平南三橋鋼管拱肋混凝土灌注施工控制技術研究

摘要：為滿足超大跨徑鋼管混凝土拱橋混凝土灌注施工過程中的拱肋位移、線形及應力控制要求，文章以平南三橋工程為例，通過對鋼管混凝土灌注施工工藝進行優化，根據拱肋不同鋼管施工階段的劃分，采用真空輔助灌注工藝，以泵壓法分四級自拱腳向拱頂灌注C70自密實高性能混凝土。通過施工過程控制技術的應用，該橋管內混凝土灌注過程中最大拉應力為0.44 MPa，拱肋軸線偏差最大值為27 mm，混凝土脫空率lt;1.2%，有效地控制了混凝土灌注后拱肋結構的位移、線形及應力，可為其他超大跨徑鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土灌注施工提供借鑒。

關鍵詞：鋼管混凝土拱橋；混凝土灌注；施工工藝；過程控制技術

中圖分類號：U448.22 A 47 165 4

0 引言

鋼管混凝土拱橋以其承載能力強、剛度大、適用性強等優勢被廣泛應用于深山峽谷等險峻地區。鋼管混凝土灌注過程的優劣影響著鋼管與混凝土協同工作的能力、結構施工的穩定性、拱橋承載力等。鋼管混凝土灌注施工作為大跨徑鋼管混凝土拱橋的關鍵工藝之一，其施工控制技術是目前國內外學者研究鋼管混凝土的重點。在鋼管混凝土拱橋建設的初期，拱肋灌注混凝土采用人工灌注法從拱頂到拱腳，自上而下進行施工，但人工灌注作業受其主觀不確定因素的影響較大，施工后鋼管內混凝土出現脫空率不滿足規范要求，鋼管混凝土承載力不足，且管內混凝土不斷往拱腳處累加，極易造成拱腳處局部應力過大甚至出現爆管的現象［1］。羅業鳳等［2］依托合江長江一橋采用了真空輔助泵送法分三級接力一次性完成C60高性能自密實微膨脹混凝土灌注施工。郝聶冰等［3］根據結構在拼裝、混凝土灌注施工過程中的力學特征，基于可調域法的優點和拱肋拼裝的要求，給出了吊裝線形控制方法。張科乾［4］通過對灌注順序和施工控制進行研究發現腹腔灌注混凝土會使腹板與拱肋連接位置出現很大應力，容易引起腹腔爆管，建議取消腹腔混凝土的灌注；上、下管連續灌注方案相比下管混凝土達到強度再灌注上管方案，鋼管應力增加較小。

平南三橋建成以后將成為世界上跨徑最大的鋼管混凝土拱橋。本文通過對其鋼管混凝土灌注施工工藝進行優化，根據拱肋不同鋼管施工階段的劃分，采用真空輔助灌注工藝，以泵壓法分四級自拱腳向拱頂灌注C70自密實高性能混凝土，通過施工過程控制技術的應用，使該橋拱肋混凝土灌注后拱肋結構的位移、線形及應力變化狀態均滿足規范要求，為其他超大跨徑鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土灌注施工提供借鑒經驗。

1 工程概況

平南三橋是主跨為575 m的中承式鋼管混凝土拱橋，計算跨徑為560 m，主拱肋為鋼管混凝土桁式結構，跨徑為575 m，計算矢跨比為1/4.0，拱軸系數為1.50。拱頂截面徑向高為8.5 m；拱腳截面徑向高為17.0 m，肋寬為4.2 m；每肋為上、下各兩根1 400 mm鋼管混凝土弦管，主弦管間通過橫聯鋼管850 mm和豎向兩根腹桿700 mm鋼管連接而構成矩形截面。單側主拱肋共分為22個節段，以橋梁中心線對稱布置，兩岸以跨徑中心對稱，全橋共計44個節段。主弦管采用Q420qD鋼材，其余為Q345C鋼材。其中需要灌注管內混凝土的部位為拱肋上下弦管、吊桿處平聯管、1#、2#拱肋節段腹桿及平聯管、1#、2#拱肋節段橫撐弦管、拱腳鉸、合龍處橫聯管、立柱橫梁處鋼管、肋間橫梁處弦管。

