桥梁预应力智能张拉压浆技术在高速铁路施工中的应用

杨宏伟

（中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065）

0 引言

高速铁路施工水平关系整个工程的质量和安全运行。现阶段预应力张拉压浆技术在桥梁建设中得到普遍应用，而传统预应力张拉压浆技术施工精度和技术水平不足，针对这一问题，从工程质量问题分析、施工精确度、工程质量等方面对桥梁预应力智能张拉压浆技术在高速铁路建设中的应用进行研究，为高速铁路建设施工提供技术支持。

1 威胁桥梁安全关键因素分析

经过对因工程质量问题而停用的桥梁结构进行分析，发现预应力是影响桥梁结构的关键因素。在多起垮塌事故或因故障而停用的工程调查结果显示，在工程施工操作中存在部分预应力损失、各种因素导致管道压浆不达标等缺陷，在后期工程应用过程中经过超载超限车辆长期高频次大压力作用下，超过工程本身承载能力而造成垮塌、结构损坏等事故。从事故成因分析，是内外因素综合作用的结果。作为施工方，最为关注的应该是施工内部因素。经过调查和分析总结，发现主要存在以下几项工程内因[1]。

1.1 预应力张拉不标准

该因素主要表现在应用预应力张拉施工的桥梁中，一部分箱梁在不同部位均出现大小不等裂缝，统计发现在箱梁底板处裂缝发生概率和严重性最高。并且，预应力支梁板在实际使用中大量出现分布数量不等的裂缝，导致整个工程整体承载力下降。经技术分析，造成此类问题的原因是：施工操作时，有效预应力控制不够精准。当有效预应力偏小时，力度不足，会造成工程强度下降，工程结构呈现裂缝等改变；当预应力偏大时，会对工程结构造成早期改变，甚至有可能造成内部钢筋结构脆性损坏，损失不可估量。除有效预应力过大或过小问题之外，还存在不均匀问题：工程内单条孔道内不同段受力不均和多条孔道同一位置受力不均。有效预应力不均匀会导致工程设施内部预应力钢筋结构寿命受到影响，虽然在外观层面并无明显差异，但会影响工程寿命[2]。

1.2 管道压浆不紧实

在正常预应力张拉压浆施工中，将水泥灌入预应力筋所在孔道，会使预应力筋通过水泥和孔道壁融合起来，进行高密度封闭，不但起到保护预应力筋作用而且融为一体后的建筑结构保证了工程结构强度。在施工中如果灌入孔道水泥浆压浆不够紧实，留有空隙，会造成预应力钢筋锈蚀，并不能和孔道壁黏合，从而导致预应力原理失效，结构内部被破坏，产生裂缝，也可能发生突然断裂垮塌。

1.3 预应力施工通病

在预应力张拉压浆工程施工中，传统施工方式会产生一些可见通病，包括断丝、滑丝、绞线于孔道缠绕和钢筋外露等情况。这也是传统施工方式工程质量难以控制的重要因素。

2 传统预应力压浆技术的不足之处

2.1 传统施工张拉精度不够

传统预应力张拉压浆工程施工中主要装备由机械油泵、千斤顶等组成，在施工中受到工人施工习惯、施工熟练程度、施工技巧等影响较多，从而造成工程误差难以精确掌控。首先，压力和位移控制需要手工调整油泵，无具体参数设置，完全依赖压力表并不精确的读数，从而造成张拉力度不够精确；其次，在工程持荷时间段内施加荷载控制难度大，该施工方式不具备张拉自动补偿功能，如果出现欠张情况，会对整体工程造成极大隐患；最后，钢绞线需要的伸长量需要人工进行测量和记录，数据精确度、测量是否及时和数据是否准确可靠都难以绝对保障。

2.2 传统施工压浆工艺缺陷

传统压浆工艺自身存在可预见缺陷，其中比较突出的是压浆密度不够。如果压浆密度不够，孔道中预应力筋与孔壁之间就会存在空隙或黏结比较疏松，致使预应力钢筋过量暴露在空气中，会导致预应力筋锈蚀、强度降低，并与孔壁之间无法构成高强度整体结构，使整个工程承载力大幅下降，给工程埋下隐患。同时，压浆密度不够还会派生出钢筋锚头应力过于集中的现象，整体结构受力不均匀，达不到整体负荷强度要求[3]。

