浅谈钢管混凝土填充灌注施工技术

朱运宗

摘要：秋湖里大桥主桥为中承式钢管混凝土系杆拱桥，主跨钢管混凝土拱跨径为160m，拱肋为空间桁架结构，桁架由四根钢管、横向缀条、隔板和腹杆连接而成。钢管内灌注C50微膨胀混凝土，钢管混凝土采用填充灌注施工技术。文章分析了钢管混凝土填充灌注施工中选择输送泵型号规格和泵送工艺等技术。

关键词：钢管混凝土；填充灌注施工技术；配合比设计；输送泵；桥梁工程 文献标识码：A

中图分类号：U448 文章编号：1009-2374（2015）10-0124-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0913

1 工程概况

秋湖里大桥主桥为中承式钢管混凝土系杆拱桥，主跨钢管混凝土拱跨径为160m，拱肋为空间桁架结构，桁架由四根钢管、横向缀条、隔板和腹杆连接而成。钢管内灌注C50微膨胀混凝土。桁架断面图和立面图如图1和图2所示。单根上弦钢管长度为154.6m，灌注混凝土方量为72.87m?；单根下弦管长度为150.6m，灌注混凝土方量为70.98m?；上缀板灌注混凝土方量为58.11m?，下缀板灌注混凝土方量为56.61m?，全桥钢管拱灌注混凝土方量为804.84m?。

图1 钢管桁架断面图 图2 钢管桁架立面图

2 填充顺序

钢管混凝土填充灌注利用混凝土输送泵压注的方式进行，填充灌注过程中遵循对称、均衡的原则，即以跨中为对称线，两岸同时对称进行填充灌注。上、下游两岸各设置一台HBT60-16-90S混凝土泵，两岸同时往一根弦管内进行泵送灌注C50微膨胀混凝土施工。全桥顶升灌注整体分三次进行：第一次灌注下弦管，第二次灌注上弦管，第三次灌注缀板。每次顶升灌注均连续进行，且上、下游，左、右侧对称泵送顶升。详细泵送顺序如图3所示。考虑本桥矢高较大，顶升高度达26m，每根主弦管备用二级泵送的灌注孔。

图3 灌注顺序图

3 填充工艺

3.1 准备工作

完成体系转换。当拱轴线线型调整检查合格后，即可对各个钢管拱肋拼装节段进行体系转换施工。

各个钢管拱肋拼装节段体系转换主要包括：（1）完成各个接头的焊接（从拱顶往拱脚方向对称进行焊接）；（2）完成拱肋接头焊接后，将拱脚弦管与拱脚预埋管焊接，将上、下弦管与预埋管焊牢，使铰接初步固结。

3.2 施工阶段

3.2.1 下层系杆张拉。钢管拱节段体系转换完成后，完成下层系杆第一次张拉，张拉力由监控单位提供。张拉系杆前，三角区所有横梁预应力和三角区纵向预应力均必须张拉压浆完成。

3.2.2 配合比设计。本桥设计要求管内顶升灌注混凝土C50微膨胀混凝土。根据现场实际施工条件，如法兰处管径变小、顶升高度较高，距离较长等诸多因素，致使顶升灌注混凝土施工难度大，因此，对顶升灌注泵送混凝土配合比必须达到如下要求：（1）具有良好的可泵性，即塌落度大（入泵22～26cm）、和易性好、流动性高（扩展度55～65cm）、不泌水、不离析、自密性好；（2）具有补偿收缩性，微膨胀，水中养护14天的最小限制膨胀率≥2.5×10-4；（3）初凝时间大于16小时，终凝时间大于18小时；（4）胶凝材料最少用量不得小于350kg/m?，水胶比不宜大于0.5。

3.2.3 出浆孔、出气孔、灌注孔以及出渣孔的布置：（1）出浆孔：在每根钢管拱拱顶处开一个Φ125mm的孔，孔周铁板加强处理，并外函一节内径为125mm钢管（壁厚6mm，长150cm），钢管竖直向上，用于排气出浆孔；（2）出气孔：为了确保压注混凝土流动顺利，方便观察管内混凝土流动进展情况，沿钢管轴线方向的上方每隔15～20m设置一个Φ50mm钢管出气孔。当出气孔冒混凝土时，马上用钢板焊接盖住封闭出气孔，防止出气孔外流混凝土泄压；（3）灌注孔：下弦管灌注孔设在离拱脚约1.5m处的钢管侧面，以方便接泵管。灌注孔详见图4。灌注孔外接一节混凝土输送泵管，输送泵管与钢管焊接固定，同时保证钢管轴线呈30°～50°夹角。上弦管灌注孔设在离拱脚约2.5m处的钢管顶部，同样外接一节混凝土输送泵管，与钢管轴线的焊接固定角度同下弦管。灌注孔与输送泵管管路之间设置安装一个M125截止阀；（4）临时出渣孔：在拱肋底部设置临时出渣孔，尺寸和结构同排气孔，便于清水和渣物流出。以上开孔，均必须在合拢前开好。

图4 混凝土灌注孔大样图（mm）

3.2.4 焊接质量和钢管拱线形监测。钢管拱钢管混凝土灌注前，必须对钢管拱肋各个拼装节段的焊接接头进行细致检查、检测，确保焊缝满足设计规范要求。同时对钢管拱高程、轴线进行测量，并记录好数据，作为对拱肋在混凝土灌注过程中线形变化的基础数据。

3.3 混凝土供应和混凝土输送泵选用

3.3.1 钢管最大允许压力计算。秋湖里大桥主拱钢管内径为800mm，壁厚14mm，1.036，小于1.2，属于薄壁器范畴。钢管最大允许工作承压力可由公式推导下式进行计算：