2 管內灌注混凝土施工方案設計

2.1 配合比設計

鋼管混凝土灌注是全橋施工的一道關鍵工序。因此，高性能混凝土自收縮及塑性收縮率低、彈性模量高、干縮性能好是保證鋼管混凝土灌注質量的關鍵環節。通過C70高性能混凝土配合比設計與試驗得知目標混凝土能夠產生微膨脹，可采用泵送施工和自密實工藝施工，且混凝土強度等級達到C70級。C70高性能自密實混凝土配合比見表1。

經室內試驗得到的C70管內混凝土變形性能結果表明（下頁圖1）：普通混凝土在試驗進行第28 d后收縮曲線逐漸平緩，截至60 d時，混凝土自收縮為248 με；無收縮混凝土在試驗進行第3 d時膨脹變形為190 με，28 d時補償收縮后混凝土有113 με膨脹變形，56 d時混凝土仍有90 με膨脹變形，滿足設計要求。

2.2 灌注順序

拱肋C70自密實高性能混凝土灌注采用真空輔助灌注工藝，灌注順序為在安裝完1#節段后灌注拱腳鉸處管內混凝土，在拱肋合龍后灌注主弦管管內混凝土，最后從下往上依次灌注剩余部位的管內混凝土。具體灌注順序如圖2所示：上游內側下弦管（1號管）→下游內側下弦管（2號管）→下游內側上弦管（3號管）→上游內側上弦管（4號管）→上游外側下弦管（5號管）→下游外側下弦管（6號管）→下游外側上弦管（7號管）→上游外側上弦管（8號管）。管內混凝土以泵壓法分四級自拱腳向拱頂灌注，第一級位于拱腳處；第二級位于1/8跨徑處；第三級位于1/4跨徑處；第四級位于3/8跨徑處。灌注過程中分5段位置進行調載。

2.3 灌注施工工藝

2.3.1 沖洗鋼管內壁（圖3）

（1）沿拱肋上弦布置的抽水管，輸水至拱頂設備平臺蓄水箱。

（2）拱頂安裝高揚程抽水，蓄水桶中安裝水泵，出水口通過水管與拱頂出漿管的B/C對接。

（3）關閉止回閥A/B/C/D及排漿B/D，開啟排水孔A/C，抽水從出漿管B/C注入主弦管內部，沖洗鋼管內壁，水流攜帶鐵銹及其他雜物將從拱腳的排渣孔排出，直至排渣孔處的水流清澈無雜物，停止抽水關閉排A/C。

