大跨度下承式系杆拱桥顶升混凝土关键施工技术

徐能成 姚建平 李郁潺

上海南汇建工建设（集团）有限公司 上海 201399

系杆钢拱桥由于具有抗震性好、施工进度快、自重轻等特点，被广泛应用于现代大跨度桥梁施工中。系杆钢拱桥拱肋内需泵送顶升高等级自密实补偿收缩混凝土，混凝土的浇筑质量影响到桥梁的结构安全[1-6]。虽然目前泵送顶升混凝土施工工艺已经较为成熟，但从工程实例来看，泵送过程中仍然会出现一些问题，且有些问题是事先没有预测到的，因此此项施工工艺还有可以提高优化和改进之处。

1 工程概况

1.1 项目概况

大芦线航道整治二期工程5标老芦公路桥，工程范围内道路全长1 199 m，主桥采用一跨跨越航道，长度为117 m，计算跨径为114 m，桥宽34.0 m，采用“先拱后梁”法施工。上部结构为下承式系杆拱桥，由钢管混凝土拱肋、纵梁、中横梁、端横梁、柔性吊杆、后浇纵梁及后浇桥面系等组成。下部结构每个主墩采用2根立柱与支座位置相对应。全桥横向采用2片拱肋，纵桥向主桥两端通过支座作用在桥墩上，为外部简支体系，全桥共设置4个竖向支承支座。

1.2 拱肋概况

本工程主桥有2片拱肋，为等高度圆端形钢管混凝土结构。拱肋宽度1.2 m，截面高2.7 m，拱肋钢板壁厚20 mm，拱肋横桥向间距为26.3 m。拱轴线计算跨径114 m，矢跨比1∶5，拱肋矢高22.8 m，拱轴线为二次抛物线。为了确保浇筑自密实补偿收缩混凝土时，钢管不变形，并改善钢管与混凝土的结合效果，内壁设φ25 mm@500 mm的横向加强筋和75 mm×10 mm的角钢，防止拱肋横向变形，对应的腹板内壁设加劲钢板，壁厚20 mm。

2 重点、难点和特点分析

2.1 混凝土性能指标要求高

泵送顶升混凝土对级配要求很高，需要有优质的原材料和科学合理的配合比方案。按拟采用的配合比方案进行强度和收缩性试验，考虑到对混凝土膨胀率的要求，收缩性试验需提供3个月以上的资料，根据试验结果确定最终配合比方案，因此，配合比试验相关数据对顶升混凝土的质量起着关键作用。

2.2 保证泵送顶升的连续性和同步性

2片拱肋两端共布置4台高压固定式混凝土输送泵，顶升过程中拱肋受力复杂。为控制顶升混凝土过程中拱脚位移值满足设计要求及整座桥的均衡受力，需进行同步均匀、连续的对称泵送顶升浇筑，且要保持相近的泵送压力，这对混凝土的运送保障能力和现场组织能力有较高的要求。同时考虑到泵送设备可能会产生故障以及泵管产生爆裂、堵塞等情况，会给混凝土浇筑的连续性、同步性带来影响。因此，做好各种突发事件应急措施的预演非常重要。

2.3 其他工序的穿插和协调配合

拱肋内泵送顶升混凝土施工工艺与普通的混凝土浇筑施工工艺相比，除了工艺要求的差异性，它的特点还不只是局限于自身的浇筑。由于拱肋的受力特性，其在浇筑过程会加大承受竖向荷载，拱脚支点位置会产生指向两岸方向的水平推力，这就需要通过在两岸设置的临时预应力张拉装置来完成平衡。因此，泵送顶升混凝土过程，实际上还有其他施工工序的穿插和协调配合，如何处理好各工序的顺序关系到整座桥梁的施工质量和受力特性。

3 施工工艺和施工流程

3.1 施工工艺

拱肋内顶升混凝土采用C50自密实补偿收缩混凝土，单片拱肋混凝土理论量为308 m3，2片共计616 m3。根据对称均衡原则，以拱顶为对称中轴，进行钢管混凝土的浇筑施工。为保证拱肋混凝土的密实性，采用在拱肋两端泵送顶升压注浇筑方法，浇筑时由输送泵将混凝土连续地自下而上压入钢管拱肋内，不需要振捣，直至拱肋顶部排浆管溢出混凝土为止，本工程采用两级泵送的方法浇筑施工。

