大跨徑CFST 拱橋鋼管混凝土灌注質量控制探討

摘要：文章以馬灘紅水河特大橋為工程背景，分析了大跨徑CFST拱橋拱肋鋼管混凝土灌注質量的影響因素，提出了控制措施與方法，并通過工程實踐進行了驗證和總結，可供同類型大跨徑橋梁施工參考。

關鍵詞：拱橋;鋼管混凝土;灌注;質量控制

0 引言

大跨徑CFST拱橋的拱肋通常采用纜索吊裝系統分段起吊，在跨中合龍，然后在拱肋兩端弦管上開設灌注孔，安裝混凝土灌注設備。灌注時，從兩端拱腳用泵機自下而上壓注混凝土，連續灌注至拱頂，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，通常質量控制難度大。雖然現有的《公路橋涵施工技術規范》（JTG/TF50-2011）中有鋼管混凝土灌注的要求，但無具體的操作指導書。廣西發布了《鋼管混凝土拱橋施工技術規程》（DB/T1097-2014），有更詳細的規定，但也是一些通用性的描述。由于缺乏詳細的質量控制措施，鋼管混凝土脫黏等一些問題仍時有發生。為進一步完善鋼管混凝土施工工藝，本文針對依托工程，提出了灌注質量控制措施，并對實施情況進行了總結，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553m（見圖1）。大橋分左右2幅，全寬達55.8m，主體鋼結構約14000t。拱軸線采用倒懸鏈線，倒懸鏈線系數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400m3，全橋共16根弦管。該橋為目前國內高速公路橋面最寬的CFST拱橋。

大橋拱肋斷面見圖2。大橋拱肋管內混凝土從兩岸拱腳對稱同步向上灌注，每次灌注1根弦管，灌注下一根弦管內混凝土前，除上一根鋼管混凝土達到設計強度的80%外，齡期應≥3d，且≤5d。混凝土要求一次性灌注至拱頂，脫空面積不得超過截面積的1.2%。

2 鋼管混凝土灌注的主要問題

鋼管混凝土要求有大流動性、保塑性。在不斷向上泵送壓注過程中，由于骨料下沉，導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量。其次，由于拱頂段拱肋較平緩，混凝土灌注至拱頂段時不易將管內空氣排出，易在鋼管頂部留下氣囊，導致灌注不飽滿。另外，由于灌注時間長，混凝土在灌注過程中，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，不得不開孔對中斷界面混凝土進行鑿毛，然后重新進行二次灌注。單根管分次灌注，造成管內混凝土整體性差。還有，在混凝土灌注過程中，由于兩岸不對稱，造成拱肋加載不均衡，拱肋線形往一端傾斜。

綜上，筆者對鋼管混凝土灌注過程中出現的問題進行了統計，結果見表1。

3 主要措施

針對鋼管混凝土灌注過程中易出現的問題，結合大橋的實際情況，筆者認為，要控制管內混凝土的灌注質量，材料的質量占首要位置，應首先確?；炷恋墓ぷ餍阅?。其次，大橋拱肋高度較高，單次灌注混凝土方量大，宜分級連續灌注，并盡量分級排凈浮漿。還有，應采用先進的真空輔助灌注工藝解決拱頂管內混凝土脫空問題，并應注意細節，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，浮漿過多，與其工作性能直接相關。另外，混凝土在灌注過程中堵管，也是由于工作性能下降。因此，混凝土的工作性能應作為首要控制因素。

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

3.2 灌注工藝控制

為減小混凝土泵送阻力，泵管盡量避免出現彎頭。大橋兩岸拱座后方地形平緩，因此將泵機直接設置在待灌注鋼管的正后方，泵管沿拱肋軸線布設。為減少灌注時間，防止混凝土在管內因時間太長而工作性能下降，主弦管混凝土分2級接力灌注。第一級灌注口設在拱腳，第二級灌注口設在約2/3高度處，兩級混凝土灌注方量基本相當，則每級的灌注時間約為3～4h。在此期間，混凝土工作性能下降較小，可有效防止堵管。每級灌注均設進漿口和排漿管，在拱頂隔倉板兩側設出漿管。每岸泵機準備2臺，分別負責一級和二級混凝土的灌注。一級和二級灌注的泵管和泵機均需提前接好，并排布置。

混凝土灌注前，將大量清水從拱頂注入主弦管內部，沖洗鋼管內壁鐵銹及其他雜物，從拱腳開設的排渣孔將垃圾排出。同時，潤濕鋼管內壁。

混凝土采用分級連續灌注，分級排浮漿。首先采用砂漿潤滑泵管，然后灌注第一級鋼管混凝土。當一級管內混凝土邊界面到達二級出漿管位置時，打開二級出漿管閥門，將混凝土表層浮漿排出，減少浮漿累積。浮漿排完后，關閉二級出漿管閥門。當一級混凝土邊界面達到二級進漿管下50cm時，打開二級進漿管閥門，暫停一級泵機，啟動二級泵機，砂漿潤滑二級進漿管，然后泵入二級混凝土。隨后，一級、二級泵機同時泵送混凝土，直到混凝土邊界面高于二級入漿管3m時，一級泵機退出工作，關閉一級進漿管閥門。之后二級泵機繼續泵送混凝土。當二級管內混凝土泵送到拱頂，從拱頂出漿管開始排出浮漿時，觀察排漿情況，當出現良好混凝土后，暫停泵送，靜置10min。然后泵送兩手，再靜置10min。當出漿管內無明顯氣泡后，關閉二級進漿管閥門，完成單條主弦管澆筑。

