超高層混凝土泵送施工工藝

陳柏宏 田偉 魏建勛 鄂巍巍 鄒仙德

中國建筑第八工程局有限公司，中國·遼寧 大連 116023

1 引言

早在2004—2010年，迪拜哈利法塔施工過程中，混凝土就曾被成功泵送至位于160 層的611m 高處。近年來，隨著超高層建筑施工經驗技術的發展，300m 以上的超高層建筑越來越多，混凝土超高泵送技術漸趨成熟。但實際施工過程中，仍面臨配合比設計優化、現場施工堵泵風險等問題需解決。在泵送壓力損失估算與泵送機械設備選型中，現有規范對于高性能混凝土，尤其是以擴展度表征其流動性能的混凝土，其壓力損失計算仍以坍落度為計算參數。隨著高強高性能混凝土配合比設計經驗不斷豐富，現有泵送壓力損失計算公式有待完善。泵送施工過程中，項目層級的改進措施有許多，論文將簡要闡述超高層泵送施工技術，為超高層泵送施工策劃提供一些經濟合理的施工建議。

2 工程設計概況

埃及新首都CBD 標志塔項目，工程建筑高度385.800m，地下2 層，地上78 層。主體結構類型為鋼管混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒結構。核心筒剪力墻BS 層－L04 層砼標號為C80，L05 層以上剪力墻砼標號為C60；梁、混凝土樓板、壓型鋼板組合樓板與筏板基礎混凝土標號為C45；鋼管混凝土圓柱混凝土標號為下部C80，上部C60。

3 混凝土配合比設計與優化

3.1 混凝土組成成分與基本要求

混凝土主要由水泥漿和骨料組成，骨料的主要組成：

粗骨料：天然砂，人工砂。

細骨料：普通骨料（碎石、卵石）石子最大粒徑限值參照GB50204 混凝土結構工程施工質量驗收規范要求。混凝土配合比設計與優化要求合理的石子的顆粒級配，比表面積與孔隙率的平衡。具體見圖1。

圖1 規范中對粗細骨料的材料要求

3.2 混凝土配合比設計難點與監管重點

高強高性能混凝土配合比設計的難點和挑戰主要有以下幾點：

①各地區摻合料質量，性能差別大；

②現行規范不能直觀判斷膠凝材料對需水量，外加劑的適應性；

③區域不同，混凝土配合比沒有可復制性；

④材料選擇因地制宜；

⑤對于大體積混凝土，高性能配合比設計方案尚需考慮當地攪拌站粉體材料的儲備能力，選擇與攪拌站儲備能力相適應的配合比方案；

⑥通過綜合篩選，選擇質量穩定、經濟效益最高的配合比用于施工。

4 泵車選型和管線布置

4.1 泵車選型

①泵車選用三一重工HBT90CH-2135D 拖泵。

②理論最大出口壓力分別達到35MPa（一般儲備30～40%壓力余量）。

③最大理論泵送排量為100m3/h。

④理論泵送壓力為35MPa。

⑤柴油機功率為546kW。

⑥理論最大水平泵送距離為3991m。

⑦理論垂直泵送高度為835m。

4.2 耐高壓輸送管道

①使用內徑150mm、壁厚12mm 的輸送管道以及125mm、壁厚9mm 的輸送管道兩種（壁厚較普通高壓管加厚4mm）。

②鋼材45Mn，高頻淬火處理，保障管道的抗爆能力，壽命比普通泵管提高2～3 倍。

③泵管連接處采用O 形密封圈密封，以保證高壓水洗的密封性。

4.3 液壓混凝土布料機

根據核心筒截面尺寸及布料機布設位置，本工程擬采用兩臺三一重工品牌HGY18 Ⅱ移動式布料機，直接固定在智能整體頂升平臺上，與爬模同步頂升。

4.4 爬升式布料機支撐平臺

根據爬模機位空間位置及布料機工作荷載，按簡支條件設計制作鋼平臺，鋼平臺主梁與爬模頂部接觸部位做成橡膠隔震支座。吊裝鋼平臺落位于爬架頂部后，進行布料機吊裝，布料機四腳通過螺栓與焊接在鋼平臺上的柱腳底板相連。