2.3.2 泵送水泥砂漿潤管（圖4）

（1）斷開泵管A與止回閥A的連接，泵機A泵送同等標號水泥砂漿，潤滑管壁，以減小混凝土泵送阻力。

（2）泵出砂漿泄入導排漏斗中，排出拱肋外，避免污染拱肋漆面。若拱肋被污染則用高壓水槍沖洗干凈。

（3）砂漿泵完后，連接泵管與閥門，準備一級泵送。

（4）焊接封閉排A孔，真空系統連接出漿管C，出漿管B連接抽氣孔，關閉1級以上的閥門。

2.3.3 泵送第1級混凝土（圖5）

（1）C70高性能混凝土待料≥0.5 h，混凝土充分熟化，排出大氣泡。

（2）啟動泵機A，泵送一級管內混凝土，待混凝土從底部的出漿管A排出時，從出A孔插入高頻振搗棒，進行振搗、排氣，待有混凝土連續冒出管口時，封閉出A孔。

（3）待混凝土邊界超出一級進漿口3 m高度時，啟動真空系統，暫停泵機，真空度達到要求后，繼續泵送一級管內混凝土。

泵送過程中維持管內真空度在-0.08～-0.06 MPa。

2.3.4 第1級泵送排浮漿（圖6）

（1）泵送過程中，記錄混凝土界面高度。

（2）混凝土界面高度超過排漿管B，放慢泵送速度，關閉真空系統，打開排氣閥D和排氣閥C卸壓。

（3）待管內負壓卸載后，開啟排漿管B，排出第1級泵送混凝土的浮漿。

（4）排漿管B管口設置導流漏斗，避免水泥漿污染拱肋漆面，若拱肋被污染則用高壓水槍沖洗干凈。

（5）管口排出合格混凝土后，先后關閉止回閥A和排漿孔B。

2.3.5 泵送第2級混凝土（圖7）

（1）泵機B泵送同等標號水泥砂漿，潤滑管壁，以減小混凝土泵送阻力。

（2）潤管后，開啟止回閥B，泵入混凝土。

（3）待管內混凝土界面超過泵管出口3 m時，放緩泵送速度。

（4）關閉排氣閥，啟動真空系統，將管道內壓力控制在-0.08～-0.06 MPa，恢復正常的泵送速度。

（5）安裝第3級泵管。

2.3.6 第2級泵送排浮漿（圖8）

（1）待混凝土灌滿出漿管B，并通過管道流入下一級時，先放慢泵送速度，再關閉真空系統，打開排氣閥C/D壓管內負壓。

（2）管內壓力卸壓后，開啟出漿管的排氣閥以及法蘭蓋，使混凝土漿液從出口B冒出，拆除連接的橡膠管；導流漏斗承接冒出的混凝土，避免污染拱肋。若有污染采用高壓水沖洗。

（3）開啟排漿管C，排出灌注第三級管內的漿液，管口B冒漿合格后，停止泵送，關閉泵機B。

（4）開啟排氣閥A，排出空氣，當氣管冒出濃漿后，關閉，完成泵送。

2.3.7 泵送第3級混凝土（圖9）

（1）按相同的程序完成第3級的管壁潤管工作。

（2）潤管后，泵機A泵入混凝土，待混凝土界面超過出漿口3 m以上時，放緩泵送速度，關閉排氣管C/D，啟動真空系統。

（3）待管內壓力為-0.08～-0.06 MPa時，恢復正常的泵送速度。

（4）安裝第4級的泵管。

2.3.8 第3級泵送排浮漿（圖10）

（1）待界面高度超過排漿管D時，放緩泵送速度，關閉真空系統，先后開啟排氣閥D、排氣閥C進行卸壓。

（2）待管內負壓卸載后，開啟排氣閥D，排出浮漿。

（3）排漿時，管口設置導流漏斗，避免水泥漿污染拱肋油漆，發現污染時采用高壓水沖洗。

（4）管口排出合格混凝土后，先后關閉止回閥A和排漿孔B。

（5）關閉泵機A、止回閥C，完成第三級泵送。

2.3.9 泵送第4級混凝土（圖11）

（1）啟動泵機B，按相同的程序完成第4級的管壁潤管工作。

（2）潤管結束后，打開止回閥D，泵入混凝土。

（3）待混凝土界面超過泵管出口3 m時，放慢泵送速度。

（4）關閉排氣閥，啟動真空系統，將管道壓力抽至-0.08～-0.06 MPa，恢復正常的泵送速度，同時記錄混凝土界面高度。

2.3.10 第4級泵送排浮漿（圖12）

