鄭萬鐵路跨南水北調(diào)干渠特大橋鋼管拱內(nèi)混凝土灌注施工技術(shù)

許賽飛

中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司 河北 唐山 064099

鋼管混凝土具有良好的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)效益，在大跨度拱橋建設(shè)中日益常見[1-2]。但是，鋼管內(nèi)混凝土施工質(zhì)量難以控制，常出現(xiàn)滯留空氣、密實(shí)度不足、收縮空隙等問題，對工程結(jié)構(gòu)安全造成重要影響。加強(qiáng)對鋼管拱內(nèi)混凝土施工工藝的把控，是保證橋梁長期安全的重要一環(huán)[3-4]。

涂光亞等[5]通過數(shù)值分析，對3種不同混凝土光柱順序下的結(jié)構(gòu)受力和變形進(jìn)行了對比分析，認(rèn)為先下弦后上弦、先內(nèi)側(cè)后外側(cè)且左（右）幅弦管交替灌注的施工順序下，位移變形最小。謝小飛等[6]、朱海軍等[7]對大跨度鋼管混凝土提籃式系桿拱橋拱腳的施工工藝和技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了探討，提出基于BIM技術(shù)的鋼管混凝土拱橋施工控制技術(shù)。鄭萬鐵路為鄭州東站至重慶萬州新建高速鐵路，龐宇輝等[8]，李惠民[9]、李偉偉[10]對鄭萬鐵路鋼管拱橋豎向轉(zhuǎn)體施工技術(shù)和“先梁后拱”施工工藝進(jìn)行了探討，可為大型涉水跨橋工程提供相關(guān)借鑒。

本文依托鄭萬鐵路河南段張良鎮(zhèn)跨南水北調(diào)干渠特大橋，從C55微膨脹混凝土配比設(shè)計(jì)、灌注壓力、灌注施工工序選擇、灌注注意事項(xiàng)以及工后檢測評價(jià)5個(gè)方面出發(fā)，對鋼管拱內(nèi)混凝土灌注施工技術(shù)進(jìn)行了全面介紹，可為類似特大橋鋼管拱內(nèi)混凝土灌注的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

1 工程概況

鄭萬鐵路河南段張良鎮(zhèn)跨南水北調(diào)干渠特大橋主橋采用（74+160+74） m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土加勁拱肋組合結(jié)構(gòu)體系，梁面寬14.2 m，立面位于0.6%縱坡上。拱軸線采用二次拋物線，計(jì)算跨徑160 m，計(jì)算矢高32 m，矢跨比1/5。橫橋向設(shè)置2道拱肋，拱肋中心距為11.8 m，拱肋采用外徑1 000 mm、壁厚16 mm的鋼管混凝土啞鈴形截面，上下兩鋼管中心距為2.0 m，拱肋截面全高3.0 m，鋼管內(nèi)灌注C55微膨脹混凝土。拱肋上下鋼管之間連接綴板厚16 mm，拱肋之間共設(shè)9道空間桁架式橫撐。橫撐采用4根φ450 mm×12 mm主鋼管和32根φ250 mm×10 mm鋼管，橫撐內(nèi)不填充混凝土（圖1）。

圖1 工程鋼管拱結(jié)構(gòu)示意

2 施工工藝

2.1 C55微膨脹混凝土配比

由于C55混凝土膠凝材料包括水泥mc、粉煤灰mf、磨細(xì)礦渣mk、微膨脹劑mp和減水劑my等多種摻合料，同時(shí)理論水灰比是基于材料為干燥狀態(tài)的理論水灰比，因此理論計(jì)算的水灰比與工程實(shí)踐相比有些出入。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對理論水灰比進(jìn)行調(diào)整，最終得到C55微膨脹高性能混凝土施工配比及其相關(guān)參數(shù)（表1）。從表1中可以看到：最終調(diào)整過后的水灰比為0.37，含氣量僅為3.2%，小于設(shè)計(jì)規(guī)范要求的4%限值；膨脹率為0.028%，收縮率為0.015%，膨脹率略大于收縮率，且收縮率小于0.016%的限值；3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別為55.6、61.0和65.9 MPa，分別達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度55 MPa的101.1%、110.9%和119.8%。

表1 C55微膨脹混凝土施工配比及性能

2.2 灌注壓力

鋼管混凝土灌注采用泵送頂升法施工。拱腳距拱頂水平距離取80 m，垂直距離取32 m，布置在橋面上進(jìn)入拱腳前的泵管加上彎管總長取20 m；將垂直管換算為水平管，查閱相關(guān)資料，φ125 mm的長1 m垂直管等于長4 m水平管，則頂升灌注換算水平長度為144 m，可得：混凝土在管道內(nèi)流動(dòng)的沿程壓力損失P1+混凝土經(jīng)過彎管、錐管和法蘭盤的壓力損失P2＝4.2 MPa，混凝土經(jīng)過彎管和管節(jié)接頭的壓力損失P3＝1.5 MPa，因此，混凝土泵送所需的壓力P＝6.7 MPa。施工過程中采用HBT90型高壓混凝土輸送泵進(jìn)行泵送施工，出口壓力達(dá)13 MPa。