為增加安全系數，對承載布料機的爬架立柱進行適當加固。爬升過程中，兩片架體同步爬升，盡量保證平臺的穩定性。

待鋼平臺就位后，根據平臺重心位置，放線定出四塊布料機柱腳底板的位置。起吊前，布料機四腳和底板螺栓孔眼對上，緊固螺栓。按照放線位置吊裝落位后，校驗調平，最后對柱腳底板和花紋鋼板的接觸部位施以滿焊。

4.5 泵送管線布置

底層管線布置：底層布置水平泵送管線，水平管線長度應為泵送高度的1/5～1/4，另在泵車旁設置沉淀池，清水池用于洗泵余料回收，見圖2。

圖2 標志塔項目混凝土泵送底層平面布置圖

在混凝土泵機出料口設置一道截止閥，用于防止拖泵停機時混凝土回流，以及洗泵后泵管清洗的廢水殘渣清理及回收；在首層地面水平管和垂直管的彎管處設置一道截止閥，用于拖泵長時間停機時防止立管內的混凝土回流[1]。

地面水平管的長度不宜小于垂直泵送高度的1/5，因現場因素所限，可增加若干90°彎管來拆算水平長度，彎管個數不宜過多，控制在3～5 個；在地面管道需安裝截止閥。垂直管道應在樓層設置1 道彎管，減緩混凝土自重對管道的沖擊，轉換層設置在L50 塔樓收截面處。布置在電梯井。

5 混凝土泵送工藝

5.1 超高層泵送壓力變化與研究

作為中建技術研發課題項目，項目在混凝土泵送過程中進行了壓力監測，并將所得數據用以分析泵送過程壓力變化規律。

與常規混凝土相比，高強高性能混凝土單位體積水泥用量多，用水量少，粘度大；泵送輸出壓力較高，對于超高層建筑，混凝土泵的輸出壓力一般在15Mpa 以上，超高壓泵管的使用較多，堵泵風險大，泵送操作過程把控非常重要。

超高層泵送壓力損失計算各項參數：現行JGJ-T10—2011《混凝土泵送施工技術規程》對于泵送沿程壓力損失的計算公式仍使用坍落度計算，對于高性能混凝土在超高層泵送中的工作性能，泵送時的壓力損失等缺乏系統性研究。高性能混凝土超高泵送沿程壓力損失的影響因素和相應計算方法尤為重要。中聯重科和三一重工經過大量的經驗積累，各自形成了一定的經驗計算方法，其中中聯重科經驗計算方法，水平管壓力損失按經驗取為0.017～0.021MPa/m，三一重工經驗計算方法每米水平管壓力損失ΔPl=0.02MPa/m，每米垂直管的壓力損失為ΔP2=0.045MPa/m[2]。上述廠家經驗公式實踐性較強，但缺乏理論依據，且經驗公式對其特定泵送設備與管線的依賴性較強。

