間不小于10h。

為了確保本次鋼拱混凝土頂升灌注的順利施工，我施工方采用小機多次試配試驗，試配成功后進行了大機驗證試驗，并達到性能要求后再進行正式頂升灌注。

（1）小機試驗調(diào)整方案

根據(jù)大機設(shè)備運行的特點，對小機試驗也做了相應(yīng)調(diào)整，使小機試驗?zāi)軌蚋玫钠ヅ浯髾C生產(chǎn)狀態(tài)。

1）小機試驗的攪拌時間從原來的120秒，延長到240秒，讓小攪拌機對混凝土攪拌更充分更均勻。

2）小機試驗原材料投放順序與大機保持一致，增加干料預(yù)拌時間約20-30秒，然后添加水和外加劑，原材料相互接觸拌和方式與大機一致。

經(jīng)過多次小機試驗，最終確定施工配合比如表1，鋼拱混凝土初始擴展度在700-750mm左右，4小時基本和初始保持一樣，6小時擴展度600mm左右，8小時擴展度400mm左右，初凝時間超過10小時，滿足了施工的需要。

（2）大機驗證試驗安排

為了確保混凝土工作性滿足實際施工需要，增加對大機的試拌頻次，包括調(diào)整外加劑摻量，以及在動態(tài)含水率波動情況下的影響范圍控制。在正式混凝土澆筑前，還需做6h混凝土工作性的大機驗證，驗證成功后方可開始正式拌制。為了順利完成本次生產(chǎn)任務(wù)，拌合站相關(guān)準備工作如表2.

1）9月25日對拌站生產(chǎn)設(shè)備進行了保養(yǎng)和計量校準，10月5日再次對2條生產(chǎn)線的砂石、水泥、外加劑計量秤進行了滿量程靜態(tài)校驗，同時對動態(tài)稱量也進行了復(fù)驗，結(jié)果符合要求。

2）新進水泥與10月8日晚上進行適應(yīng)性復(fù)驗，小攪拌機的攪拌時間、投料順序與大機一致，合格后方可進倉。

3）10月9日上午材料進倉：水泥290噸，礦粉200噸，黃砂500噸，石子500噸，外加劑3.5噸，摻合料560包。

4）10月9日下午進行了大機試驗，混凝土性能滿足要求。

5機械設(shè)備

（1）泵送設(shè)備

每次泵送均在兩端布置2臺高壓固定式混凝土輸送泵同步進行泵送。每臺泵車平均每小時泵送50m3混凝土，考慮一些其他因素，每片拱肋單根單次泵送在3小時內(nèi)完成泵送。輸送泵的系統(tǒng)泵壓一般在8MPa左右，不能超過16MPa，防止爆管。綜合以上各項因素，選用6臺HBT-60型高壓固定式混凝土輸送泵作為泵送機械，其中2臺作為備用泵，南、北工作區(qū)各1臺。

（2）運輸車輛配備

共配備22輛混凝土攪拌車，其中2臺備用，隨時根據(jù)施工實際情況作出調(diào)整，以保證拱肋鋼管混凝土連續(xù)澆筑。

（3）混凝土攪拌設(shè)備

混凝土拌和站配置2臺HBZ180雙臥軸攪拌機，在開始攪拌前，對所有攪拌設(shè)備、發(fā)電設(shè)備和水處理設(shè)備進行施工前全面檢驗調(diào)試，認為具備施工能力后才開始進行施工。

6同步頂升灌注

為了保證混凝土工作性，對混凝土攪拌完成后全過程跟蹤并做好出廠和進場擴展度試驗，對比分析混凝土擴展度是否保持原有性能

為了確保同步頂升灌注，做到混凝土攪拌、傳輸、澆灌同時進行。采取措施如下：

（1）澆筑方量同步

每臺攪拌車運輸方量均為10m3，并由記錄員詳細上報每一車次開始澆筑和結(jié)束澆筑時間，同一批次攪拌車澆筑時間相差大于5min，應(yīng)及時調(diào)整澆筑速度，確保澆筑方量偏差小于2m3。

（2）澆筑拱肋位位置同步

每隔1m由小到大貼編號，工人用榔頭敲打拱肋，聽聲以辨澆筑位置，并站在相應(yīng)編號位置，及時記錄到達每一編號位置時間，同一編號時間相差大于5min，及時調(diào)整澆筑速度。確保澆筑拱肋位置偏差小于1m。

（3）觀察孔同步

出氣孔、排漿孔、冒漿孔都可兼做觀察孔，流出砂漿便立即上報，到達同一位置觀察孔時間偏差同樣大于5min，應(yīng)及時調(diào)整澆筑速度。

（4）過程控制同步

2：00前，現(xiàn)場機械設(shè)備、人員按要求均已到位。每個拱腳處至少2輛攪拌車到場（不包括砂漿車），滿足要求后正式泵送。頂升灌注過程中應(yīng)加強對泵送方法的控制，以防堵管或暴管[3]。

