系杆拱拱肋顶升混凝土施工技术

蒲桂林

摘要 以云山特大桥为例，全面分析了系杆拱拱肋顶升混凝土的施工流程及要点，对顶升施工过程中的监控量测及应急处置措施提出了具有较强指导性的建议。基于提出的混凝土顶升施工工艺和措施，该桥梁的系杆拱拱肋顶升混凝土施工得以保质保量完成，表明所提施工措施能够满足该桥梁的工程实际情况，能够为同类型工程施工積累丰富施工经验。

关键词 系杆拱；施工技术；钢管混凝土；拱肋顶升；上部结构

中图分类号 U445.57文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）24-0099-04

0 引言

系杆拱桥为梁拱组合结构，具有跨度和刚度大、受力性能优良、施工便捷、造型轻便美观的突出优点，广泛应用铁路和城市轨道交通的桥梁。然而，系杆拱桥需要在钢管拱中灌注混凝土，其混凝土的浇筑质量直接关系着混凝土和钢管的协同受力，需要在施工过程中进行严格把控。

现有研究主要集中在系杆拱桥钢管混凝土顶升施工的单个环节上，在各主要关键环节的施工要点体系化梳理和总结方面的研究尚不足，如李小和等[1]以京津城际铁路跨北京四环路的系杆拱连续梁桥为研究对象，探讨了该类桥型在墩顶现浇段施工、连续梁合龙及体系转换、钢管拱的制作与安装、钢管拱内混凝土的顶升、施工监测及线形控制等施工过程中的关键技术，给出了钢管拱内混凝土顶升的一般流程。李树光[2]以广州市解放大桥为例，对无风撑钢管混凝土系杆拱桥的上部结构主要施工工艺流程进行了总结，分别探讨了钢管拱肋制作、吊装及桥面系施工方面的施工工艺特点，对混凝土的坍落度和泵送速度给出了建议。祝强[3]以丹东月亮岛大桥为例，研究了下承式钢管混凝土提篮式系杆拱桥的施工方法，探讨了钢管混凝土提升施工泵送顺序对成桥结构受力状态及线性的影响，提出先对称同步泵送下弦管混凝土，再对称同步泵送上弦管混凝土的浇筑顺序。以上文献往往从一个方面总结系杆拱桥施工关键技术，但对拱肋顶升混凝土的总结较少。基于此，该文以云山特大桥为工程背景，探讨系杆拱桥梁结构的拱肋顶升混凝土施工技术体系和施工关键要点，提出相应的指导性施工建议，以期为同类型工程施工提供参考。

1 工程简介

云山特大桥主桥为跨度为144 m的系杆拱桥。系杆拱主要由拱肋、拱脚、横撑、系梁和吊杆组成，属于典型的下承式尼尔森钢管混凝土拱体系。拱肋采用抛物线形，平面内矢高为28.8 m，矢跨比为f/l=1/5，截面采用了叠合拱。吊杆为尼尔森平行吊杆，由127根φ7 mm高强低松弛镀锌平行钢丝束组成，并配备了低应力防腐索体和外包不锈钢防护。为进行施工及后期运维过程中的索力监测，各吊杆均加装光纤光栅压力传感器。

拱肋顶升混凝土为C50自密实补偿收缩混凝土，混凝土总方量为1 212.34 m3，其中下弦管混凝土约为451 m3，上弦管混凝土约为482 m3，腹腔混凝土约为279.34 m3，具有浇筑总量大、浇筑范围较广、顶升高度较高的特点。

2 系杆拱拱肋顶升混凝土施工流程及要点

钢管混凝土系杆拱结构具有良好的受力性能。当钢管被混凝土填充后，钢管与管内混凝土相互作用，使得钢管壁的稳定性得以提升，核心区混凝土的抗压力学性能得以加强。另一方面，钢管壁能够作为混凝土浇筑时的模板，大大简化施工工艺，有效缩短施工周期。但由于钢管混凝土系杆拱拱肋的跨度和高度均较大，其混凝土浇筑质量极难控制。将以云山特大桥为对象，介绍适用于钢管混凝土系杆拱的拱肋混凝土顶升施工相应流程及技术要点。一般而言，拱肋顶升混凝土施工可分为施工准备阶段、混凝土顶升阶段和灌注质量检查等[4]。

2.1 施工准备阶段

施工准备阶段的主要内容包括总体浇筑顺序确定、进出浆管和排气孔的布设、输送管布设、输送泵选择、混凝土配制、顶升前的全面检查和技术交底等。如图1所示，为钢管拱拱肋顶升混凝土施工准备阶段的主要工作流程。

在总体浇筑顺序的确定方面，应综合考虑现场工作面和浇筑过程中拱肋的受力情况。该项目结合现场实际，确定总体浇筑顺序依次为下部钢管拱肋、上部钢管拱肋和拱肋腹腔。首先，在系杆拱大小里程左侧同时灌注下部钢管拱肋；其次，在大小里程右侧同时灌注下部钢管拱肋；再次，在大小里程先右后左侧同时灌注上部钢管拱肋；最后，在大小里程先左后右侧同时灌注腹腔[5]。需要注意的是，在浇筑过程中，应待下部钢管拱肋混凝土强度及弹性模量达到设计值的80%后，再顶升上部钢管拱肋混凝土，待上部拱肋混凝土强度及弹性模量达到设计值的80%后再分仓、对称灌注拱肋腹腔混凝土，严防腹板外鼓[6]。

