钢管拱混凝土真空辅助高压泵送顶升施工工艺

赵阳晨 胡国伟

1 工程概况

随着城市社会化和区域经济化的迅速发展,铁路客运专线将成为社会经济发展的有力保障。其中,大跨度混凝土 V形连续刚构—拱组合桥以其造型新颖、美观、良好的受力性能和合理的经济技术指标,为铁路大跨桥梁结构提供了一种新的发展思路。目前国内外公路和铁路钢管拱灌注施工一般采用高压泵送顶升灌注施工方法,难以更好地保证钢管混凝土的密实度和贴实度。

广珠城际小榄特大桥主跨为100m+220m+100m的V形连续刚构—拱组合桥,为国内同类型桥梁最大跨度结构,拱肋采用月牙型、N型桁架,在靠近拱脚位置采用变高度哑铃形截面。上、下弦杆直径为900mm,壁厚分24mm,22mm和20mm三种,为钢管混凝土结构;腹杆采用φ600mm×16mm的空钢管。拱的计算跨径160m,钢管拱下弦钢管矢高35m,拱轴线方程为y= -0.005 67x2;上弦杆钢管矢高 40 m,拱轴线方程为 y= -0.006 04x2。两榀拱肋之间共设 7道横撑,靠近拱顶三个横撑为米字形撑,其余四道为K字形撑,各横撑由φ500mm×12mm, φ300mm×10 mm,φ350mm×12mm,φ200 mm×10mm钢管组成,钢管内不填混凝土。钢管拱上下弦管采用了真空辅助泵送顶升施工技术进行灌注施工,保证了大直径、大体积、大跨度钢管拱混凝土灌注施工质量。

2 工艺原理

钢管拱混凝土为C50微膨胀混凝土,灌注时利用真空辅助原理,在单一高压泵送顶升工艺的基础上,通过工艺性试验确定真空度,在灌注过程中抽真空,保证钢管内混凝土的密实度和贴实度,同时,为保证拱肋线形,灌注过程中灌注顺序选择采用先下弦、后上弦,再进行缀板灌注。其工艺流程见图 1。

表1 C 50微膨胀混凝土配合比

3 微膨胀混凝土配合比设计

钢管拱拱肋灌注采用设计强度 C50微膨胀混凝土,既要满足设计和规范要求,又要满足施工方面的要求。

通过正交试验优化配合比,最终确定各项技术性能指标见表 1。

4 工艺实施

4.1 排气孔、压注头和出渣孔设置

骨架合龙后在拱顶处每根钢管的顶部开一个孔,外焊钢管作排气出浆孔。加劲板焊接骨架钢管采用周边焊,焊缝高 12 mm,灌注孔孔径采用125mm。

上下弦管分别设置压注头,下弦管压注头设在离拱脚约 7.5m处的钢管侧面,与钢管轴线呈 30°～50°夹角,上弦管压注头设在离拱脚约 2.5m处的钢管顶部,与轴线的角度同下弦管,压注头安装M 125截止阀,出渣孔设在拱座上钢管最低点,采用 M 70截止阀连接封闭。

4.2 截止阀制作

M 125截止阀自加工而成。将 1.8m的 125mm高压泵管一分为二,将2 cm厚钢板分别焊接在管部端头,中间插入2 cm的截止钢板,外部采用加强板焊接。

4.3 输送泵的布设和选型

1)根据钢管混凝土对称同时灌注的原则,每次灌注一根钢管,则两端各设一台输送泵,同时随时根据灌注情况计划好备用车泵。为减少垂直高度和弯管引起泵送压力损失,连接输送管时尽可能的考虑减少弯管。

2)输送泵的额定泵送能力应不小于灌注速率或实际混凝土供应量的 2倍。输送泵的额定压力须满足最大泵送压力,即静压力和泵送压力叠加之和。输送泵的额定扬程应大于 1.5倍的灌注顶面高度,本桥要求输送泵的额定扬程大于 100m。

