拉林鐵路鋼管拱橋管內混凝土頂升技術研究

龔 虹

（中鐵廣州工程局集團有限公司，廣東 廣州 511400）

1 工程概況

拉林鐵路藏木雅魯藏布江雙線特大橋位于西藏自治區加查縣藏木水電站上游1.2km處，橋位海拔3350m，全橋孔跨布置為（39+32）m連續梁+384m主跨現澆梁+（28+34）m連續梁。藏木雅魯藏布江雙線特大橋設計行車速度160km/h，單向行駛，設計使用壽命100a。大橋位于桑加峽谷內，最大風力可達12級，晝夜溫差大。

大橋采用中承式鋼管混凝土拱，主跨430m，矢高112m，矢跨比為1∶3.84。主拱采用懸鏈線方程形式，拱軸系數2.1、內傾角為4.6091°的提籃拱結構，主弦管采用變管徑設計，拱腳鋼管直徑1.8m，其余鋼管直徑1.6m，中間設2m過渡段。拱肋采用四肢桁式截面，左右鋼管橫橋向中心距均為3m，每隔8m設置直徑1.1m的平聯桿進行連接，上下鋼管通過H型或箱型桿件和整體節點板栓接對拼連接。鋼管節段之間采用內法蘭連接，管內設計在對應上下鋼管連接桿件位置布置了6排剪力釘。鋼管拱內混凝土為C60自密實補償收縮混凝土，單根主鋼管最大設計混凝土頂升量為1022m。

2 關鍵技術

鋼管拱拱內混凝土頂升的首要任務是選用合格的原材料，配制滿足設計要求的高性能混凝土。其次是優化施工工藝，配備適合高原氣候特點的工裝設備，確保施工過程順利。1）進行鋼管拱足尺寸模型頂升試驗，驗證混凝土在高原地區的性能變化，研究拱內混凝土頂升參數和泵管布置，掌握高原鋼管內混凝土強度形成和溫度場變化規律，優化施工組織管理，為拱內混凝土正式頂升提拱理論依據。2）自密實、無收縮高性能混凝土制備及核心性能指標控制檢測技術。綜合分析鋼管拱橋橋型特點、連續泵送頂升施工工藝、現場施工條件和環境氣候條件等多方面的信息，研究自密實補償收縮混凝土拌和物工作性、體積穩定性與鋼管內充填密實性的關系。3）采用新型氧化鎂復合膨脹劑，配置適合于高原地區環境下的施工時間長、晝夜溫差大等不利工況下補償收縮性能穩定的C60管內混凝土。4）根據輸入泵管設置位置的拱肋上弧度變化，采用進入角度變化的專用輸灰泵管，泵管尾部伸到拱肋中心且帶有斜向上彎管，大大減少混凝土泵送阻力。5）采用“九級接力、十段泵送、抽真空對稱頂升技術”進行兩岸拱肋混凝土灌注，接力換管采用泵車潤管劑加快施工速度。6）針對高原地區機械降效嚴重的情況，采用超高壓地泵泵送拱內混凝土，電腦監控泵壓變化，自行動態調整泵機泵送檔位，防止堵管。

3 主要設計參數及工程量統計

鋼管拱主弦管管徑為1.6m~1.8m，中間設2m過渡段，鋼管混凝土為C60自密實補償收縮混凝土，填充在左右幅8根主弦管和下弦拱肋吊桿平聯桿中，頂升高度約110m，單根主鋼管最大設計混凝土頂升量為1022m。管內混凝土工程量見表1。

表1 鋼管內混凝土工程量表

4 鋼管拱管內混凝土概況

在泵送鋼管內混凝土泵送過程中，須遵循“縱橋向兩岸對稱、橫橋向上下游均衡”的原則。具體施工要點如下。1）根據類似鋼管拱和本橋試驗拱施工經驗，鋼管內混凝土采用超高壓泵進行泵送，縱橋向單岸采用“九級接力十段泵送”的方式進行灌注。2）在設計鋼管拱管內混凝土配合比思路時，重點關注以下性能：①自密實性。②補償收縮性能。③良好工作性能。④硬化后體積穩定性。3）在配置C60鋼管拱內混凝土時，采用新型氧化鎂復合膨脹劑。由于鋼管拱內混凝土強度等級達C60，存在管內混凝土脫黏脫空風險。而鎂類膨脹劑因具有膨脹歷程較長、溫度敏感性較低、通過調整煅燒溫度實現活性可控等優點，因此可有效解決管內混凝土收縮問題。4）C60管內混凝土選用高穩健性聚羧酸減水劑，從減水、降黏、保坍方面提升管內自密實混凝土工作性能的穩定性。混凝土配合比及其主要性能指標見表2、見表3。