2.3 传统施工通病无法避免

如果使用传统预应力压浆工艺进行施工，在工程中可能发生钢筋外露、应力钢筋锚头下开裂、断丝等问题，严重影响工程质量。经过对传统预应力压浆技术施工进行全面分析，其中有受限于施工技术的各种缺陷存在，如果将这种传统落后技术应用于高速铁路建设中，除了建设速度会受到较大影响之外，还会造成较大安全隐患，严重影响工程质量。

3 桥梁预应力智能张拉压浆技术施工分析

高速铁路因其特殊地位，安全指数要求必须达标，面对当前建设需求，将智能预应力张拉压浆施工技术引入高速铁路施工中迫在眉睫。智能预应力张拉压浆施工技术不但可以精准控制预应力值，精确控制误差在允许范围内，还能够提高施工效率、节约人力资源、降低施工成本。通过比较，在高速铁路建设中引进桥梁预应力智能张拉压浆技术符合工程建设需求，高速铁路施工质量、经济性均可以得到可靠保障。

3.1 智能张拉机构操作原理

智能张拉机构的组成主要有三部分：智能化主机、千斤顶、油泵。在系统进行张拉预应力控制过程中，智能化主机是整个机构的核心，起到关键作用。通过信息联通，与油泵和千斤顶三者之间协同工作，不需要人为手工协调，可以最大化发挥其功能。该系统人机交互设计智能化，操作界面友好，上手难度低。在具体操作时，仅需要应用计算机把张拉控制力、伸长量误差等常数输入智能主机，因为这些数值以常量形式存储于智能主机中，并且显示对应数值变化，可以为操作人员适时调整提供动态指标。在张拉预应力数值输入计算机系统后，主机通过总线接收到施工数据和参数，进行智能数据分析，通过计算自动确定力和伸长量变化。智能主机对设备发出操作指令信号，开始进行张拉操作。智能系统通过对电机参数进行线性调整，实现实时张拉补偿功能。智能主机精确计算，通过系统指令精确控制油泵电机转速，从而将张拉预应力控制在精准范围内。

在整个张拉施工过程中，依靠智能主机AI 计算指令控制，对张拉过程实现动态监测，各种参数调整在自动化模式下进行，实现自动化工程控制。此外，智能张拉系统还具备漏压补偿和断电记忆功能，不会因为断电等极端情况影响工程质量。

3.2 智能张拉机构施工优势

智能张拉机构可以进行连续张拉施工操作。在进行连续张拉施工之前，工程技术人员输入工程相关机构信息，包括承建单位信息、施工方信息、监理单位信息等。在进行预应力张拉操作过程中，通过互联网通信技术，为上述工程相关单位提供工程实时监控功能，可以协调各方加强对工程质量监控。

例如，监理单位责任工程师可以应用现代信息技术，对实时回传数据报表进行审核和签字确认。现场工程技术人员在施工过程中可对张拉全过程进行实时监控，甚至具体到每一个单位预应力数值都可以进行精确控制，对压力控制精度达到0.1MPa，对位移控制精度达到1mm，智能计算机系统实时分析反馈数据，实现绝对动态精准控制。另外，智能张拉机构具备漏压补偿功能，在应急状态下可以持久保持压力，同时基于计算机内部存储技术，智能张拉机构具备断电记忆功能，如发生意外断电情况，各种参数数据能够得到保持，这种功能设计在张拉操作遇到紧急突发情况时，可以争取处理问题时间，待问题解决之后继续进行施工操作。智能张拉系统在内部计算机帮助下，具备张拉日志储存和导出功能，会实时记录张拉系统工作状态、各个点位参数，在张拉系统施工完毕后，工程技术人员可以通过其中的智能计算机导出张拉日志记录，可以从相关日志记载中获得施工具体完成情况，客观反映施工数据，使整个施工过程做到数据真实、可溯源。

3.3 智能压浆系统操作原理

智能压浆系统基本系统构成与智能张拉系统类似，由智能计算机主机、测控系统和循环压浆机构三大部分构成。智能压浆系统中的智能计算机为整个系统的神经中枢，对其中参数预置和调节是整个系统协同工作的关键，要求操作人员具有较强计算机操作能力。智能计算机通过系统软件和外设进行连接，进行压浆流程控制，可确保水泥浆液在系统内部循环不间断，同时通过压力冲孔把孔道内部空气和其他杂质通过物理方式排出。若水泥浆液在内部循环中发生阻塞，主机则自动开启报警装置对操作人员进行紧急提示。该系统在预应力孔道出口位置安装有高精度传感器，操作人员通过传感器获取浆液水胶比、孔道压力、流量等参数，及时将参数回传给计算机主机。计算机主机对回传参数进行分析和比对，再对分支系统进行施工参数调整，保障整个压浆施工过程在合理参数范围内进行。智能压浆系统可以通过计算机实时调整参数，保证孔道内部浆液紧密程度，尽可能减少内部空隙，并且对压力的调整是线性的，具体应用时可以结合工程需求进行孔道内持压。智能压浆系统配备自动浆液加水装置，根据参数变化准确加水，动态精确控制水胶比，改变了以往人工分时段仪器测量需要人工观察并加水的操作方式。

