大跨度拱橋勁性骨架管內壓注及拱圈外包混凝土施工技術

魏焱波,王海峰

(中鐵上海工程局集團建筑工程有限公司,上海 201906)

1 工程概況

鄭萬高鐵奉節梅溪河雙線特大橋位于長江支流梅溪河河口上游1.5km處,梅溪河呈U形河谷地貌,兩岸邊坡陡峭,施工條件復雜。橋梁全長687.8m,主橋為勁性骨架鋼筋混凝土上承式提籃拱橋,拱跨340m,矢高74.000m,一孔跨越梅溪河,無鉸拱結構,是目前設計速度350km/h中跨度最大的高速鐵路無砟軌道上承式提籃拱橋。

拱圈設計為變寬變高的鋼桁拱肋勁性骨架,主要由8根主弦管及連接系組成,主弦管為φ750×24,上、下弦各4根,管內壓注C60自密實無收縮混凝土,拱圈外包C55補償收縮混凝土,拱上設有11根墩柱、3根連續梁。拱軸立面為懸鏈線,豎面整體內傾3.48°,形成拱腳分叉的X形結構;拱圈平面呈提籃形布置,分成拱腳分叉段和拱頂合并段。分叉段由兩肢單箱單室組成,單肢拱箱寬5m;拱頂合并為單箱三室截面,拱箱寬14～12m。拱腳處軸線中心距16m,拱頂軸線中心距7m,斷面高度按1.5次拋物線變化,上、下弦管中心高度從拱腳10m過渡到拱頂5m,拱箱截面外緣高度由拱腳11m變化至拱頂6m。

單根下弦管長382.9m,壓注混凝土148.2m3;單根上弦管長394.9m,壓注混凝土152.8m3;8道橫梁鋼管需壓注混凝土44.2m3,全橋共計壓注混凝土約1 250m3。兩岸拱腳實體段長7m,主拱圈外包箱室頂板厚80～120cm,底板厚80～140cm,腹板厚70～100cm,橫梁區域的頂、底、腹板厚度均為80cm,外包混凝土總計約18 000m3。

2 總體施工工序

鋼拱肋骨架采用纜索吊裝、斜拉扣掛法施工,除拱腳預埋段及拱頂合龍段外,鋼拱肋共計32個節段,半跨拱肋劃分為16個節段,對應設置16組扣錨索(見圖1)。待鋼拱肋合龍后采用全部扣索(K1～K16)輔助壓注管內混凝土,壓注完成后分級拆除扣索K9～K1及對應錨索,之后利用扣索K10～K16輔助澆筑拱腳實體段。待拱腳實體段混凝土強度達到設計值的95%、彈性模量達到設計值的100%后,分級拆除剩余扣索K16～K10及對應錨索,按縱向分段、橫向分環的方式進行拱圈外包混凝土施工。

圖1 半跨拱肋扣索布置立面(單位:m)

2.1 管內壓注順序

拱肋主弦管及橫梁鋼管內采用C60自密實無收縮混凝土壓注填充,在鋼拱肋合龍后,按照先下弦、后上弦、先內側、后外側的順序,由拱腳向拱頂分5次連續壓注管內混凝土,每次壓注均應連續進行,兩岸對稱施工,上、下游拱肋同時段先后壓注,單次壓注施工在初凝前完成。具體壓注順序如圖2所示。①第1次壓注 上游下弦內側弦管→下游下弦內側弦管;②第2次壓注 上游下弦外側弦管→下游下弦外側弦管;③第3次壓注 上游上弦內側弦管→下游上弦內側弦管;④第4次壓注 上游上弦外側弦管→下游上弦外側弦管;⑤第5次壓注 兩岸依次對稱壓注節段3,6,9,12橫梁鋼管內混凝土。

圖2 壓注施工順序

2.2 拱圈外包順序

2.2.1施工節段劃分

除拱腳實體段采用原位支架法澆筑外,主拱圈按照縱向分段、橫向分環的方式組織施工,如圖3～5所示。綜合考慮拱圈外包混凝土施工各階段骨架結構受力、線形變化趨勢、施工資源投入等因素,縱向半跨分兩個作業面,每個工作面劃分3個施工節段,全橋共分為4個作業面、12個施工節段,橫向分底板、腹板、頂板3道工序(3環)依次完成拱圈澆筑。

圖3 拱圈外包施工節段劃分示意(半跨)