表2 管內自密實、無收縮混凝土配合比

表3 管內自密實、無收縮混凝土主要性能控制指標

5 管內混凝土頂升試驗

混凝土與鋼管拱管壁是否緊密結合是施工質量關鍵所在。為了使試驗數據更具代表性，我們選取頂升最容易發生脫黏脫空的拱頂至邊跨75m段作為鋼管拱混凝土頂升試驗段，試驗段線形與實橋線形相同，直徑采用實橋最小直徑φ1600mm，壁厚16mm，各節段鋼管對接處設置法蘭。適當增加試驗拱內法蘭數量（實橋4個，試驗拱9個）和內加勁環板。試驗拱鋼管節段間內法蘭布置如圖1所示：1）為評估管內混凝土在實橋施工條件下的泵送性能，研究管內混凝土在泵送過程中的泵壓沿程損失情況，采取加長泵管水平段長度的方式來模擬實橋遠距離傾斜向上的工況。根據JGJT10—2011《混凝土泵送技術規程》給出了向上管與水平直管換算關系，對直徑125mm的泵管水平換算垂直長度比為4∶1。因此泵管水平設置550m長。2）為了模擬實橋頂升工況，分兩級泵送，檢驗拆裝泵管效率。3）采用輔助真空技術。待混凝土邊界面距離一級泵管2m高的位置，啟動真空系統，泵機暫停，真空度達到-0.04MPa~-0.05MPa時，繼續泵送混凝土。4）頂升完成。當二級管內混凝土泵送至拱頂，拱頂出漿管開始出漿時，暫停泵機，拆除真空系統與主弦管的連接，真空系統退出工作，然后繼續泵送混凝土，拱頂浮漿不斷排出，直至出現正?；炷?。完成試驗拱混凝土頂升如圖2所示。

圖1 試驗拱鋼管節段間內法蘭布置圖（單位：mm）

圖2 試驗拱混凝土頂升完成示意圖

6 試驗拱頂升混凝土參數研究

試驗段頂升混凝土研究參數主要包括實測頂升阻力系數及硬化后的各項綜合指標。

6.1 管內阻力系數研究

試驗鋼管拱和泵管上各布置3個壓力傳感器，實時、連續采集參數，結合鋼管壁對管內混凝土流動的摩擦系數等參數，不僅可以測試并計算鋼管壁對管內混凝土流動的黏著阻力，還可以監測、評估內環板、內法蘭、鉚釘等阻礙對混凝土流動阻力的影響。

6.2 檢測管內混凝土密實度

分別在3d、7d、28d和90d齡期，通過“人工敲擊+超聲波”相結合的方式來檢測管內混凝土的填充密實度。

6.3 管內混凝土強度指標檢驗

采用2個直徑1.6m鋼管內混凝土柱用于強度發展試驗測試，施工和養護方法與實橋一致，再根據3d、7d、28d和90d齡期鉆芯取樣，進行強度測試。

6.4 鋼管內混凝土溫度、應變歷程監測

根據以往施工經驗，拱內混凝土溫度會在頂升完成約12h后迅速上升，3d后水化熱大部分釋放完成，溫度逐步下降。從頂升完成后即開始實時記錄溫度變化情況，每隔30min記錄一次，同步測量外界大氣溫度。

7 鋼管管內混凝土的施工準備

7.1 原材料準備

本著就地取材、擇優選用的原則，經過反復比選，選用以下材料：1）水泥。甘肅恒亞水泥有限公司P.O52.5。2）砂子。加查縣民發砂石廠，級配良好、質地堅硬的中粗砂，砂子的含泥量不超過2%。3）碎石。加查縣采石廠，5mm~20mm碎石，壓碎指標應小于12%，針片狀小于5%。4）粉煤灰。寧夏錦鑫環?？萍加邢薰綟類I級粉煤灰。5）礦渣粉。甘肅立之林建材有限公司S95礦渣粉。6）膨脹劑。江蘇蘇博特HME@-Ⅱ復合膨脹劑。7）外加劑。江蘇蘇博特PCA-Ⅰ緩凝高效減水劑。