3.4 智能压浆系统施工优势

压浆施工操作主要目的是保证预应力钢筋通过混凝土与孔道壁融合，使预应力钢筋、混凝土结构成为整体，将预应力分布至施工对象整体，同时也对预应力钢筋进行包裹和保护，防止其发生腐蚀而影响强度。如果预应力孔道内压浆紧实度不够，存在较多空隙，那么对预应力钢筋的保护就会出现瑕疵，而且预应力钢筋与整体结构之间锚固不够紧密，影响整体工程承载力。智能压浆系统应用解决了传统压浆技术可能存在的问题，施工中保持浆液循环不中断，将预应力孔道出口浆液导入储浆桶并再次进入浆液孔道循环。该系统为了保证孔道压浆紧实度，能够做到实时排空压浆孔道内部空气，并且采用持续循环压浆灌输施工方式，在出浆口与进浆口均安装高灵敏传感器，实时监测水胶比，在整个施工过程中保证参数误差在规定范围。在整个压浆施工操作中，形成智能主机—施工单元—传感器—智能主机—施工单元循环工作模式，以机构中智能主机为核心，动态调整施工参数数据，保持施工严谨性，工程质量得以保证。与以往传统压浆施工方式相比较，智能压浆系统实现全自动化、智能化，避免人为操作产生的过大误差和误操作现象，各项工程指标控制更加准确。智能压浆系统工作原理如图1 所示。

图1 智能压浆系统工作原理

4 桥梁智能预应力张拉压浆技术应用前景

在高速铁路施工过程中，可充分体现智能预应力张拉压浆技术的优点。从技术参数方面进行系统分析，采用智能张拉系统，当张拉力产生1%波动时，在进行锚固之前系统就会启动自动张拉功能，并且将拉力自动修正，实现真正意义上的双向自动控制。系统自动获取施工数据并且根据规范进行调整，与张拉力调整实现高度同步。在实际应用中，二者同步精度达到±2%。应用智能化张拉系统，按照技术人员设定的参数进行自动施工，最大限度地避免人为误操作和人为误差过大造成的质量问题。另外，在工程质量监督方面，施工过程中能够通过互联网技术实时远程监控，对施工人员、工程主体安全进行充分保护，提高管理水平和工程质量。

高速铁路建设施工中智能压浆系统应用的优势主要体现在通过系统自动参数调整和精确控制，可以将预应力孔道中空气和杂质接近完全排出，整体提高压浆密度和均匀度，避免人工压浆操作所可能造成的工程质量问题。另外，智能压浆系统在高速铁路建设中应用，工程监管单位可以通过系统日志功能将施工过程和参数进行导出备案，掌握施工数据，做到施工操作可溯源，提高整个工程质量监管水平。

上述是桥梁智能预应力张拉压浆技术在工程质量保证和管理水平提升上的优势，从经济效益角度出发，会更加直观地体验到采用此项技术的优势。如传统张拉系统操作至少需要6 名技术人员参与工作，分别负责张拉、测绘、记录数据。反观智能张拉系统，则仅需要两人，分别负责系统参数设置和调整以及施工现场监管。智能压浆系统能够同时进行双孔道压浆操作，而传统人工压浆只能单孔操作。智能系统不仅节约人力资源而且施工效率高，同传统操作相比较经济效益也是无法比拟的。

5 结语

经过上述案例分析、技术对比、施工优势分析等研究，智能预应力张拉压浆技术在保证工程质量、提高工作效率、节约施工成本方面具有得天独厚的优势，所以此种技术在桥梁施工中得到广泛应用。在高速铁路施工中，该技术具有很好的可移植性，同样可以拥有很广阔的应用前景。经过适应性发展与改进，桥梁智能预应力张拉压浆技术在高速铁路施工中将很快体现出实用价值。