3.2 施工流程

安装浇筑口截止阀→布设安装泵送管及输送泵→泵送清洗钢管→泵送高等级砂浆润滑管壁→一级浇筑口泵送混凝土（对称）→二级浇筑口出混凝土→停止泵送、关闭一级浇筑口截止阀→临时抗推钢索初张拉→连接二级浇筑管→二级浇筑口泵送混凝土（对称）→拱顶排浆管溢出混凝土→停止泵送→关闭二级浇筑口截止阀→临时抗推钢索终张拉→清洗拆除泵送管及输送管→混凝土养护

4 顶升混凝土主要性能指标

泵送顶升混凝土的性能指标关系到工程质量好坏，配制的混凝土既要满足和易性、耐久性、均质性和可泵性，还要满足强度等要求。在采用机制砂试配不成功的基础上，通过采用天然河砂的4次试配，最终成功。

1）配合比：水∶水泥∶矿粉∶粉煤灰∶砂∶碎石∶外加剂∶膨胀剂＝160∶350∶50∶85∶870∶881∶5.82∶37。其中，水泥为P·O 42.5水泥，矿粉为S95，粉煤灰Ⅱ级，砂为天然中砂（细度2.9，含泥量1%），碎石粒径5～20 mm，外加剂为标准型高性能减水剂，膨胀剂为HEA，充分补偿收缩，防止产生裂缝。

2）坍落度和扩展度：混凝土不泌水、不离析，混凝土弹性坍落度控制在200～260 mm，实际是250 mm；扩展度控制在500～650 mm，实际是600 mm。

3）初凝和终凝时间：钢管内混凝土根据实际的泵送能力确定合理的初凝时间和终凝时间，并要考虑缓凝型减水剂对膨胀率的降低，初凝时间为800 min，终凝时间为1 105 min。

5 机械设备选择

5.1 泵送设备要求

共配置6台ZLJ5180THBJE型车载式混凝土泵车，其中在拱肋两端共布置4台，备用2台。每台泵车平均每小时泵送50 m3混凝土，每片拱肋单根计划在4 h内完成泵送。输送泵的系统泵压一般在5～10 MPa。配备2支高压水枪，以便混凝土从出浆孔冒出后，马上清洗肋拱。

5.2 运输车辆配备

考虑到混凝土搅拌站距离本项目不足2 km，故配备10辆12 m3的混凝土搅拌车满足4个浇筑点同时浇筑的混凝土供应，其中9辆使用，1台备用，以保证拱肋钢管混凝土连续泵送顶升浇筑。

6 主要施工技术

6.1 泵管的布置

1）泵管采用直径为125 mm高压管，在浇筑孔位置及管道线路上，搭设专用支架，用于架设混凝土输送泵管。为保证管道的稳定性，每隔2.5～3.0 m用钢管将高压管加固。

2）在泵管对接前，仔细检查管内壁是否清洁，接头和密封圈完好性，以免在泵送过程中发生堵塞、爆裂等现象。接好后对输送管要逐节检查，以确保管节接口严密，杜绝混凝土在泵送顶升过程中发生脱管。

3）在混凝土泵送顶升前，应在浇筑管上设置防回流截止阀，并对压浆管与拱肋钢管及法兰盘接口的焊缝进行加劲处理。

6.2 浇筑口设置

6.2.1 一级浇筑口设置

一级浇筑口开设在距拱脚2.0～2.5 m处，使用内径125 mm、壁厚不小于3.5 mm、长1.4 m的钢管浇筑管，设在拱肋上方，其中伸入拱内段长850 mm与钢管拱的轴线成45°，同时在拱肋内的导向管端部加1个约135°弯头，使出料口的方向与钢管拱的轴线保持一致，可减小泵送阻力，以保证顶升混凝土顺畅性。将混凝土输送管与钢管浇筑管用法兰连接，并设截止阀。

6.2.2 二级浇筑口设置

在主拱1/2矢高处的对称位置，设置二级浇筑口，设置方法与一级浇筑口一致。

6.3 增压排浆管设置

在拱顶两侧对称位置设置2根直径150 mm、高1.5 m的增压排浆管，间距3 m，管口向侧面略微倾斜，以免排溢出的混凝土污染拱肋。同时为了避免溢出的混凝土飞溅到邻近的钢便桥，在排浆管上套一段软管。

6.4 临时抗推钢束布置

在钢管拱肋安装风撑时，泵送顶升混凝土前，进行纵向临时水平束的穿索。临时抗推钢束采用4根光面PEJ15H-31D的钢绞线成品索，全桥共计8根，每根质量约4 t，临时索分别位于拱脚处和拱脚外端横梁预埋钢锚箱处，各4根。