7.2 機械設備準備

機械設備準備包括以下3點：1）攪拌站。3套拌和站（兩套HZS120自建，一套HZS90租用）。2）輸送泵。兩岸各采用2臺高壓輸送泵，其理論混凝土輸送壓力為28MPa以上，理論混凝土最大輸送量為105m/h，最大輸送距離1200m，最大輸送高度260m。布置于兩岸拱腳處。3）拌合站設可加熱的備用儲水池，以備低溫時使用。

8 鋼管拱管內混凝土施工方法及拱肋鋼管內混凝土灌注順序圖

8.1 鋼管拱管內混凝土施工方法

按照設計要求，結合試驗拱的試驗情況，采取以下步驟進行現場灌注：1）根據設計要求，按照“下弦內管→上弦內管→下弦外管→上弦外管→探傷檢查→壓漿→驗收”的順序就進行頂升施工。2）根據頂升試驗，在高原低壓環境下，每次換管控制在2h內以確?；炷梁鸵仔?，分段以不超過25m為宜，因此采用九級接力分十段抽真空對稱頂升灌注，并遵循縱橋向兩岸基本對稱、橫橋向上下游均衡的原則。拱肋鋼管內混凝土灌注順序圖如圖3所示。3）運輸混凝土至現場后，對每車的混凝土擴展度、坍落度、含氣量等工作性能均應進行檢測，滿足相關要求后方可泵送。4）針對高原地區機械降效嚴重，采用超高壓地泵泵送拱內混凝土，自行動態調整泵機泵送檔位，以確保泵送壓力線型穩定增長，防止堵管。5）為防止泵管堵塞和爆裂，現場配備一套同規格的泵管備用。

圖3 拱肋鋼管內混凝土灌注順序圖

8.2 鋼管內混凝土密實性檢測及監測監控

鋼管拱拱內混凝土頂升前應測量拱肋線形原始數據，每根鋼管拱頂升完成后及時進行線形偏位數據測量，用以指導后續施工。灌注后的3d、7d、28d和90d齡期檢查混凝土填充密實情況。1）在規定齡期，采用人工敲擊檢查的方法從拱腳到拱頂進行檢查，當敲擊結果異常時，應加大檢測密度，確定超聲波檢測范圍。2）通過超聲波檢測，準確評價混凝土填充效果，定性判別內部裂縫、空洞及脫空等缺陷。經檢測，管內混凝土合格率均大于98%，滿足規范和設計要求。3）鋼管拱進行頂升前，測量拱肋線型數據，每根鋼管拱頂升后，及時進行線型偏位數據測量，并與監控理論數據對比，以指導后續施工。4）拱肋線形監測采用全站儀配合單棱鏡進行。采用單棱鏡在拱肋上弦管頂部1/4跨徑、跨中及3/4跨徑位置設置測點，采用全站儀跟蹤監測拱肋混凝土灌注施工過程的位移變化。5）拱肋共設置5個應力監測截面，分別位于拱腳、1/4跨徑及跨中，單截面設置8個應力測點，拱肋共設置應力測點40個，配套投入5套8通道應力自動采集設備。拱肋應力監測截面分布如圖4所示。

圖4 拱肋應力監測截面分布圖

上述5個應力監測截面布設溫度應力傳感器，測點布置在法蘭盤連接處附近，鋼管內壁焊接扣環，鋼絲繩裝在對稱的扣環上，沿鋼絲繩布置溫度傳感器。截面選擇拱肋溫度測點布置如圖5所示。控制截面應力傳感器布設圖如圖6所示。

圖5 截面選擇拱肋溫度測點布置圖

圖6 控制截面應力傳感器布設圖

9 結語

藏木雅魯藏布江雙線特大橋采用高原鋼管拱肋大直徑管內高強度混凝土頂升技術，2019年5月開始鋼管拱管內混凝土頂升，于2019年7月26日順利完成8根管頂升作業。高原鋼管拱肋大直徑管內高強度混凝土頂升技術解決了大管徑大方量一次頂升難度大、高原環境溫差大施工場地狹小等問題，實現了8根拱肋管內混凝土一次性頂升成功。該技術不但實現了高原河谷地區鋼管拱橋首次管內混凝土頂升，同時提高了施工質量和速度，創造了良好的經濟及社會效益，為高原同類拱橋的施工提供了可借鑒的范本，具有廣闊的推廣前景。