鋼管混凝土系桿拱頂升灌注法研究及應用

喬麗智 （中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，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，計算跨徑80m，拱肋矢跨比為1/5，拱軸系數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，沿程等高設置。每榀拱肋由兩根弦管構成，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

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。根據對稱均勻的施加荷載原則，以鋼管拱拱頂為中心兩側同時對稱澆筑。

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量，且提升了經濟效益。

3 主控要點

3.1 混凝土性能

系桿拱鋼管混凝土采用無收縮混凝土，混凝土性能能否達標是鋼管混凝土灌注能否一次成功的關鍵，無收縮混凝土需具有和易性極好、補償收縮性、初凝時間較長等性能。混凝土配合比依據設計文件初步選定，并通過多次拌和試驗確定。在混凝土配合比中加入所需混凝土外加劑，以達到初凝時間長、微膨脹性、塌落度適宜、早強性良好、和易性好等目的，以滿足泵送要求。

3.2 混凝土供給時機

因頂升法灌注混凝土必須一次灌注施工，不能間斷，所以混凝土供應必須滿足施工進度。因高性能混凝土初凝時間較快，且頂升法泵送壓力較大，一旦出現較長時間斷料，可能會出現堵管現象，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，必須根據計算壓力選定泵車型號，并備備用泵。泵管采用高壓泵管，安排有經驗的技術人員進行現場施工安排。

3.4 位移、形變及沉降的監測

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

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

4 施工工藝及施工要點

4.1 施工混凝土工藝流程

施工準備→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→關閉截止閥→清洗泵管完成澆筑。

4.2 施工要點

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，混凝土性能能否達標是鋼管混凝土灌注能否一次成功的關鍵，無收縮混凝土需具有和易性極好、補償收縮性、初凝時間較長等性能。混凝土配合比依據設計文件初步選定，并通過拌和試驗確定。在混凝土中加入各類所需混凝土外加劑，以達到初凝時間長、微膨脹性、塌落度適宜、早強性良好、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和施工現場所可能出現的情況，要求混凝土指標為：

混凝土性能指標 表1

在確定每種砂石料比重時，應模擬施工現場環境溫度、濕度及運輸過程。通過多次配合比的對比試驗和不同廠商原材料的試驗，優先確定無收縮混凝土水灰比、含砂率、容重等主要數據。再選擇不同氣溫，做初步選定的配合比驗證，最后委托第三方檢測單位檢測選定配合比。若以上試驗檢測結果合格，則最終確定該配合比。

4.2.2 混凝土供給

混凝土拌合站應確定，并做好應急預案，運輸距離及到達現場運輸時間需實際測出，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。為保證混凝土連續順利澆注，派專人巡查混凝土運輸通道暢通性。

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，在泵管和混凝土進口間增設一個截止閥，在出現堵管問題時，方便處理堵管問題。

4.2.4 混凝土輸送泵、泵管選擇及安裝

頂升壓力計算：根據流體力學能量方程知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（pa）；

k2=400-s1，流動系數（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時間之比，當設備未知時取0.3；

v2：混凝土在輸送管內平均流速（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實際較為復雜，取0.5MPa；

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

使用φ125mm高壓泵管，并搭設腳手架固定，保證泵管的穩定性。并盡可能不出現彎管，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生堵管、炸管等問題。全部聯結固定后，對管線派專人復查，確保管間聯結密封性。在現場準備若干泵管、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持續施工，不可停泵，當混凝土不能按時到達現場，應緩慢泵送頂升，不能停泵待料。可通過混凝土澆筑記錄量及敲擊校驗兩側泵送進度，兩側管內混凝土高差小于1m。

當出氣口有砂漿溢出時，減慢泵送速度，將砂漿及水擠出，直到純凈混凝土冒出，關閉截止閥。然后清洗鋼管拱表面和泵管。

泵壓控制在約為8MPa，當混凝土泵送不順利時，泵車壓強增高，切忌強行泵送，應對停泵檢查。在混凝土頂升施工中，泵車料倉應裝滿混凝土，若吸進空氣，應反向轉泵，將混凝土吸回到料倉內，待排除空氣后改為正向轉泵。

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

4.2.6 灌注施工時的監測

設專門人員統計混凝土方量，另外設人員用錘敲打鋼管拱，聽空響判斷混凝土已澆筑的高度，并隨時與現場施工人員溝通，保證兩處混凝土澆筑的對稱性，當兩側差量超出一米時，進度較快的一邊暫停作業，等到進度相當后再灌注。

利用全站儀和拱肋上部提前刻的觀測點進行拱肋坐標及標高測量。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，出現異常立刻停止澆筑，查明原因。

4.2.7 灌注孔、排氣孔修復

拱肋內混凝土強度達到設計強度75%以上時，可切除鋼管拱上灌注孔、排氣孔，所有修補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，孔洞焊接應平整圓滑、不漏焊，按設計要求涂裝。

4.2.8 混凝土養護

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，保障鋼管拱內混凝土的養護。

5 小結

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，使用機械設備及人工數量極少，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到密實，提高了混凝土灌注質量。

②降低了人工、機械等高空危險作業時間，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，且節約人工、機械、材料的投入。提高了施工效率，提升了施工質量。

④施工現場從以上方面組織施工，確保了工程質量，提升了經濟效益。