1）一級泵送：

首先，每個拱腳處泵送1方砂漿潤管，泵送完后，連續(xù)同步頂升自密實混凝土。當(dāng)排漿孔D1孔冒出均勻混凝土后關(guān)閉D1閥門，觀測孔E1孔冒漿后立即關(guān)閉E1閥門。整個過程保證混凝土連續(xù)灌注。當(dāng)混凝土泵送至D2孔冒漿時，立即停止泵送，同時關(guān)閉一級泵送口位置的截流閥;每個拱腳一級泵送方量約62m3，即5輛10m3攪拌車+1輛12m3攪拌車。

2）換管和張拉水平索：

清理出地泵內(nèi)多余的混凝土，并為每臺地泵備好1m3清水用于清洗地泵料斗內(nèi)混凝土，清洗完畢后更換二級泵送孔。為了確保鋼拱肋成橋線形，應(yīng)嚴格按照監(jiān)控指令張拉臨時水平索[4]。張拉好并滿足要求后方可進行二級泵送施工。

3）二級泵送

二級泵送口更換完，且人員、機械設(shè)備均已準備完成，每個拱腳處停靠至少2輛攪拌車后（不包括砂漿車），開始同步泵送1方砂漿，泵送完后，連續(xù)同步頂升灌注混凝土。當(dāng)排渣孔E2孔均勻冒漿后，關(guān)閉E2閥門。觀測孔E3孔冒漿孔冒漿后立即關(guān)閉E3閥門。整個過程保證混凝土連續(xù)頂升，直至接近冒漿管位置。每個拱腳二級泵送方量約68m3，即6輛10m3攪拌車+1輛8m3攪拌車。

4）冒漿

泵送至接近冒漿管位置時，北岸地泵先降低泵送速度和流量，緩慢泵送;南岸地泵照常泵送至冒漿管均勻冒漿。南岸地泵降低泵送速度和流量，緩慢泵送;北岸地泵照常泵送至冒漿管均勻冒漿。如此往復(fù)，直至冒漿管均勻冒漿，兩岸地泵均降低泵送速度，關(guān)閉截止閥，同時停止泵送。

7鋼管混凝土質(zhì)量檢測方法及補強

待拱肋混凝土強度均達到設(shè)計強度的80%后及過后兩個月左右時間內(nèi)，檢查拱肋鋼管混凝土是否密實。管內(nèi)混凝土的澆灌質(zhì)量檢查方法有三種：①錘擊敲打，可探明部位;②鉆小孔取樣，采用磁力電鉆，鉆孔直徑為22mm;③超聲波無損檢測[5]，檢測后對不密實的部位，應(yīng)采用鉆孔壓漿法壓注與混凝土等強度的微膨脹水泥漿進行補強，然后將鉆孔補焊封閉。

8總結(jié)

本工程通過精心組織、嚴選材料、嚴控質(zhì)量，歷時約5小時順利完成了鋼拱混凝土頂升灌注工作。通過超聲波檢測，除吊桿錨箱拱頂位置存在稍許空隙外，其余部位混凝土較為飽滿密實，在以后的施工中應(yīng)增加對該區(qū)域的排氣措施，盡量減少空隙。

（1）在鋼管混凝土頂升灌注施工中，應(yīng)嚴格控制混凝土擴展度性能指標，并分析小機試驗與大機試驗的差異性，盡量按照大機試驗拌制方式實施小機試驗。

（2）施工過程不可中斷，應(yīng)對拌站原材料儲備情況進行檢查。對攪拌車出拌站、進現(xiàn)場以及澆筑時間進行跟蹤，確保每車攪拌車在2h內(nèi)完成，混凝土工作性較好且平均泵送速度為28m3/h，未發(fā)生堵管、爆管等現(xiàn)象。

（3）嚴格落實人員統(tǒng)計工作，對實施過程嚴格監(jiān)測，并通過指揮中心對信息的整理進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，達到了同步施工的目的。

參考文獻：

[1]馮智，王建軍等.施工階段鋼管混凝土拱肋脫黏、脫空防治[J].公路.2015（12）：126-129.

[2]秦榮，謝肖禮，彭文立等.鋼管混凝土拱橋鋼管開裂事故分析[J].土木工程學(xué)報.2001（3）：74-77.

[3]程澤兵，胡忠宏.鋼管混凝土拱橋泵送頂升灌注施工常見問題分析[J].現(xiàn)代交通技術(shù).2007.6：56-58.

[4]沈興誼，楊軍，肖海波.鋼管拱肋混凝土灌注過程計算分析[J].橋梁結(jié)構(gòu).2016（6）：143-145.

[5]荊旭.超聲波檢測鋼管混凝土拱橋脫空量的應(yīng)用[J].交通科技與經(jīng)濟.2012（3）：21-23.

作者簡介：

侯鳳國（1986-），男，山東聊城人，工程師，工學(xué)碩士。

（作者單位：上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司）