高性能钢管混凝土自填充灌注施工技术研究

欧阳斌

（贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州贵阳 550005）

1 工程概况

总溪河大桥钢管混凝土灌注施工具有以下几个特点：

（1）钢管拱矢高大，管内构造复杂，若采用常规自拱脚往拱顶一次性泵送顶推灌注工艺，会对底部混凝土泵送形成较大的泵送压力，现场泵送机械难以满足一次泵送要求；且钢管拱内设置有内栓钉及环状加劲板，会对一次性泵送产生较大阻力，也会对管内的内栓钉造成破坏。

（2）总溪河大桥采用机制砂配制钢管内混凝土，相比于采用天然砂配制的钢管混凝土，其性能指标的稳定性更难控制，因此对灌注施工工艺提出了更高要求。

（3）总溪河钢管混凝土拱桥采用桁式拱，拱肋钢管数量多、钢管内混凝土单次灌注方量达到430m3、灌注时间长，如何在保证混凝土灌注质量的前提下提高灌注速度，是总溪河大桥钢管混凝土拱施工必须解决的关键问题。

（4）山区施工场地狭小，不利于大型机械的布置和施工。

综合上述情况，确定采用“下填上顶”的施工工艺进行总溪河大桥主拱圈机制砂微膨胀自密实混凝土灌注。即在主拱圈1/4、3/4跨处设置灌注孔，在拱脚及跨中处各设置1 个排气孔；先采用C55 自密实混凝土自流实的方式对0～1/4（3/4）跨段进行下填式灌注，再在1/4（3/4）跨处灌注孔向跨中进行顶推式灌注。

2 钢管混凝土下填上顶灌注施工技术

总溪河大桥主拱圈机制砂自密实钢管混凝土下填上顶灌注施工流程详见图1。在机制砂自密实混凝土制配、现场灌注模拟试验和各项施工准备都完成后，开始主拱圈混凝土下填上顶灌注施工。

图1 下填上顶灌注施工流程

下填上顶灌注施工实施细则如下：

（1）在主拱圈合龙前将主弦管内的杂物清除干净。两岸拱浇筑进度应保持一致，浇筑高差不应大于3m。单管灌注时间应控制在12h之内。

（2）灌注施工时先封闭拱脚处排气（浆）孔，压注4m3清水至主弦管内润湿管壁，然后拌制6m3水泥浆，压注至主弦管内；泵送混凝土入管8m3，打开拱脚处排气（浆）孔，排至完整混凝土流出后封闭排气（浆）孔连续泵送混凝土入管。灌注至拱顶处时应继续泵送，直至在拱顶处设置的排气（浆）孔内溢出完整混凝土后停止灌注。

（3）拱脚至L/4（L 为跨径）区段拱圈截面倾角较大，采取自上而下的顺序灌注管内混凝土，借助自密实混凝土自身的重力挤压密实；L/4 至拱顶区段拱圈相对平缓，采取自下而上、利用泵送压力实现混凝土的灌注并确保其密实性。在L/4 截面附近开设两个泵送孔，下灌混凝土时选用上泵送孔，待混凝土越过下泵送孔后，将泵送孔移至下一处灌注，实现混凝土灌注的连续性，直至在拱顶位置的排浆管流出混凝土。拱圈主弦管管内混凝土需对称灌注，单条拱肋弦管应连续一次性灌注完成，灌注依照从上至下，从内侧到外侧的顺序进行，需等上一根强度检测达到80%方可灌注下一根管。

（4）总溪河大桥拱圈混凝土灌注施工适逢夏季，温度较高，为尽可能延长混凝土初凝时间，保证钢管拱自密实混凝土浇筑顺利，应选择一天里温度较低的时段进行施工，砂石料可洒水降温，避免阳光直射。

（5）管内混凝土经检测达到设计要求强度后，切除截门阀，焊接排气孔，将钢管表面打磨处理并统一进行涂装。

3 钢管混凝土自填充施工现场模拟试验研究

3.1 试验目的

由于总溪河大桥主拱圈内设有内栓钉及连接法兰盘，为了确保与实际工况吻合，保证钢管自密实混凝土灌注质量，现场选取100m 长度的钢管开展钢管拱混凝土自填充施工主体模拟实验。实验主要模拟下填范围内拱内混凝土的浇筑情况。

该试验全面模拟实际施工过程中各种工况条件，包括自密实混凝土配合比计量、混凝土搅拌、混凝土输送、施工准备、施工机械、施工过程组织、泵送自填充施工技术、施工过程控制等方面工作。主要实现如下目的：

（1）验证自密实混凝土的施工性能；

（2）检查泵送施工过程存在的问题；

（3）灌注后的钢管混凝土性能评价。

3.2 试验钢管的选取

因常规钢管混凝土施工工艺多为自下而上的顶推工艺，故本次模拟试验仅针对总溪河钢管混凝土拱桥主拱圈0～1/4（3/4）跨的自填充段，进行下填施工工艺的模拟。模拟试验所用钢管尺寸与实桥梁完全一致，管内加劲板和栓钉布置也与实桥类似。为尽可能模拟实桥混凝土在钢管内的流动情况，本次模拟试验以总溪河大桥主拱圈上弦管为参考来布置模拟试验钢管的弧度和倾斜程度，试验钢管弯曲弧长为100m，如图2所示。图中，混凝土从试验钢管顶部开口灌入，在钢管终端设置半开口管，以观察混凝土在管内的流动畅通与否。试验钢管底部开设有排气孔。混凝土从试验钢管顶部开口灌入，在钢管终端设置半开口管，以观察混凝土在管内的流动畅通与否。试验钢管底部开设有排气孔。

