京杭运河特大桥钢管拱混凝土顶升灌注施工技术

陈彦发

中铁十一局集团有限公司投资公司，湖北 武汉 430000

1 工程概况

京杭运河特大桥中心里程为DK173+495.13，起讫里程为DK171+858.48和DK175+131.78，桥梁全长3273.30m。跨越京杭运河的主桥为62m+132m+62m预应力连续梁和中孔钢管混凝土加劲拱组合结构体系，并将简支梁桥作为引桥。

连续梁拱组合结构桥的基础施工工艺在已有施工经验的基础上创新性地改变了梁、拱部分的施工顺序；主桥钢管梁拱轴线采用二次抛物线，拱肋计算跨度为132m，计算矢高为22m，矢跨比为1/6。拱肋于拱顶设置最大0.088m的预拱度，施工矢高为22.088m，拱肋在具体施工过程中通过将施工拱轴线进行制作和拼装完成。

在4根主拱肋钢管和腹腔内灌注C50微膨胀混凝土，其跨度为132m，钢管外径为1000mm，管内需要灌注C50混凝土共计508m3，分8次灌完。混凝土采用从底部向高处直接顶进的方法施工。钢管拱布置图如图1所示。

图1 钢管拱布置图

2 试验论证

利用现场已有的Φ600mm钢管模拟Φ1000mm的钢管拱肋，在钢管内焊接吊杆内部构件，从下至上将混凝土泵送到钢管内，混凝土由上端溢出，测量整个过程中混凝土的坍损、含气量以及混凝土流动性、和易性情况。试验结果表明，泵送后从钢管中放出来的混凝土和易性、流动性均较好，含气量满足要求，但是坍落度不宜过大，控制在220～230mm为宜；现场配置的输送泵泵送时压力始终保持在14MPa左右；混凝土泵送前要加大水泥浆用量；出浆口不宜接弯管和太长的管道；在混凝土要到达钢管顶部时，要放慢泵送速度[1]。

3 钢管拱肋混凝土灌注施工工艺

（1）按比例配置C50微膨胀混凝土。原材料为水泥、细骨料、粗骨料等，并准备拌和设备、运输设备和混凝土浇筑设备，将施工作业人员分为混凝土搅拌运输和混凝土泵送浇筑两个施工班组，制订工作计划表和安全管理制度与措施，在施工前对人员再进行一次作业和安全培训，确保工程安全有序推进。

（2）施工方案。以拱顶为对称线两半跨对称加载，以桥轴线为对称线上下游肋不同时段交替加载。主拱肋钢管混凝土要求单管对称泵送灌注，管内混凝土长度差不大于2m，并在混凝土初凝时间内泵送到顶。施工采取两肋共4根钢管和2道腹板依序逐一灌注。4根钢管拱肋在顶部设有隔仓，每半截钢管拱分别在底端设进浆口，在顶端设出浆口；腹板采用二级泵送方式，在腹板的1/2和1/4处均设有隔仓，在隔仓附近处设置进浆口和出浆口。

（3）灌注顺序。钢管拱肋混凝土灌注顺序如图2所示。此部分的整体施工可以分8次完成，灌注一根弦管约需3～ 4h。

图2 钢管拱肋混凝土灌注顺序图

（4）施工准备。①原材料。原材料包括水泥、石子、砂及外掺剂，保证数量充足，干净、干燥，并堆放在指定操作地点，方便施工作业。②设备。在主桥墩两侧分别设置三一重工（HBT80C-2122Ⅲ型）混凝土输送泵1台并配备Φ125mm的高压输送泵管，再额外准备一台输送泵备用，确保施工数据满足理论上的出口压力值为14～22MPa，排量值的变化控制在50～85m3/h。

（5）进料管和排浆管准备。分别在单根拱肋钢管两侧拱脚位置安排一处进料管，必须保证进料管放置在弦钢管顶面或侧面且和拱肋钢管轴线夹角约为30°，其安装示意图如图3所示。

