钢管混凝土系杆拱顶升灌注法研究及应用

乔丽智 （中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽 合肥 230012）

1 工程概况

新建商合杭铁路无量溪特大桥1-80m下承式钢管混凝土系杆拱，主桥跨度为80m，拱顶横向间距13m。拱轴线采用悬链线，计算跨径80m，拱肋矢跨比为1/5，拱轴系数m=1.5。拱肋截面为哑铃形钢管混凝土截面，截面高度h=3.0m，沿程等高设置。每榀拱肋由两根弦管构成，弦管法向中心距2m，钢管厚度16mm、直径1000mm，两弦管之间用δ=16mm的腹板相连，拱肋上、下弦管填充C55无收缩混凝土，单根钢管最大灌注量52.9m3，共计211.6m3。

钢管拱混凝土采用顶升法泵送，泵送高度从地面至最高点为25m，泵送水平距离为40m。

钢管混凝土拱肋截面如下图：

图1 钢管混凝土拱肋截面图

2 工艺特点

钢管拱混凝土的施工使用顶升法施工，在底部开灌注口，在顶部开出气口，利用泵车的高压力，将混凝土沿钢管拱自底部至顶部一次性灌注完成。钢管拱内灌注无收缩混凝土，混凝土具有较好的可泵送性和微膨胀性，能够抵抗混凝土收缩。根据对称均匀的施加荷载原则，以钢管拱拱顶为中心两侧同时对称浇筑。

此法利用混凝土自重力将气泡赶出，无需振捣又保证了拱肋混凝土的灌注质量，且提升了经济效益。

3 主控要点

3.1 混凝土性能

系杆拱钢管混凝土采用无收缩混凝土，混凝土性能能否达标是钢管混凝土灌注能否一次成功的关键，无收缩混凝土需具有和易性极好、补偿收缩性、初凝时间较长等性能。混凝土配合比依据设计文件初步选定，并通过多次拌和试验确定。在混凝土配合比中加入所需混凝土外加剂，以达到初凝时间长、微膨胀性、塌落度适宜、早强性良好、和易性好等目的，以满足泵送要求。

3.2 混凝土供给时机

因顶升法灌注混凝土必须一次灌注施工，不能间断，所以混凝土供应必须满足施工进度。因高性能混凝土初凝时间较快，且顶升法泵送压力较大，一旦出现较长时间断料，可能会出现堵管现象，造成泵送失败。

3.3 混凝土输送泵及泵管的选择

因顶升泵送压力较高，必须根据计算压力选定泵车型号，并备备用泵。泵管采用高压泵管，安排有经验的技术人员进行现场施工安排。

3.4 位移、形变及沉降的监测

观测混凝土顶升施工过程中拱脚位移、钢管拱形变及沉降，检查测量结果是否与设计值相近，是否满足设计图纸要求。

使用莱卡TS600型全站仪测量，混凝土浇筑过程中实时不间断测量。测量仪器、人员、方法不变。

4 施工工艺及施工要点

4.1 施工混凝土工艺流程

施工准备→灌注清水润滑泵管→泵送砂浆→泵送混凝土→拱顶出浆孔振捣混凝土→关闭截止阀→清洗泵管完成浇筑。

4.2 施工要点

4.2.1 无收缩混凝土性能

图2 顶升法灌注混凝土工艺流程图

系杆拱钢管混凝土采用无收缩混凝土，混凝土性能能否达标是钢管混凝土灌注能否一次成功的关键，无收缩混凝土需具有和易性极好、补偿收缩性、初凝时间较长等性能。混凝土配合比依据设计文件初步选定，并通过拌和试验确定。在混凝土中加入各类所需混凝土外加剂，以达到初凝时间长、微膨胀性、塌落度适宜、早强性良好、和易性好等目的，以满足泵送要求。试拌时综合考虑混凝土的性能指标和施工现场所可能出现的情况，要求混凝土指标为：

混凝土性能指标 表1

在确定每种砂石料比重时，应模拟施工现场环境温度、湿度及运输过程。通过多次配合比的对比试验和不同厂商原材料的试验，优先确定无收缩混凝土水灰比、含砂率、容重等主要数据。再选择不同气温，做初步选定的配合比验证，最后委托第三方检测单位检测选定配合比。若以上试验检测结果合格，则最终确定该配合比。

4.2.2 混凝土供给

混凝土拌合站应确定，并做好应急预案，运输距离及到达现场运输时间需实际测出，在混凝土浇筑前确保施工便道畅通，并提前修整罐车停靠场地。为保证混凝土连续顺利浇注，派专人巡查混凝土运输通道畅通性。