图2 钢管混凝土自填充模拟试验钢管架设布置示意图

3.3 试验方法

为满足模拟试验钢管混凝土的灌入高度、斜度等要求，试验地点选取在总溪河特大桥毕节岸拱座右旁侧原弃土场范围处。试验时，混凝土运输条件基本和主拱圈灌注混凝土条件一致，以期能够更好地模拟现场，达到指导施工的目的。

模拟试验时，试验管混凝土灌注工艺与主拱圈灌注工艺一致。灌注过程中，观察开口半管部位混凝土的通过情况和残留情况，察看混凝土是否能有效通过管内栓钉和内加劲板，在管壁是否有残留混凝土堆积等。

混凝土自流至试验管内且填满后，先通过敲击的方式检查管壁是否存有空洞情况。灌注完成7d 后，分别通过超声波检测和钻孔取芯，检查灌注质量是否能满足总溪河大桥施工要求。待确认试验段混凝土灌注满足要求后，方可指导实桥主拱圈混凝土的灌注施工。模拟试验时间选定与正式浇筑时间气温相近的天气进行。

3.4 试验结果

模拟试验结果表明：

（1）总溪河大桥采用下填上顶灌注工艺是可行的，施工配合比混凝土的工作性能完全能够满足实桥施工要求。

（2）混凝土灌注过程中，开口半管部位混凝土能够有效通过管内栓钉和内加劲板，在管壁无堆积残留，说明总溪河大桥自密实钢管混凝土具有较好的工作性能。

（3）混凝土灌注完成后，钢管混凝土超声波检测和钻孔取芯结果均表明，本次模拟试验的钢管混凝土灌注质量优良，管内混凝土无明显不密实区、空洞、夹杂泥沙和杂物等，混凝土匀质性较好。

4 高性能钢管混凝土施工质量监控技术和质量评价研究

4.1 主拱圈线形监控

确定主拱圈施工各个阶段的状态。

（1）确定空钢管成拱目标状态，该空钢管成拱目标状态由成桥状态倒推得到，保证了空钢管成拱目标状态即保证了成桥目标状态。

（2）确定最大悬臂施工状态，也即空钢管合龙段上去之前的状态，主要确定最大悬臂施工状态下扣挂系统和钢管拱肋的安全性，通常这个状态是施工过程中安全系数最低的状态。

（3）确定各施工过程中的合理受力状态。各施工过程中的合理受力状态是由扣、背索力确定的，已知最大悬臂施工状态，可以用无应力索长法确定各施工过程中的扣、背索力。

施工过程对主拱圈状态保持监控并适时纠偏。拱圈混凝土施工前，制定测量方案，组织测量人员对混凝土灌注前后主拱圈线型进行观测，将观测结果与理论值对比，根据对比结果发出监控指令，确保施工过程拱圈线型满足要求。混凝土灌注施工过程中，随时记录混凝土灌注数量，保证两岸对称灌注。派专人在主弦管敲击检测，由回声确定管内混凝土面高度，两边高度不超过2m。混凝土灌注过程受混凝土自重及泵送压力影响，主弦管空间位置会发生变化，需对主弦管的三维坐标进行检测，偏差超出设计值时应进行纠偏。

4.2 混凝土灌注质量监控

（1）拌和站按一定频率对砂石材料各项指标进行检测，根据检测结果调整配合比。掺入膨胀剂后，管内混凝土力学性能会降低5%左右，需严格控制膨胀剂掺量。

（2）根据设计要求、拌和站生产能力制定合理的混凝土灌注方案，保证混凝土灌注速度与拌和站加工能力、泵送能力相匹配。

（3）混凝土的设计必须满足自密实的要求，灌注时直接利用混凝土的自密实性能和顶升的压力自然密实，同时通过敲击钢管壁初步检查混凝土的密实度（每岸设置2人专项负责全程检查）。

（4）在制作钢管拱时，从钢管拱壁上的中部至拱顶每隔5m 开一个5mm 的排气孔，同时在拱顶的每根拱肋钢管上焊接两根ϕ15cm×1.2m 的钢管做为出浆孔，以保证混凝土的密实度。

（5）根据《钢管混凝土结构设计与施工规范》（CECS 28—2012）的要求，对混凝土的质量采用敲击法进行检查，采用金属超声仪等检测设备，利用单面超声检测法，根据超声波在不同界面反射率的差异来判断钢-混凝土黏结质量。

4.3 质量缺陷处置

混凝土泵送完成3个月左右后，收缩趋于稳定，对混凝土与钢管的密实情况进行检查。检查方法以超声波无损检查为主，锤击敲打为辅。若存在局部脱空现象，通过钻孔压环氧树脂水泥浆的办法来填补空隙。

5 结语

对比各种钢管混凝土灌注施工工艺的优缺点，针对总溪河钢管混凝土拱桥施工的具体环境和特点，提出了机制砂微膨胀自密实钢管混凝土下填上顶的自填充灌注施工方法。通过全面模拟总溪河大桥实际施工过程中的各种工况条件，完成了C55机制砂微膨胀自密实钢管混凝土自填充现场模拟试验。试验结果表明，总溪河大桥采用下填上顶灌注工艺是可行的，施工配合比混凝土的工作性能完全能够满足实桥施工要求；钢管混凝土灌注质量优良，混凝土匀质性较好。总溪河大桥完工后，相关部门对管内混凝土进行钢管混凝土超声波检测，检测结果表明，管内混凝土均匀、密实、无明显孔洞，与足尺模拟试验结果一致。实践证明，总溪河大桥采用钢管混凝土自填充灌注施工方法是可行的，下填上顶灌注工艺完全可以满足大跨径钢管拱施工质量及相关工艺要求。