图3 安装示意图

（6）输送管准备。在装设输送管时，首先确保输送管数量、型号满足施工要求，然后确定泵管上弦压注口的安装位置在钢管拱脚近侧，而下弦压注口要与弦管保持水平位置相接，管道位置确定之后选择用槽钢固定，检查管道接头处的胶垫圈安装和密封程度符合安全施工标准和要求。管道整体布设完成后，需要为管道设置足够的支点和悬挂点。

（7）输送泵泵送能力计算。现场采用三一重工（HBT 80C-2122Ⅲ型）拖式混凝土泵，输送泵管布置了4根弯管（弯度90°、半径R=1000mm），2根弯管（弯度45°、半径R=1000mm）的弯管，1根长55m的水平管，1根长30m的竖直管，最高泵送高度为40m。混凝土泵送所需压力P包含三个部分：混凝土在管道内流动的沿程压力损失P1，混凝土经过弯管的局部压力损失P2，垂直段压力损失P3。

第一，计算水平泵送沿程压力损失P1的经验公式为

式中：ΔPl为单位长度的沿程压力损失；l为水平管道总长度，l=55m；k1为黏着系数，k1=（3-0.1S）×100Pa，S为坍落度，S=23cm，则k1=（3-0.1×23）×100=70Pa；d为混凝土输送管直径，按Φ125mm计算；k2为速度系数，k2=170Pa/（m·s）；为混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土时间之比，约为0.2～0.3；V2为混凝土在管道内的流速，当排量达50m3/h时，约为0.82m/s；α2为径向压力与轴向压力之比，约为0.9。由此可得，P1=4÷125×[70+170×（1+0.2）×0.82]×0.9×55=0.375MPa。

第二，计算通过弯管产生的局部压力损失P2。布置4根弯管（弯度90°、半径R=1000mm），2根（弯度45°、半径R=1000mm）的弯管（相当于一个弯度90°、半径R=1000mm的弯头），P2=5×0.2=1.0MPa，即每根弯管的压力损失为0.2MPa。

第三，垂直方向压力损失P3=ρgh=2500×10×40=1000000Pa=1MPa，其中ρ为混凝土的密度，ρ=2500kg/m3。

第四，泵送沿程损失所需的总压力P理=P1+P2+P3=0.375+1+1=2.375MPa，通过对既往类似施工经验的总结可知，混凝土泵送阻力约为普通C30混凝土泵送阻力的2倍，则P实=2P理=2×2.375=4.75MPa＜22MPa-14MPa。

（8）钢管拱肋混凝土灌注。①泵送高标号的水泥浆。②泵送C50微膨胀混凝土。输送泵位于主墩侧面，泵送时应尽量远离拱肋压注口，并根据施工情况适当延长管道长度。整体的混凝土泵送过程中应该保证从运送到输送至料斗再通过管道泵送施工，当混凝土喷出后应停止后续作业，利用工具插打截止阀，封闭出气口，清洗输送泵，至此，整个混凝土泵送过程结束。③作业后需对输送泵管等设备进行分解、拆洗，待混凝土停止出水后，将进料管隔断，用钢板将排浆、压注口等进行严密封堵，避免产生因雨水进入而出现与混凝土发生碳化反应的问题[2-3]。

4 工程检测与验收

钢管拱肋混凝土浇筑实测项目如表1所示。

表1 钢管拱肋混凝土浇筑实测项目表

5 结束语

综上所述，施工前按照具体数据和方法所进行的钢管拱混凝土顶升施工试验为京杭运河特大桥的钢管拱混凝土顶升灌注施工提供了高质量的技术准备，有利于具体作业的顺利进行。后续类似工程施工方也可利用此方法对各自负责的项目进行前期的技术铺垫，并在施工完成后通过技术交底等方式保证后期工程项目运营维护的顺利开展，为延长工程的使用寿命提供技术保障。