陽(yáng)茂特大橋鋼管拱自密實(shí)砼配比優(yōu)化與灌注技術(shù)

楊俊東

（中鐵二十三局集團(tuán)第四工程有限公司 四川成都 610091）

1 引言

鋼管拱結(jié)構(gòu)合理運(yùn)用鋼管抗彎和砼抗壓的力學(xué)特性，具有跨度大、造型輕巧美觀、用鋼量較鋼結(jié)構(gòu)橋大幅減少、后期維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)。鋼管砼采取從拱腳到拱頂高壓泵送施工，要求砼具有高強(qiáng)度、高流動(dòng)性、自密實(shí)、微膨脹等綜合性能。砼原材料質(zhì)量、配合比設(shè)計(jì)、拌制生產(chǎn)、運(yùn)輸組織、泵送施工全過(guò)程任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都可能導(dǎo)致鋼管拱砼澆筑失敗，從而造成經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤。

2 工程概況

深茂鐵路跨陽(yáng)茂高速特大橋?yàn)槿€控制性工程，全長(zhǎng)1 260.06 m，鋼管拱主跨布置（76＋160＋76）m，為預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁與鋼管砼拱組合結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。160 m連續(xù)梁主跨設(shè)下承式鋼管系桿拱，矢跨比1／5，設(shè)計(jì)矢高32.0 m，軸線為二次拋物線。拱肋采用等高度啞鈴型截面（見(jiàn)圖2），截面高度3 m，寬1 m，上下弦管直徑為1.0 m，壁厚16 mm，上下弦管中心距2.0 m，中間通過(guò)16 mm鋼腹板連接，材料為Q345qD鋼，上下弦管和腹板空腔內(nèi)澆筑C55微膨脹砼。左、右幅拱肋間共布置9道橫撐，水平距離15 m。橫撐采用空間桁架撐，橫撐鋼管內(nèi)部不填充砼。

圖1 陽(yáng)茂特大橋

圖2 拱肋斷面（單位：mm）

3 自密實(shí)鋼管砼配合比設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)及規(guī)范要求

拱肋C55微膨脹砼必須進(jìn)行材料試驗(yàn)，確定其具有低泡、大流動(dòng)性、收縮補(bǔ)償、延后初凝和早強(qiáng)的工作性能。相關(guān)規(guī)范對(duì)自密實(shí)砼要求見(jiàn)表1[1－5]。

表1 相關(guān)規(guī)范對(duì)自密實(shí)砼配合比和性能指標(biāo)要求對(duì)比

（2）鋼管拱砼配合比設(shè)計(jì)特點(diǎn)及難點(diǎn)

鋼管拱砼要求同時(shí)具備高強(qiáng)度、微膨脹收縮補(bǔ)償和良好的工作性能。存在的困難：摻加膨脹劑會(huì)造成鋼管拱砼坍落度、擴(kuò)展度損失大；普通自密實(shí)砼要求砂率高、含氣量高，而鋼管砼要求砂率適中（砂率過(guò)高時(shí)，收縮徐變較大），實(shí)現(xiàn)低含氣量下砼具有優(yōu)良的自密實(shí)、高保塑工作特性。已完成的部分大跨鋼管拱橋砼設(shè)計(jì)配合比對(duì)比見(jiàn)表2[6]。

表2 部分鋼管拱橋自密實(shí)砼配合比對(duì)比

（3）配合比初步設(shè)計(jì)

項(xiàng)目選用鋼管拱砼原材料檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 鋼管拱砼原材料檢測(cè)指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)室初選C55鋼管拱砼配合比見(jiàn)表4，實(shí)測(cè)砼性能見(jiàn)表5。各項(xiàng)指標(biāo)符合鐵路相關(guān)規(guī)范要求。

表4 鋼管拱C55砼配合比（初選）

表5 初選鋼管拱C55自密實(shí)砼實(shí)測(cè)性能指標(biāo)

4 試灌鋼管砼及失敗原因分析

在正式灌注施工前，按設(shè)計(jì)要求組織模擬灌注：采用1根直徑500 cm、高33 m的鋼管，接頭采用橡膠密封圈加高強(qiáng)螺栓連結(jié)，利用36 m高墩身沿高度方向每2 m預(yù)埋鐵件固定鋼管，模擬鋼管拱砼施工工況。經(jīng)計(jì)算砼輸送泵壓最大9 MPa，選用1臺(tái)ZLJ5130THBE型車(chē)載砼泵（泵送低／高壓：9／14 MPa）滿足要求。從鋼管底部進(jìn)料，頂升澆筑。在澆筑高度到22.2 m時(shí)，因故停泵，灌注失敗。灌注過(guò)程見(jiàn)表6，停泵原因見(jiàn)圖3。