圖4 橫向分環

圖5 縱向分段

2.2.2分環分段外包順序

兩岸4個工作面對稱施工,首先施工底板外包混凝土,即首先澆筑第1循環第1,4節段底板外包混凝土;待第1循環底板混凝土強度達到設計值的95%、彈性模量達到設計值100%后,開始澆筑第2循環第2,5節段底板;待第2循環底板混凝土強度達到設計值的95%、彈性模量達到設計值的100%后,開始澆筑第3循環第3,6節段底板,實現底板合龍。分叉段橫梁底板與相應節段的混凝土同時澆筑。然后按上述順序施工腹板,待腹板外包合龍后按同樣順序施工頂板。

3 管內壓注施工

3.1 配合比試配

主弦管內徑為702mm,一次壓注高度74m,長度約190m,壓注施工對混凝土性能要求高。按照入泵初始擴展度≥650mm,5h擴展度≥550mm,初凝時間15h,7d齡期強度≥95%,56d齡期強度達到設計值等指標,分單摻粉煤灰、單摻復合摻合料、雙摻粉煤灰+復合摻合料3種方式進行理論配合比設計及試配驗證,最終確定采用雙摻粉煤灰+復合摻合料、水膠比為0.28的配合比方案,能較好地保證混凝土強度,滿足各項性能要求。

3.2 壓注工藝試驗

壓注工藝試驗在J1拱座承臺至引橋0號臺之間開展,泵管自拱座沿邊坡、1號墩上橋,然后引至0號橋臺頂面,與試驗鋼管連接,上下高差約80m,如圖6所示,泵管換算長度及壓注高度能達到模擬實際施工工況的效果。試驗采用長6m的φ630×10鋼管,兩端采用鋼板封堵,鋼管與水平面成45°傾斜擺放,以模擬拱腳處的傾角。在試驗鋼管中間設置壓注口,模擬實際施工時拱腳處壓注工況,在鋼管上端焊接出漿管,鋼管上、下端頂面各開設寬30cm狹縫作為觀察槽,切開的鋼管管壁通過碼板臨時固定在鋼管上,以便后期觀察混凝土密實度。

圖6 壓注工藝試驗

試驗得到:坍落擴展度680mm,初凝時間15.3h,終凝時間20h,4d強度50.4MPa,7d強度57.2MPa,28d強度68.6MPa,均滿足設計及施工性能要求。一定齡期后,通過觀察槽檢查發現鋼管內混凝土成型質量良好,無離析、空洞、骨料堆積等現象,采用超聲波檢測混凝土密實度良好。

3.3 壓注施工

3.3.1壓注孔、排漿孔及排氣孔設置

在拱頂處采用內置隔倉板將主弦管隔開,隔倉板兩側各設置1個排漿孔(排漿管),半跨拱肋布置1個壓注孔和3個備用壓注孔,壓注孔布置于拱腳,備用壓注孔分別設置在半跨拱肋的1/4,1/2及3/4處,在相鄰壓注孔、備用壓注孔、排漿孔之間設置排氣孔,如圖7所示。壓注孔和備用壓注孔處斜向設置連接管與泵管連接,連接管與主弦管軸線成45°夾角布置。排漿孔處安裝泵管,其頂部連接彎管或軟管,便于接入儲漿罐。排氣孔處焊接φ42×2鍍鋅鋼管,安裝球閥,并保持閥門處于關閉狀態,如圖8所示。設置備用壓注孔和排氣孔主要用來預防突發情況,一旦真空系統出現故障,可快速切換至常規頂升壓注狀態,繼續完成管內壓注施工。

圖7 拱頂排漿管安裝

圖8 壓注孔處連接管安裝

3.3.2真空輔助系統安裝

在拱頂配備兩套真空輔助系統(見圖9),主要由儲漿罐、真空泵、水箱及相關管道組成,在儲漿罐與拱頂排漿管之間采用泵管連通,真空泵通過吸氣管連接儲漿罐,儲漿罐進漿孔(排漿管)須低于吸氣管管口,避免水泥漿吸入真空泵造成設備損壞。儲漿罐設置玻璃視鏡,用于觀察罐內漿體高度;在罐底設置出漿管及閥門,抽真空時關閉閥門,防止進氣;在真空泵與罐體之間設置球閥及真空檢測表;設置水箱用于真空泵冷卻水循環。真空輔助系統組裝完成后進行抽真空試驗,檢查潛在漏氣部位,及時封堵,確保真空度達到要求。