3)根据流体力学能量方程ΔP=γh+∑p,∑p为各种压力损失总和,可知,输送泵采用SANY-SY 5122THB90-18泵送混凝土压力18MPa,水平输送距离1 200m,高程320m。

4.4 真空泵选择

钢管拱灌注单根管弦最大容积 120m3,一台真空设备同时对于南北两岸拱肋进行抽真空,因此选择设备考虑实际情况选择SZ-2型水环式真空泵,排气速率2m3/min,配用功率 4 kW,极限真空度0.04MPa。

4.5 真空辅助钢管混凝土灌注

钢管混凝土拱桥钢管内的混凝土采用真空辅助高压泵送顶升法,采用混凝土输送泵将混凝土从低处往高处顶升,钢管内混凝土的灌注采用泵送顶升压注法,利用输送泵的压力,在拱脚开压注口,在拱顶开出浆孔,将沿钢管从下往上一次压注完成,保证连续和均匀。同时在泵送过程中顶部排气孔抽真空,详见图 2。南北拱肋同时从拱脚对称向拱顶灌注。灌注下一批量混凝土时,前一批混凝土强度要求达到 90%。

施工控制要点:1)为润滑管壁,减少泵送过程中混凝土和管壁的摩擦力,应在泵送混凝土之前,先用水泥浆冲洗钢管内壁。2)真空泵拱顶抽真空,使真空度达到-0.08MPa～-0.06 MPa,并保持稳定。3)启动灌注混凝土泵,进行混凝土泵送顶升灌注,在灌注过程中严格控制泵送混凝土对称性和连续性。4)泵送顶升灌注混凝土过程中,真空泵保持连续工作。5)待泵送混凝土快达到钢管出浆口顶部时,撤离真空辅助设备。6)灌注泵继续工作,待混凝土在出浆口冒浆1.5m,维持2min。7)先灌注端阀门后关闭灌注泵,完成混凝土顶升真空辅助灌注。8)拆卸外接管路、附件、清洗设备及阀泵;完成灌注后,必须将所有水泥浆、混凝土的设备清洗干净。9)灌注完毕后,用孔眼的水管进行钢管管壁养护。

4.6 混凝土灌注过程中的监控

拱肋混凝土灌注过程中进行全过程监测监控,悬在钢管拱的L/2,L/4,L/8处设测点,共布设 9个测点,监控拱轴线形变化和拱肋截面应力。钢管拱混凝土灌注过程中用体外敲击法检测,灌注完成后用超声波进行检测。

4.7 质量控制

1)加强测量的精度控制与复核,确保钢管拱拱肋线形符合设计要求,混凝土灌注完毕后,拱肋线形的标高偏位 ±3mm。2)真空泵要连续稳定抽真空,待微膨胀混凝土快到拱顶部时(敲击法确定),撤除真空设备,确保管内混凝土不能出现断缝、空洞,管内混凝土不能与管壁分离、脱粘。3)单条(上弦管或下弦管)钢管拱的混凝土灌注完成时间,不得超过第一盘钢管混凝土的初凝时间,混凝土必须连续灌注。4)同一拱圈必须待下弦的钢管拱混凝土达到设计强度的90%以上后,方可灌注上弦钢管混凝土。

5 结语

1)通过工艺性试验表明:C50微膨胀混凝土具有低气泡,大流动性,收缩补偿密实性良好等工作性能,真空度控制在-0.08 MPa～-0.06 MPa之间,真空辅助泵送顶升工艺能保证微膨胀混凝土的灌注质量。2)在实际施工中采用真空度-0.08MPa～-0.06MPa的真空辅助高压泵送顶升施工工艺,对大直径、大体积钢管进行抽真空灌注混凝土施工,保证了大体积、大直径、大跨度钢管拱的密实度和密贴度。3)采用真空辅助工艺,极大的降低了钢管混凝土泵送的阻力,提高了工效,整个施工过程比传统单一高压泵送施工节约时间50%。

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