表6 鋼管拱砼試灌過(guò)程記錄

圖3 試灌停泵原因示意

出現(xiàn)堵管、停泵原因分析：

（1）砼泵送設(shè)備：油泵閥門(mén)老化漏油，泵壓不足，造成第一次堵管。

（2）清管發(fā)現(xiàn)泵管中有1顆石塊直徑約72 mm，砼泵料斗網(wǎng)格大未能篩除大粒徑碎石，造成第二次堵管。

（3）砼和易性差，配合比存在缺陷；從砼開(kāi)盤(pán)到停泵無(wú)法泵送，全過(guò)程約3.25 h；根據(jù)鐵路自密實(shí)砼相關(guān)要求計(jì)算配合比，每方砼碎石摻量1 092 kg，碎石體積0.401 m3，遠(yuǎn)大于JGJ／T 283和CECS 203規(guī)定的最大值0.35 m3；砂體積0.235 m3，砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù)為0.392，小于JGJ／T 283要求的0.42～0.45；粗骨料多、砂漿少，砼易出現(xiàn)離析、泌水。

（4）初選砼配合比中膠凝材料總摻量545 kg／m3，摻水量?jī)H150 kg／m3，低于 CECS 203—2006 要求（155～180 kg／m3），造成初配砼對(duì)高性能減水劑的高度依賴，按砼初選配合比試拌，發(fā)現(xiàn)砼工作性能對(duì)摻水量極敏感：摻水量增加3.3%，砼出現(xiàn)離析；摻水減少1.3%，砼粘稠度太大，坍落度、擴(kuò)展度達(dá)不到要求。

（5）拌和站存料倉(cāng)中砂和碎石含水量變化大，面層1.5 m以上較干燥，含水率1% ～3%；1.5 m以下底部集料含水量高達(dá)6%～9%。

綜上，砼拌制質(zhì)量不穩(wěn)定，已泵送入管的砼在鋼管內(nèi)因離析作用，粗骨料下沉堆積，漿液上浮，鋼管砼從底部頂升，無(wú)法在已灌注砼全高度范圍形成栓流，而是靠砼泵的壓力頂升整個(gè)鋼管內(nèi)已灌注的砼，當(dāng)最大泵壓與管內(nèi)砼自重壓力平衡時(shí)，將無(wú)法泵入，這是第一次灌注停泵的關(guān)鍵原因。

5 優(yōu)化砼配合比

根據(jù)鋼管拱自密實(shí)砼相關(guān)技術(shù)規(guī)范，對(duì)初選配合比進(jìn)行優(yōu)化：砂和碎石總質(zhì)量不變，適當(dāng)提高砂率，讓砼有更好的和易性和擴(kuò)展度；膠凝材料總用量不變，去掉礦粉（礦粉需水量大，對(duì)減水劑依賴度高），增加水泥、粉煤灰摻量，摻加適量硅灰提高砼的和易性和流動(dòng)性[7－9]。硅灰各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)情況見(jiàn)表7。

表7 硅灰檢測(cè)指標(biāo)

C55自密實(shí)砼配合比優(yōu)化前后對(duì)比見(jiàn)表8。優(yōu)化后單方砼粗骨料體積0.361 m3、砂體積0.272 m3、水泥漿體總體積0.367 m3。除粗骨料體積稍高于相關(guān)規(guī)范推薦值（不宜大于0.35 m3）外，其他指標(biāo)均符合要求。優(yōu)化配合比后實(shí)測(cè)砼工作性能指標(biāo)和7 d強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求（見(jiàn)表9），經(jīng)試拌，摻水量較設(shè)計(jì)增加10%，砼未出現(xiàn)離析，砼工作性能穩(wěn)定。

表8 C55鋼管拱砼配合比優(yōu)化前后對(duì)比

表9 優(yōu)化后C55鋼管拱自密實(shí)砼性能實(shí)測(cè)指標(biāo)

6 鋼管拱砼灌注施工技術(shù)

6．1 鋼管拱砼灌注方案

陽(yáng)茂特大橋單側(cè)拱肋鋼管砼數(shù)量：上弦管123.6 m3；下弦管 121.4 m3；一級(jí)綴板砼 45.5 m3；二級(jí)綴板砼75.4 m3。