5.2 泵送系統清洗及余料處理技術

5.2.1 海綿塞水洗方式

①混凝土泵送完畢后，關閉輸送管路液壓截止閥。

②拆水平管靠近泵機的彎管或泵機出料口后端的直管。

③向管道中塞入海綿塞并接好管路。

④向料斗內加入凈水池內的水，并正泵操作，保證料斗內有足夠的清水供應，直至輸送管末端出現含水量較多的混凝土。

⑤將輸送管末端移至預先準備好的廢料斗內，繼續泵送，將海綿塞泵出后，繼續泵送直至輸送管末端出現清水。

⑥采用反泵操作將水抽回料斗或關閉截止閥，拆管，將管路中的水放出流回沉淀池，完成管路的清洗。

5.2.2 砂漿隔離水洗方式

①混凝土泵送完畢后，直接泵送1～2m3砂漿（視樓層高度而定）。

②緊接著采用潛水泵將凈水池中的水抽向泵機料斗，進行正泵操作。

③當頂樓出現砂漿、混凝土及水混合物時，將泵管末端接入樓頂的廢料斗中，并繼續泵送直至出現水流。

④停止泵送，并打開泵機料斗卸料門，進行反泵操作，將輸送管道內的水放出并流回沉淀池，直至管道內水放干凈；或者關閉截止閥，拆管后將管道內的水放回沉淀池。

⑤關閉泵機卸料門并繼續用潛水泵將水抽入料斗，進行正泵操作，再次清洗、停泵、開卸料門反泵，如此反復2～3 次，直至管道清洗干凈。

除以上方法外，以往工程施工經驗中還有牛皮紙、砂漿隔離水洗，水氣聯洗等洗泵方法，施工中應結合項目實際選擇最為經濟合理的洗泵方式。

5.2.3 余料處理技術

①在拖泵旁設置沉淀池和凈水池。

②洗泵用水經沉淀池沉淀后，使用水泵將水存儲于清水儲存池，做水洗及冷卻循環水使用。

③沉淀池和清水池中設置潛水泵，清水池中潛水泵設置的數量及功率與洗泵過程中的用水速率相匹配。

關于混凝土超過泵送余料處理的建議：

①混凝土泵送時，嚴格控制現場混凝土用量。泵管內的混凝土量與現場實際所用混凝土量做對比，當澆筑部位所需的混凝土略小于甭管內混凝土量時停止澆筑混凝土，盡量減少泵送余料和廢水的產生；

②當現場條件允許時，可以可考慮設置多個沉淀池。

當泵送高度增高，受現場條件限制泵送管線長度增加，線路增多，產生廢料增加時，可以通過設置砂石分離機，將混凝土余料分離成砂，石和水泥漿；砂、石分離出裝入容器用于其他工序施工，水泥漿通過管道流入沉淀池，經過多級沉淀池沉淀后通過水泵抽至清水儲存池，用于泵送系統清洗重復使用，更大效率地實現余料回收和綠色施工[3]。

5.3 超高層泵送防堵管措施

5.3.1 堵泵發生原因分析

一方面，操作人員操作不當，如放入混凝土材料的時候要實時觀察，余料不能低于攪拌軸，而且余料不能太少，否則容易發生堵管。另一方面，地泵停止作業的時間過長，也會發生堵管，操作人員在進行施工的時候要結合實際的施工環境進行作業。混凝土在攪拌過程中如果加入的水過多，會出現離析現象，混凝土中的石頭、沙礫容易集結在一起，造成堵管。

泵送設備的原因：在泵管和管鏈連接的地方，因為長時間的使用會出現封閉膠圈損壞或者是螺栓松動的現象，接頭的部位沒有密封好，會影響混凝土在管內的流動性，混凝土材料中的顆粒會集結到一起，并且泵送的壓力太小，從而造成堵管。一些泵送設備在對混凝土進行泵送的時候難以避免地會出現泄露現象，這會導致混凝土的質量下降，還會使泵送的壓力降低和坍落度減小，容易造成堵管。施工單位在進行施工之前要對施工現場進行考察，對泵管的布置進行設計，盡量減少彎管的數量。此外，應對水平管的長度進行有效的控制，水平管過長過短都會對施工造成一定的阻礙，形成堵管。

5.3.2 一些防堵管的具體措施

提高混凝土質量，在保證強度的基礎上盡可能降低粘度；控制用水量和原材溫度，提高砼質量。

科學合理的處置措施：堵管的時候，施工人員要結合實際的情況，采取合適的方法。施工人員在檢查堵塞部位的時候可以對輸送管進行排查，當發現堵塞部位的時候可以使用木槌進行敲擊，將混凝土擊松然后在進行正泵反泵，堵管現象得到解決。如果還不能解決堵管，就應該在混凝土卸壓后，對堵管發生的部位進行拆除，對管內的混凝土進行清理后接上方可使用。

合理運用洗泵方法做好洗泵和管線清理工作。

定期排查管線接頭密封和固定，泵送混凝土施工之前做好安全技術交底，對操作人員進行崗前考核。

6 結語

隨著超高層建筑施工技術的發展，更多新材料、新工藝、新設備將被應用于超高層混凝土泵送施工。有效控制混凝土配合比，增加其泵送性能，順利、穩定地完成泵送是保證超高層工程施工質量的前提。不斷發現問題、解決問題的過程，就是建筑施工技術發展創新的過程。相信隨著經驗的積累，未來的施工將向著更高、更快、更好的方向不斷發展。