4.2.3 截止阀安装

除在底部装置一个约为35°角截止阀外，为方便处理堵管问题，在泵管和混凝土进口间增设一个截止阀，在出现堵管问题时，方便处理堵管问题。

4.2.4 混凝土输送泵、泵管选择及安装

顶升压力计算：根据流体力学能量方程知ΔP=PH+PX+Pi，PH为竖向压力损失，PX为水平方向压力损失，Pi为其他压力损失总和。；

k1=300-s1，粘着系数（pa）；

k2=400-s1，流动系数（pa·s/m）；

r：输送管道半径（m）；

s1：混凝土塌落度（mm）；

t2t1：混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土时间之比，当设备未知时取0.3；

v2：混凝土在输送管内平均流速（m/s）；

a2：径向压力与轴向压力之比，普通混凝土取0.9；

L：混凝土输送管道长度（m）[1]；

Pi实际较为复杂，取0.5MPa；

综合以上因素及市场机械情况选择SANY-9108型混凝土泵车，出口处最大压力为18MPa。

使用φ125mm高压泵管，并搭设脚手架固定，保证泵管的稳定性。并尽可能不出现弯管，管线顺直，减少压力损失。在连接泵管前，检查泵管接头及封闭圈，以确保不会在泵送过程中发生堵管、炸管等问题。全部联结固定后，对管线派专人复查，确保管间联结密封性。在现场准备若干泵管、弯管及封闭圈作为备用。

4.2.5 顶升灌注

拱肋混凝土采取从底部对称持续浇筑，钢管拱混凝土顶升在温度适宜时组织施工。泵送混凝土的顶升应持续施工，不可停泵，当混凝土不能按时到达现场，应缓慢泵送顶升，不能停泵待料。可通过混凝土浇筑记录量及敲击校验两侧泵送进度，两侧管内混凝土高差小于1m。

当出气口有砂浆溢出时，减慢泵送速度，将砂浆及水挤出，直到纯净混凝土冒出，关闭截止阀。然后清洗钢管拱表面和泵管。

泵压控制在约为8MPa，当混凝土泵送不顺利时，泵车压强增高，切忌强行泵送，应对停泵检查。在混凝土顶升施工中，泵车料仓应装满混凝土，若吸进空气，应反向转泵，将混凝土吸回到料仓内，待排除空气后改为正向转泵。

出现堵管时，用铁锤敲打泵管，找出堵塞处，关闭截止阀，拆除堵塞泵管，倒出杂物，并检查无其他堵管后连接管道，继续灌注。

4.2.6 灌注施工时的监测

设专门人员统计混凝土方量，另外设人员用锤敲打钢管拱，听空响判断混凝土已浇筑的高度，并随时与现场施工人员沟通，保证两处混凝土浇筑的对称性，当两侧差量超出一米时，进度较快的一边暂停作业，等到进度相当后再灌注。

利用全站仪和拱肋上部提前刻的观测点进行拱肋坐标及标高测量。采用钢管拱浇筑前、浇筑25%、浇筑50%、浇筑75%、浇筑完成后、浇筑完后1日，共六种时段，拱脚、1/4跨及拱顶五个横截面测量。并专人做好记录，随时分析比对，出现异常立刻停止浇筑，查明原因。

4.2.7 灌注孔、排气孔修复

拱肋内混凝土强度达到设计强度75%以上时，可切除钢管拱上灌注孔、排气孔，所有修补处使用原切割材料焊接，焊接时做好降温措施，切忌高温伤害混凝土，孔洞焊接应平整圆滑、不漏焊，按设计要求涂装。

4.2.8 混凝土养护

顶升施工时，若天气温度较高，对钢管拱表面采用淋水降温措施，保障钢管拱内混凝土的养护。

5 小结

①使用顶升法一次性灌注大跨径系杆拱拱肋混凝土，施工便利，使用机械设备及人工数量极少，减少了人工劳作，无需振捣且施工速度快。利用混凝土自身性能及自重使其达到密实，提高了混凝土灌注质量。

②降低了人工、机械等高空危险作业时间，施工安全性大大提升。

③施工效益方面，采用顶升法施工钢管混凝土，不仅简化了施工工艺，且节约人工、机械、材料的投入。提高了施工效率，提升了施工质量。

④施工现场从以上方面组织施工，确保了工程质量，提升了经济效益。