灌注過程中，兩岸需實時登記總共灌入管內的混凝土方量，并安排專人采用敲擊鋼管的方式檢查混凝土到達的位置，用對講機相互通報進度情況，確保兩岸灌注混凝土的高差≤4m，以避免因灌注不對稱引起拱肋線形不對稱。

3.3 灌注的整體組織

鋼管混凝土灌注過程中，前場與后場各方的配合極為重要，機械設備也不可出現任何問題，否則都極易導致灌注失敗。

灌注前，對進場的設備、材料進行核查，保證質量和足夠的數量。對拌和站的稱量系統進行檢測標定。將拌和站、混凝土罐車、混凝土輸送泵進行聯合調試，并試泵混凝土至拱頂。同時，需對現場施工技術人員進行全面技術交底，并進行必要的操作演練。

為防止停電，應加強與供電部門的溝通，及時掌握停電信息。同時，拌和站及混凝土灌注現場應各準備1臺250kW發電機組，以備停電應急使用。

3.4 收縮和脫空控制

管內混凝土產生脫空主要是因為拱頂段鋼管內頂部空氣不易排出，因此，要排出拱頂段鋼管頂部積存的空氣，避免該部位產生脫空，應采取真空輔助法進行鋼管混凝土灌注。工藝原理為：使用大功率真空泵將準備灌漿的拱肋鋼管內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、免振、自密實、高流動、微膨脹的高性能混凝土從兩岸拱腳對稱向拱頂連續頂升壓注入處于真空狀態的拱肋鋼管內，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構。通過真空輔助排出鋼管內空氣，提高整體灌注質量，并顯著改善拱肋接頭法蘭、拱頂等關鍵部位混凝土灌注的密實性，減少拱頂段混凝土脫空現象。抽真空系統構造見圖4。

為確保拱頂段抽真空效果，防止空氣回流至管內，當混凝土已灌入拱頂出漿管，填滿出漿管后，應停止抽真空，并緩慢釋放負壓。在釋放負壓的同時，敲擊出漿管，辨別聲音以檢查混凝土是否有回落，當混凝土發生回落時，應泵進混凝土，使混凝土重新填滿出漿管，再繼續緩慢釋放負壓，不得使混凝土回落至主弦管內。

4 實踐情況

馬灘紅水河特大橋鋼管混凝土灌注的時間段為2018-01-11至2018-03-19。項目使用6臺混凝土泵機（2臺備用），10臺混凝土運輸車，工人20人進行施工。混凝土所用碎石進行了整形，將其外棱角磨圓。粉煤灰采用來賓電廠一級灰，河沙為優質陸川砂?；炷僚浜媳纫姳?。

首根管混凝土設計坍落度為20±2cm，緩凝時間為12h，擴展度范圍為550～650mm。第一級混凝土灌注至臨近第二級進漿口1m處時，泵機泵送阻力增大，無法再往上灌注。項目隨即啟動第二級泵機，從該處往上繼續灌注。此后，從第二根管開始，混凝土擴展度調整為600～680mm，第一、第二級灌注均較順利交接，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，管內真空度達到-0.09～-0.07MPa，均待混凝土灌注至拱頂出漿管后再緩慢卸壓。卸壓過程中，敲擊檢查混凝土面情況，無回落至主弦管內的現象。采用超聲波檢測灌注完一周的鋼管混凝土情況，顯示灌注密實。用鐵錘敲擊鋼管混凝土外壁，聲音清脆。此外，項目還在拱頂弦管內埋設2個應變計進行混凝土變形測定，從灌注完成開始，連續自動測量和記錄，選取有代表性的1根管的數據進行分析，結果見圖5。

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

5 結語

大跨徑CFST拱橋的鋼管混凝土灌注難度大，質量控制點多，組織協調要求高，必須從原材料、配合比、機械設備、灌注工藝、施工組織等多方面進行管控，才能確保其灌注質量。

采用緩凝、保塑的混凝土配合比有助于在灌注全過程中保持混凝土的工作性能，防止堵管的風險。同時，采用分級連續灌注的工藝，使每級灌注控制在4h以內，也可有效降低堵管帶來的風險影響。此外，真空輔助灌注工藝可有效防止鋼管頂部產生的氣囊脫空，使混凝土灌注飽滿。拱肋鋼管混凝土灌注是一個復雜的系統工程，施工過程中還需加強各方組織和協調，進行必要的演練。

上述拱肋鋼管混凝土灌注的質量控制措施，經實踐檢驗，對依托工程的順利建成及質量保證，起到了非常重要的作用，將為后續修建大跨徑的鋼管混凝土拱橋提供借鑒。

參考文獻：

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