（1）從觀察窗查看混凝土是否流入出漿管C，放緩泵送速度，關閉真空系統，開啟排氣閥D進行卸壓。

（2）管內壓力卸壓后，開啟排氣閥A，使混凝土漿液從出漿管C冒出，拆除連接的橡膠管，導流漏斗承接冒出的混凝土，避免污染拱肋漆面，發現污染采用高壓水沖洗。

（3）待出漿管C冒出合格混凝土后，停止泵送混凝土，關閉止回閥D，完成泵送。

（4）同時，清理儲漿桶中的混凝土。

2.3.11 排氣、補漿（圖13）

（1）觀察出漿管C中的混凝土有無明顯下降，當下降超過出漿管一半高度時，利用工作索吊運混凝土進行補漿。

（2）從拱腳至拱頂方向，將排氣區域內的排氣管逐一打開。

（3）每次僅限打開一根排氣管；當無氣體冒出或冒出濃漿時，關閉閥門，再打開下一根氣管排氣。

（4）排氣過程中，若出漿管C中的混凝土截面下降，及時補漿。

（5）若排氣管中排出的漿液污染拱肋漆面，采用高壓水將其沖洗干凈。

2.3.12 灌注剩余拱肋

（1）待前一主弦管齡期達到5 d后，進行下一根主弦管混凝土的灌注。

（2）灌注順序嚴格遵照圖示順序，不得變更。

（3）主弦管混凝土灌注完畢后，對剩余鋼管進行混凝土灌注施工。

3 灌注施工過程控制技術

3.1 管內混凝土灌注標高監控

施工過程中混凝土已達到標高的監控，以控制兩岸的對稱加載。

利用拱肋各構件的對稱性，采用錘敲擊鋼管，判斷管內混凝土位置，判斷兩岸混凝土的對稱性。

當管內混凝土對稱灌注進度差超過20 t混凝土重時，調整進度較快側的混凝土灌注速度或暫停泵送混凝土。

3.2 拱肋軸線偏位及拱肋標高測量

拱肋軸線偏位測量通過GPS高精度全站儀與測量機器人自動目標識別、照準、測角與測距、目標跟蹤、自動記錄。

3.3 拱肋應力觀測

對拱腳、1/8、1/4、3/8、拱頂截面的上、下弦桿進行應力測試。采用振弦式表面應變計進行測試，應排除環境溫度對應變計影響，讀取應變增量。

由于兩幅拱肋上、下游和兩岸對稱布置，故在北岸右幅拱肋上布置5個應力測試截面，各測試截面上分別布置4個傳感器，共20個測點。

3.4 扣索調載

平南三橋鋼管拱肋單側半跨拱肋劃分11節段，全橋共劃分為44個吊裝節段，單根拱肋簡化為9個兩岸連續且對稱施工工況，全橋共計72個施工工況。模擬計算分2個方案進行，分別為不考慮過程調載和考慮過程調載。

4 結語

本文結合平南三橋鋼管拱肋混凝土灌注施工實例，研究了C70高性能自密實混凝土配合比設計及四級泵送和真空輔助泵送施工控制技術，得出如下結論：

（1）C70高性能自密實混凝土配合比為，水泥∶粉煤灰∶微珠∶硅粉∶膨脹劑∶砂∶礫石∶水∶外加劑=387∶90∶30∶24∶59∶736∶1 017∶157∶12.98，該配合比可滿足泵送施工和自密實工藝施工要求。

（2）四級泵送施工工藝主要包括混凝土泵送和排浮漿，可有效控制管內混凝土的密實度及避免拱肋污染。

（3）通過管內混凝土灌注標高監控、拱肋軸線偏位、拱肋標高測量、拱肋應力觀測及扣索調載實現大跨徑拱橋管內混凝土的質量控制，有效地控制了混凝土灌注后拱肋結構的位移、線形及應力，保障了結構安全。

參考文獻

［1］陳寶春.鋼管混凝土拱橋（第三版）［M］.北京：人民交通出版社，2016.

［2］羅業鳳，王建軍，陳光輝.合江長江一橋拱肋鋼管混凝土灌注施工［J］.中外公路，2013，33（3）：158-160.

［3］郝聶冰，顧安邦.500 m級鋼管混凝土拱橋施工控制［J］.西南交通大學學報，2015，50（4）：635-640.

［4］張科乾.鋼管混凝土拱橋混凝土灌注施工受力研究及施工控制［J］.中國市政工程，2020（5）：92-94，97，120-121.

收稿日期：2022-12-10