式中：

——圆筒或球壳的内直径（mm）

——圆筒或球壳的最大允许工作压力（MPa）

——圆筒或球壳的计算厚度（mm）

——圆筒或球壳的有效厚度（mm）

——设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力（MPa）

计算得出钢管最大允许工作压力为：

砼泵送压力损失计算。根据相关文献资料，结合类似工程施工经验，得出砼泵送的换算压力损失计算参考如表1：

秋湖里大桥东岸混凝土输送泵管路长度约为150m，根据以上数据计算砼泵送压力损失如下：

水平管135m，换算压力损失，0.675MPa；

垂直管6m，换算压力损失，0.12MPa；

45°弯管3个，换算压力损失，=3×0.15=0.45MPa；

90°弯管2个，换算压力损失MPa；

管道接环58个，换算压力损失，MPa；

砼输送管道压力损失7.245MPa。

输送泵的最大功率为16MPa，砼输送泵启动内耗为2.8MPa，混凝土从钢管拱入口流入时输送泵的最大压力为：16MPa-7.245MPa-2.8MPa=5.955MPa，小于钢管的容许承压力MPa。

3.3.2 混凝土在钢管内的压力损失计算。根据以往的施工经验，1MPa的泵送压力可使砼泵送约10m的高度。秋湖里大桥拱脚至拱顶约40m，大约需要4MPa，混凝土从钢管拱入口流入时输送泵的最大压力为5.955MPa（启动时）﹥4MPa。

通过上述的计算分析，选用输出功率为16MPa的输送泵可以满足砼一次泵送顶升至拱顶的压力要求。但考虑到钢管拱肋钢管本身的质量安全要求，在施工过程中混凝土输送泵的输出功率，应小于钢管的允许承压力PW（7.24MPa）和管道压力损。

灌注混凝土输送泵型号规格的选择：

首先，混凝土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。

其次，混凝土输送泵的泵送高度应大于1.5倍的灌注高度（即拱脚至拱顶的高度）。秋湖里大桥要求输送泵的额定扬程大于60m。根据以上要求，选择HBT60-16-90S（最大理论垂直输送距离270m，最大理论水平输送距离1200）拖式混凝土高压输送泵，分配阀为S形摆管阀，最大理论输出量60m?/h，出口处最大压力为16MPa，电机功率为90kW，4#和5#墩上、下游附近各布置1台HBT60-16-90S输送泵。

在钢管拱混凝土灌注前，混凝土搅拌站和混凝土输送泵进行联动试车，确保所有拌和输送设备正常运行。

3.4 钢管混凝土灌注

3.4.1 湿润输送泵管。混凝土输送泵管接通后，先全程泵送通清水，一方面利用清水湿润所有的输送泵管，另一方面检查输送泵管工作是否正常、泵管接头处是否有渗漏的情况。

3.4.2 泵送水泥砂浆。混凝土从进料管出来后，在重力作用下填充管口以下的空腔直至淹没进料管口，以后混凝土在泵送压力下向上流动，此时粗骨料先下落，所以泵送混凝土前首先泵送1m?高强度水泥砂浆（即将混凝土配合比中石子扣除），以免粗骨料反弹以及接头处混凝土质量差，同时砂浆还可在泵送过程中起到润滑管壁的作用。混凝土填充灌注接近完成时，利用混凝土将砂浆排除钢管之外。

3.4.3 填充灌注混凝土。在开始压注前，将截止阀挡板抽出，在挡板两侧涂满黄油，再将挡板插入阀中但不穿入泵管内，以便压注后挡板能顺利插入混凝土中起到止浆作用。待焊缝冷却后压注少量混凝土通过压注口，继续压注混凝土直至拱顶。水泥砂浆的目的是减小混凝土与管壁之间的摩擦力。压注过程中，根据排气孔观察到的情况随时补浆。压注过程中通过调整控制两岸混凝土输送泵的泵送速度，确保压注均匀、对称，并通过锤击钢管管壁辨别管内是否空心的方法了解混凝土压注的高度，以此凭据调整混凝土的压注速度，控制两岸混凝土压注进度对称。

当混凝土压注至接近拱顶面时，严格控制压注速度，以防止混凝土超过拱顶截面引起钢管拱振动。混凝土到达拱顶时，通过交替泵送两岸混凝土将砂浆从拱顶出浆孔排除，待出浆孔有混凝土溢出后，利用钢筋抽插出浆管内的混凝土，将气体和浮浆排出，直至良好的正常混凝土从出浆管溢出，两岸输送泵停止泵送，稳压2分钟，并关闭压注管处的阀门且不得漏浆，防止混凝土回流。

拆除输送泵接头，接通下一根钢管填充灌注的泵管路，开始填充灌注下一根钢管。如此循环。每次一个循环灌注完成时，钢管内混凝土均不得初凝。

进行下一次钢管混凝土填充灌注前，对前一次灌注混凝土强度进行检测，确保前一次混凝土达到设计

要求。

3.5 出浆孔、灌注孔填充灌注后的处理

待钢管混凝土填充灌注完成并混凝土终凝后，割掉灌注用的泵管和出浆管，并用原开孔保留的钢板进行封闭焊接，并在表面进行防腐涂装处理，以防雨水进入。

4 结语

钢管混凝土填充灌注施工技术有一定的难度和风险，施工时必须做好充分的准备工作和现场精细组织，比如说填充混凝土的配合比设计和输送泵的选择以及施工时现场机械设备的调度指挥协调，确保钢管混凝土填充灌注施工一次性连续完成。

参考文献

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（责任编辑：蒋建华）