2.3 灌注順序

本工程鋼管混凝土結(jié)構(gòu)為啞鈴形，按照對稱施工原則，可以分為2種灌注施工順序。第一種為先進(jìn)行上圓管混凝土灌注，再進(jìn)行下圓管混凝土灌注；第二種為先進(jìn)行下圓管混凝土灌注，再進(jìn)行上圓管混凝土灌注[11]。采用Ansys數(shù)值軟件對2種灌注施工工序下的鋼管和混凝土進(jìn)行應(yīng)力和撓度的模擬分析，建立如圖2所示的分析模型。模型分析結(jié)果如表2所示。

圖2 有限元分析模型

表2 模型分析結(jié)果

從表2中的數(shù)據(jù)可以看到：采用“先上后下”澆筑施工順序時(shí)，鋼管頂拱、拱腳的應(yīng)力分別為59.5 MPa和81.2 MPa，核心混凝土的頂拱和拱腳處的最大應(yīng)力分別為11.8 MPa和13.2 MPa，跨中撓度為4 cm；當(dāng)采用“先下后上”的澆筑施工順序時(shí)，鋼管頂拱、拱腳的應(yīng)力分別為61.2 MPa和89.3 MPa，核心混凝土的頂拱和拱腳處的最大應(yīng)力分別為12.3 MPa和14.0 MPa，跨中撓度為4.2 cm。

從分析結(jié)果對比來講，混凝土灌注順序?qū)︿摴芄澳_處應(yīng)力的影響較大，2種不同的灌注順序所得到的結(jié)果相差達(dá)到10%，其他部位的相差則相對較小，但總體而言，“先下后上”澆筑方案的應(yīng)力和撓度均大于“先上后下”的應(yīng)力和擾度，表明“先上后下”的澆筑順序?qū)Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更有利。

因此，在工程施工時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用“先上弦管，再下弦管，最后腹板”的灌注施工順序（圖3）。

圖3 混凝土灌注順序示意

2.4 灌注過程分析

本工程采用泵送頂升法進(jìn)行C55微膨脹混凝土的灌注施工，其在灌注過程中需要注意的關(guān)鍵事項(xiàng)為：

1）泵送施工前，需預(yù)先壓入1 m3左右的清水以濕潤鋼管內(nèi)壁，同時(shí)清洗掉管內(nèi)的雜物，然后再往其中壓入約1 m3的水泥凈漿作為先導(dǎo)，最后再向鋼管內(nèi)灌注C55膨脹混凝土。

2）上下兩邊鋼管應(yīng)該保持勻速對稱灌注，且兩端的混凝土面高度差必須控制在3 m范圍之內(nèi)。

3）為了避免空氣注入鋼管內(nèi)造成混凝土空洞，泵送集料斗中的混凝土量必須超過有效體積的2/3，同時(shí)盡量避免中途停頓。

4）灌注過程中應(yīng)敲擊辨別管內(nèi)混凝土是否飽滿，若發(fā)現(xiàn)里面存在空隙，則應(yīng)及時(shí)通過加振方法或者壓漿方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；當(dāng)上一環(huán)混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%以上后，方可進(jìn)行下一環(huán)施工。

5）灌注結(jié)束后，應(yīng)保壓10 min，待出漿孔排出質(zhì)量合格的混凝土后，方可關(guān)閉止回閥。

6）采用超聲波對灌注情況進(jìn)行檢測評價(jià)，不合格處應(yīng)再次壓漿灌實(shí)。

2.5 灌注效果評價(jià)

以某一斷面為例，隨機(jī)選取10個(gè)測點(diǎn)對混凝土灌注效果進(jìn)行超聲波檢測，檢測結(jié)果如表3所示。從表3中數(shù)據(jù)可以看到：鋼管拱不同測點(diǎn)處的聲學(xué)參數(shù)值均表現(xiàn)出良好的一致性，聲速、幅度和頻率值相差不大，表明該區(qū)域鋼管內(nèi)混凝土沒有明顯的缺陷，混凝土灌注填充密實(shí)。計(jì)算表明，所有斷面的混凝土密實(shí)度均大于96%，滿足設(shè)計(jì)相關(guān)要求。可見，本工程鋼管拱內(nèi)混凝土灌注效果良好。

表3 超聲波檢測數(shù)據(jù)（部分）

3 結(jié)語

1）根據(jù)理論計(jì)算和室內(nèi)試驗(yàn)調(diào)配，得到了本工程鋼管拱內(nèi)C55微膨脹混凝土的最佳施工配比，并通過計(jì)算獲得了泵送所需的壓力。

2）通過對“先上后下”和“先下后上”2種灌注順序的模擬分析，確認(rèn)了采用“先上弦管，再下弦管，最后腹板”的灌注施工順序更有利于鋼管拱的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3）采用泵送頂升法對C55混凝土進(jìn)行灌注，并對施工過程中的重點(diǎn)注意事項(xiàng)進(jìn)行了闡述，可為類似工程的施工提供借鑒。

4）工后超聲檢測結(jié)果表明：鋼管內(nèi)混凝土沒有明顯的缺陷，平均密實(shí)度均大于96%，混凝土灌注效果良好。