圖9 真空輔助系統

3.3.3管內壓注施工

自拱腳至拱頂布置兩條通長泵管作為備用(可用于后續拱圈外包施工),并在換接位置備有足量的備用換接泵管及連接件。每次壓注共投入3臺混凝土輸送泵,在兩岸各投入1臺,預留備用1臺。

壓注前先泵送水泥砂漿進行潤管,然后保持所有備用壓注孔和排氣孔處于關閉狀態,啟動真空泵抽真空,使主弦管內真空度保持在-0.09～-0.07MPa 的負壓狀態壓注混凝土,安排專人敲擊主弦管以跟蹤壓注進度。在壓注混凝土總量即將達到設計值時,持續觀察儲漿罐的進漿情況,待儲漿罐內砂漿量接近排漿管管口時,即可關閉吸氣管球閥,并關閉真空泵,打開儲漿罐出漿管閥門進行排漿,待排出勻質混凝土后方可結束。

4 拱圈外包施工

4.1 外包模板體系設計

拱圈底板采用底模吊架體系(見圖10),利用φ28 U 形圓鋼吊桿將底模吊掛在下弦鋼管下方。利用底模主楞兩端懸挑在拱箱兩側設置作業通道。底模吊架提前安裝于拱肋節段上,隨拱肋節段同時吊裝就位。在底模與拱肋骨架之間均勻設置預制防滑混凝土墊塊,墊塊上設置盲孔,用于插入短鋼筋,墊塊在調節保護層厚度的同時,通過短鋼筋與拱肋焊接,保證底模吊架在隨拱肋節段吊裝過程的整體穩固,避免發生滑移或變形。

圖10 底模吊架體系

拱圈頂板、底板倒角采用大塊定型鋼模,其余模板均采用木模,利用預制型鋼排架加固底板壓模和頂板底模,在拱箱外側通道上滿布雙排操作架。

4.2 臨時設施布置

拱上布置兩臺TC6015型塔式起重機,配合交界墩塔式起重機實現機具、材料轉運,拱上塔式起重機交叉對稱布置,塔式起重機基礎為型鋼支架,與上弦鋼管焊接牢固。主拱圈半跨設置4個物料平臺,用于物資、設備的臨時存放及轉運,如圖11所示。兩岸自拱腳至拱頂各配置兩套混凝土輸送泵管,分別布置在兩側作業通道上,在每道橫梁處布置橫向連通泵管,防止單側泵管堵塞。

圖11 拱上塔式起重機及物料平臺

4.3 拱圈外包施工

1)拱腳實體段施工

拱腳實體段長7m,結合現場地形條件,采用原位支架法進行現澆施工。原位支架主要由φ630×14鋼管立柱、工字鋼橫梁及斜主梁組成,縱向斜主梁前端支撐在柱頂橫梁上,斜主梁下端設置連接耳板,與拱座承臺預埋耳板之間采用銷軸相連,可自由轉動,以匹配拱腳處的傾角,并優化支架結構受力。

2)外包混凝土分段分環施工

兩岸同時對稱澆筑,按照節段1,4→節段2,5→節段3,6的總體順序依次完成底板、腹板及頂板澆筑合龍,即底板合龍完成后開始施工腹板,腹板合龍完成后開始施工頂板,最終完成拱圈外包混凝土封閉成環。分叉段橫梁的底、腹、頂板混凝土與相應節段拱圈混凝土同時澆筑。施工效果如圖12所示。

圖12 拱圈外包施工完成

4.4 底模拆除

拱圈底板底模吊架拆除較困難,采用纜索起重機配合吊籃拆除,吊籃主要由貝雷梁和型鋼桁架組成,吊籃長30m、寬10.1m,共計設置4個吊點。提前在拱腳處搭設鋼平臺,由拱頂向拱腳分段拆除底模,通過吊籃將底模材料吊運至鋼平臺上卸貨及拆解。

5 結語

奉節梅溪河雙線特大橋管內混凝土采用真空輔助壓注施工,8根主弦管分4次壓注,全部實現了一次性壓注成功,超聲波檢測混凝土密實度良好。拱圈混凝土分環分段外包施工,施工過程拱圈線形及應力監測數據與理論值變化規律一致,結構受力狀態無異常。本工程于2019年11月17日完成管內壓注施工后開始拆索,12月初正式進入拱圈外包施工階段,至2020年5月14日拱圈頂板澆筑合龍,拱圈外包施工有效用時約4.5個月,刷新了同類拱橋施工工期紀錄。