為優(yōu)化鋼管拱灌注工期，經(jīng)設(shè)計(jì)單位對(duì)砼澆筑時(shí)鋼管拱受力和變形進(jìn)行驗(yàn)算，同意鋼管拱兩幅四根拱肋在第一盤(pán)砼初凝前一次性灌注完成的方案；待鋼管拱砼強(qiáng)度達(dá)到90%后，再灌注綴板砼。鋼管拱肋上下弦管僅在拱頂設(shè)置一處隔艙板，采取一級(jí)頂升泵送方案；綴板設(shè)三道隔艙板，采取兩級(jí)泵送。

6．2 鋼管拱砼澆筑順序

弦管澆筑方案：5臺(tái)ZLJ5130THBE型車(chē)載砼泵（1臺(tái)備用）分別從弦管的兩個(gè)拱腳同時(shí)泵送砼，先澆筑上弦管，再澆筑下弦管。灌注順序：左幅上弦管→右幅上弦管→左幅下弦管→右幅下弦管。每根拱肋弦管砼灌注時(shí)間按3 h計(jì)（1根弦管灌注快到頂時(shí)，另一根弦管提前打水、打水泥漿潤(rùn)管，前1根弦管拱頂排氣孔出水出漿，另兩臺(tái)泵立即開(kāi)始下1根弦管砼灌注），預(yù)計(jì)耗時(shí)13 h，見(jiàn)圖4。

圖4 鋼管拱自密實(shí)砼頂升示意

綴板灌注順序：左幅一級(jí)綴板→右幅一級(jí)綴板→左幅二級(jí)綴板→右幅二級(jí)綴板。綴板砼灌注預(yù)計(jì)耗時(shí)共12 h。

6．3 鋼管砼灌注工藝

鋼管拱砼灌注工藝流程：設(shè)備就位接泵管、裝截止閥→試泵（檢查泵壓和泵管水密承壓情況）→泵水洗管→泵水泥砂漿潤(rùn)管→兩端對(duì)稱(chēng)、勻速、連續(xù)泵送自密實(shí)砼→排氣管依次排出水、水泥漿和砼→排氣管排出合格砼（停頓1～3 min再泵2～3下，反復(fù)兩次，確保拱頂砼充填飽滿密實(shí)）→停泵，泵入口打入倒流截止閥，用乙炔烤干泵入接口管內(nèi)砼→拆除并清洗泵機(jī)、泵管。

6．4 鋼管砼灌注技術(shù)控制要點(diǎn)

（1）灌注前，先泵送水和水泥砂漿潤(rùn)管。水的作用是清洗管壁浮灰，使干燥的鋼管壁吸水濕潤(rùn)；水泥砂漿作用是提前潤(rùn)滑管壁，減小自密實(shí)砼與管壁間的摩阻。頂升灌注鋼管拱砼過(guò)程中，由于水和水泥砂漿密度較自密實(shí)砼輕，故一直在砼上部隨管內(nèi)砼上升，最后從拱頂預(yù)留的排氣排漿孔排出[10]。

（2）“連續(xù)、低壓、慢送”是保證自密實(shí)鋼管砼“栓流”不被破壞的關(guān)鍵。砼罐車(chē)數(shù)量要保證砼的連續(xù)供應(yīng)。

（3）拱頂排氣排漿口的設(shè)置對(duì)鋼管拱砼的灌注質(zhì)量和橋下公路行車(chē)安全、環(huán)水保都有重大影響。排氣排漿口采取在拱頂開(kāi)孔焊接直徑125 mm的導(dǎo)管彎頭，并搭架從拱頂接導(dǎo)管到橋面，再引至橋下泥漿池。導(dǎo)管采用鋼管，既保證鋼管砼灌注過(guò)程中排氣通暢（消防軟管下垂太長(zhǎng)，不易排氣，易在鋼管內(nèi)形成高壓氣體，造成管內(nèi)砼灌注困難），也避免砼高空墜落沖擊破壞軟管，危及橋面作業(yè)人員和橋下行車(chē)安全[11－12]。

7 結(jié)束語(yǔ)

選用經(jīng)優(yōu)化后的鋼管拱自密實(shí)砼配合比，第一次弦管灌注共耗時(shí)約12.7 h，6 d后弦管砼強(qiáng)度達(dá)到90%；灌注綴板砼共耗時(shí)9.6 h，鋼管砼按計(jì)劃順利完工。經(jīng)超聲波檢測(cè)，陽(yáng)茂特大橋鋼管拱內(nèi)砼密實(shí)、飽滿無(wú)脫空，質(zhì)量?jī)?yōu)良。