内嵌法兰盘钢管混凝土泵送顶升浇筑施工工法

丁耀宗 徐红岩

1. 西安建筑科技大学土木工程学院 陕西 西安 710055；2. 江西中煤建设集团有限公司 江西 南昌 330001

钢管混凝土结构是由混凝土填入薄壁钢管内形成的一种组合结构，核心混凝土因处于3向受压状态，提升了自身的抗压性能和塑性变形能力等，进而提升结构整体的力学性能。钢管混凝土结构除具有强度高、质量轻、延性好、耐疲劳、耐冲击等优越的力学性能外，还具有省工省料、架设轻便、施工快速等优越的施工性能[1-3]。泵送顶升浇筑钢管混凝土是现今钢管混凝土施工较常见的技术，具有无需架设高空脚手架模板、振捣快、施工快等优点[4-5]，然而当钢管节段之间有内嵌法兰盘时，泵送顶升的阻力急剧增加，导致混凝土泵送困难及钢管内混凝土不密实，不能满足施工要求。为有效解决此难题，在采用钢管混凝土拱桥形式的桂江大桥施工过程中，对内嵌法兰盘钢管混凝土泵送顶升浇筑施工工艺进行了技术攻关，经总结形成本工法。

1 工程概况

桂江大桥跨径组合为：左幅采用（9×16＋14＋18＋20）m＋（56＋63）m＋（19＋11.5＋14＋18.5＋14）m；右幅采用（9×16＋14＋18＋13）m＋（56＋63）m＋（19＋16.5＋16＋18.5＋14）m。上部结构主桥采用跨径为56 m和63 m的钢管混凝土系杆拱桥，引桥采用预应力混凝土空心板梁，下部结构采用桩柱式桥墩、盖梁，埋置式和座板式桥台。

2 工法介绍

2.1 关键技术

1）钢管混凝土的灌注采用泵送顶升压注法，通过在法兰盘上及钢管上增开排气孔，显著减小了由于钢管内嵌法兰盘增加的泵送阻力，将混凝土沿钢管从下往上一次压注完成，保证了泵送混凝土的连续、密实和均匀。

2）为补偿混凝土的自收缩，避免混凝土与钢管脱黏，配制了微膨胀自密实钢管混凝土，无需振捣即可密实，在满足抗压强度的条件下，既保证了混凝土的和易性和可泵性，又补偿了钢管混凝土的干缩、温缩。

3）通过计算压注过程中钢拱肋的受力，调整合理的压注速度，并采取多点对称压注的施工方法，避免钢管混凝土结构振动进而引起失稳破坏。

2.2 工法特点

1）通过在法兰盘上及钢管上增开排气孔，显著减小由于钢管内嵌法兰盘增加的泵送阻力，保证混凝土泵送质量和密实性。

2）采用配制的微膨胀混凝土，可以有效避免混凝土与钢管脱黏情况。

3）不用搭设高空脚手架，减少高空作业风险，操作更为简便安全。

4）混凝土施工无需振捣，依靠顶升挤压密实，施工速度较快，不浪费混凝土。

5）采取多点对称压注混凝土的方法，控制压注速度，避免结构振动进而引起失稳破坏。

2.3 工程效益

桂江大桥主弦管为内嵌法兰盘钢管，因法兰处截面突然变小，故通常采用隔板分仓压注施工，需要采用大量的操作平台和设备，工期必然延长。本桥在同样需要2台混凝土输送泵的前提下，采用泵送顶升施工比分仓压注施工少投入钢管脚手架约25 t、混凝土泵管约750 m，减少施工费用约13.7万元；同时采用正交设计的微膨胀混凝土，选用42.5级水泥和聚羧酸盐高效减水剂，与按传统方式选用泵送剂、高效减水剂及缓凝剂的设计相比，在达到同等强度条件下，每立方米混凝土节约68.4元，混凝土原材料共节约2.3万元，内嵌法兰盘钢管混凝土泵送顶升浇筑技术的应用共节约成本约16万元。与此同时，桂江大桥从准备到钢拱肋内充混凝土全部完成仅用了24 d，大大缩短了工期，社会效益和经济效益显著。