6.5 泵送顶升混凝土

1）泵送顶升前进行混凝土现场的坍落度及扩展度测试，结合测试结果进行针对性调整，并对拱脚外端横梁预埋钢锚箱处的4根临时水平抗推钢束预张拉250 kN。

2）先泵送顶升一级浇筑口的混凝土，一级浇筑口的混凝土浇筑完成后，进行拱脚外端横梁预埋钢锚箱处的4根临时水平抗推钢束第二次张拉1 300 kN，二级浇筑口的混凝土浇筑完成后进行最终张拉3 300 kN。

3）拱肋全跨度从两侧拱脚处，自下而上对称地连续同步泵送顶升浇筑，尽量避免停泵。泵送顶升时需确保拱肋内的混凝土在初凝前完成，所以在泵送完一道管时，应及时连接好下一道管的输送管，尽量缩短泵送时间。

4）开始泵送时泵机应处于低速压送状态，并应注意观察泵的压力和各个部件工作情况，压力控制在5～10 MPa，一般以7 MPa为宜，待压送顺利和各个部件工作状态正常后，方可提高泵送速度。

5）当混凝土泵送顶升困难，泵压升高及管路产生振动时，不得强行泵送，应对管路进行仔细检查，并放慢泵送速度或反转，以防堵塞管道。

6）当输送泵管被堵塞时，可以用木槌等敲击管路，查出堵塞的管段，关闭防回流截止阀，待混凝土泵卸压后再拆卸堵塞的管段，取出堵塞的杂物，并检查其他管路有无堵塞情况，方可再接管。重新泵送混凝土时，应打开防回流截止阀后再进行泵送。

7）单片拱肋钢管混凝土泵送时，应严格遵循拱肋两边对称同步施工，防止因一边上升过快而引起拱肋纵向振动。可通过混凝土的运输量、泵送量及敲击检查结果等来判断，两岸拱肋内混凝土长度差控制在1 m以内。泵送时必须利用对讲机随时联系，以保证两端混凝土顶升速度同步。

8）当拱肋顶部排浆孔有浆液排出时，要放慢泵送速度，每泵一下后停一下，使多余的气体和浆液全部排出，直到排浆孔内溢出混凝土性状与泵送混凝土性状相同为止，溢出过程一般控制在3 min左右即可，然后稳压并关闭防回流截止阀。

9）当钢管拱肋内混凝土的强度达到50%以上时，即可拆除钢管拱肋上的浇筑孔和排浆孔，所有的孔都应用原切割下来的钢板进行焊接封闭。切割焊接时，需同时做好降温处理，避免灼伤混凝土。

10）待钢管拱肋混凝土的强度达到设计强度的80%后，检查拱肋混凝土是否密实，需进行密实度的检测，并提交检测报告。采用人工敲击钢管进行初步检查，声音沉而哑的，表明混凝土已填充饱满，否则可能存在异常情况。

11）当钢管拱肋混凝土的强度达到设计强度后，用超声波对拱肋内混凝土的密实度情况进行检测，发现问题应及时采用钻小孔压浆法进行处理。

7 实施效果

1）本项目经过近7 h的顶升浇筑，共完成48车混凝土的浇筑，混凝土实际累计方量为576 m3。

2）东片拱肋顶部对称的2根排浆管溢出时间差控制在1 min之内，西片拱肋顶部对称的2根排浆管几乎是同步溢出，说明整个顶升浇筑过程的同步性非常完美。

3）拱肋顶部的排浆管溢出时间达到3 min以后，溢出的不再是浆液，而是和顶升的混凝土性状一样，很好地确保了拱肋内混凝土的质量。

4）通过检测，拱肋内混凝土的质量满足设计要求。

8 结语

虽然泵送顶升混凝土顺利完成，但在现场实际操作中，也存在一些不足之处仍需要改进。

1）泵送冲洗拱肋时，由于没有派专人跟踪观察泵送冲洗的水是否排尽，排水口因被拱肋内的垃圾堵塞，水没有排出，在浇筑前才发现此情况，导致延误了2 h开始顶升。

2）泵车调度人员要仔细认真，不能安排有误，本项目在浇筑过程中由于调度出现问题，有一轮回2辆泵车运送地点产生了互换，打乱了浇筑节奏，导致延误30 min，影响了整个浇筑流程。

3）泵送顶升过程中，需要有人站在拱肋顶部随进度跟踪检查和进行相关配合。因此拱肋临边的安全防护及对工人的技术交底也应提前落实到位，防止意外事故发生。