3 施工要点

3.1 微膨胀混凝土配合比

钢管内径由于法兰盘的存在而减小，而混凝土的泵送高度高、距离长，导致混凝土泵送阻力大，泵送施工难度大，因此对混凝土的质量要求更高。混凝土应满足以下性能要求[6]：强度须达到C45；具有良好的可泵性，即坍落度适宜，和易性良好，不泌水、不离析，自密性好；混凝土具有补偿收缩性，要求水中养护14 d的限制膨胀率应≥1.5×10-4，水中养护14 d、空气中养护28 d的限制干缩率应≤3.0×10-4；混凝土在每孔管道的压注完毕后仍具有较高的和易性，配合比设计时，初凝时间须＞13 h，终凝时间须＞16 h。坍落度须处于20～22 cm，扩展度须＞55 cm，压力泌水量V10＜15 mL，V140为40～100 mL。

为补偿混凝土的自收缩，避免混凝土与钢管脱黏，微膨胀混凝土配合比设计时考虑混凝土性能、成本及施工要求，选用42.5级普通硅酸盐水泥并用粉煤灰代替部分水泥，加入复合型外加剂聚羧酸盐达到泵送、减水、缓凝、引气等要求。试验采用正交设计法，并对重要指标进行多次复检，最终确定的配合比为：水泥∶细骨料∶粗骨料∶水∶减水剂∶粉煤灰∶膨胀剂＝440∶665∶1 020∶175∶13.62∶65∶59。该配合比最大程度地满足了强度、施工要求并大大降低了施工成本。

以水灰比、粉煤灰和外加剂及膨胀剂的用量作为因素采用正交设计进行试验，不仅使混凝土拌和物性能满足施工需要，最终强度能达到70～80 MPa，同时聚羧酸的减水率能达到30%以上并至少提高20%的强度，因此大大降低了胶凝材料的用量，节约了成本。由于所用材料性质、施工条件及工程要求的不同，施工单位需依据具体工程的实际情况，通过试验来微调配合比。

3.2 泵送施工现场

由于拱桥施工现场环境复杂，故应合理选择混凝土的泵送方案。施工中将1台混凝土泵放置于拱座顶，采用串筒输送方式将混凝土送至泵机料斗，之后混凝土经泵车泵入钢管内，如图1所示。施工前准备备用管道、电焊机、气割设备等，当混凝土泵送期间出现堵管或其他泵送不上的状况时，可以在混凝土到达位置开孔并焊接带闸阀泵管，然后连接备用管道继续压注直至管顶，保证混凝土泵送施工的连贯性。

图1 泵送施工现场布置示意

3.3 压注设计

采取多点对称压注的施工方法进行压注施工，先下后上，8根φ203 mm钢管压注顺序如图2所示。

图2 拱肋钢管压注顺序

3.4 施工过程

开始压注施工前临时堵住出渣孔，用混凝土泵注入清水清洗管内壁，之后打开排渣口排出水及杂物，完成后焊接封闭出渣口。

压住施工开始时先压注少量混凝土过压注口，再从排气孔注入0.5 m3的水泥砂浆以减小混凝土与管壁之间的摩擦力，之后正式开始钢管混凝土的压注施工。在压注过程中时刻观察排气孔的情况以便随时进行补浆操作，并通过锤击的方式掌握混凝土的高度以便调整压注速度。当拱顶出浆孔有混凝土溢出且无气泡冒出时，关闭压注口出闸阀，停止泵送，并确保无漏浆情况。

3.5 注意事项

1）混凝土所采用的水泥、砂、石子、外加剂和外掺料均需符合国家规范，特别是混凝土坍落度必须在现场测试合格后方可施工。

2）混凝土顶升压注施工时不振捣，因膨胀剂的存在混凝土会补偿收缩，振捣可能导致堵管。

3）泵送混凝土因故暂停时，每隔2～3 min抽动一下泵的活塞，避免混凝土假凝引起阻塞。

4）正式施工前需进行模拟试验，以验证混凝土质量、泵送方案合理性及施工组织效率等。

4 结语

为解决钢管混凝土中内嵌法兰盘时混凝土泵送困难的问题，设计了内嵌法兰盘的钢管混凝土泵送顶升浇筑施工工法，并成功运用于桂江大桥项目中。

该工法有效保证了钢管管径突变后混凝土的施工质量，且不影响混凝土的施工速度；此外，充分利用外加剂和外掺料的特性来改善混凝土的性能，以提高混凝土强度、和易性和可泵性，并可补偿钢管混凝土干缩、温缩，从而起到微膨胀混凝土的作用。内嵌法兰盘的钢管混凝土泵送顶升浇筑施工工法可以节约施工成本，缩短工期，具有广阔的应用前景，值得推广。