进出浆管和排气孔的布设，应综合考虑浇筑顺序和部位、浇筑过程控制和拱肋中气体排出等因素。该项目结合现场实际，首先在单侧单根拱肋设置四个灌注孔，四个灌注孔分别对称设置于拱肋中心线的侧面管壁，灌注孔与拱肋轴线的夹角介于20°～45°；同时在灌浆孔处设置进料管，其材质和管径与输送管一致，并加设截止阀门，如图2所示；然后，沿单侧拱肋及腹板轴线上设置3组排气孔，2组泄水孔，排气孔设置在拱肋大小里程1/4处及拱肋最高点1/2处，泄水孔设置在每个拱肋及腹板靠近拱脚位置，以便于混凝土顶升时排气及冲洗，同时下弦管必须加设专用排气孔避免混凝土浇筑时在隔仓板附近形成密闭空气[7]；最后，在拱顶处设置高度不小于150 cm、直径Φ150 mm的排浆管；应当注意的是，灌注孔和排气孔开孔前应先放好样，避免反复切割和大小尺寸间距过大，且应将切割钢板编号并注意留存好，以便后期补焊，开孔处应加焊加劲板。

输送管布设应遵循直管优先和连接可靠的原则。该项目结合现场实际，在拱脚附近设置泵管上弦压注口，下弦压注口沿输送泵出口水平延伸接于弦管。在管道的选择和固定方面，将与进料管相连的第一节泵管设置为直管，避免选用弯管，管道均采用槽钢进行加固，并沿管道全长设置足够的支点或者悬挂点，以确保泵送过程中输送管的可靠运行。同时，该项目在输送管安装后，安排专人进行接头胶垫圈位置准确性、卡箍及螺栓安装可靠性等施工质量的核查。最后，为方便施工时溢出混凝土的冲洗及泵送前泵管和拱肋钢管的湿润冲洗，该项目在钢管拱肋上进行了供水管道的布设。

输送泵的选择应综合考虑泵送高度、泵送过程的压力损失和地泵的压力储备等因素。该项目现场最高泵送高度为28.7 m；单个地泵输送泵管存在两个转角为90°、半径为1 m的用于泵管上桥及转换的弯管，31 m水平管和20 m竖直管，泵管总长度为51 m。因此，该项目的混凝土泵送沿程损失总压力P可利用公式（1）计算得到，其中的弯管压力损失P1、水平泵沿程压力损失P2、竖直方向压力损失P3可利用公式（2）计算得到。加之，高标号混凝土泵送可能遭遇的混凝土配比、温度、环境和操作原因等影响，故选用具有较高压力储备的中联重科ZLJ5140THBEF型车载泵，以充分保障施工需求[8]。

P=P1+P2+P3 （1）

式中，P1——弯管压力损失值，可由弯管数量和每个弯管的压力损失计算得到；P2——水平泵沿程压力损失值；P3——竖直方向压力损失值。P2和P3可由公式（2）计算得到。

式中，d——混凝土输送管直径（m）；S——坍落度（cm）；t2/t1——混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土时间之比，其值约0.2～0.3；V2——混凝土在管道内的流速，当排量达30 m3/h时，流速约0.82 m/s；α2——径向压力与轴向压力之比，其值约0.9；l——水平管道总长度（m）；ρ——混凝土的密度（kg/m3）；h——混凝土泵送高度（m）。

混凝土的配制应充分考虑钢管混凝土浇筑的自密实、混凝土不离析、连续泵送性能和保障工期的要求。因而，用于鋼管拱肋浇筑的混凝土应具有一定的微膨胀性、低气泡、高流动性、延后初凝和早强等性能。微膨胀性使得混凝土具有无收缩补偿的性能，能够确保混凝土充满钢管且密实；高流动性使得混凝土能够在不加振捣的情况下自密实成型，在坍落度为18～22 mm时，混凝土中的碎石将呈现悬浮状态，粗骨料在顶升过程中不会因自身重力下落造成顶升失败；延后初凝性使得混凝土能够被连续泵送；早强性使得混凝土浇筑后能够尽快达到强度要求，以满足工期和现场施工要求。基于上述特点和工程实际，该项目确定采用C50自密实补偿收缩混凝土，且要求坍落度介于18～22 cm之间，扩展度介于550～620 mm之间，2 h坍落度损失<20 mm，初凝时间在10 h以上，5 d强度达到设计强度的95%，试配强度为58.2 MPa，每盘净拌时间不少于2 min[9]。需要注意的是，对原材料的性能进行严格把关，在配制前，该项目要求确认检查各种原材料的技术证明书和出厂合格证，并予以抽检，合格方可使用[10]。

顶升前的全面检查和技术交底对于保障混凝土顶升施工顺利进行至关重要。该项目针对现场各机械设备，特别是对拌和楼、输送泵进行全面检查和维修；其次，在监理工程师监督下对现场的拱肋钢管焊接接头进行超声波检查焊缝，质量合格后方进行混凝土的泵送[11]；最后，由总工程师向有关技术人员、作业人员作技术交底，详细阐述顶升工艺、关键工序及注意事项等。

2.2 混凝土顶升阶段

混凝土顶升阶段的主要内容包括顶升时间确定、管壁润湿、混凝土对称泵送和顶升结束等。如图3所示为混凝土顶升阶段的主要工作流程和要点。

顶升时间的确定应考虑气温对混凝土坍落度损失的影响。因此，该项目将顶升日期选择在气温较低且日温差变化较小时，结合有效的施工组织，确保在当日气温较低的时段进行顶升操作，且7 h内完成单次顶升浇筑。

管壁润湿旨在保证管内渣物有效排出且减小混凝土泵送阻力。因此，该项目压注前，从拱顶向下用清水进行冲洗，并在拱脚设置多个排渣孔，以保证管内渣物充分排出和泵管各段的有效润湿。

为确保混凝土的对称泵送，该项目在拱肋混凝土灌注施工过程中，遵循连续低压慢泵的原则，从拱肋两端拱脚处对称地连续浇筑，并在拱脚混凝土初凝前全部完成；当排气管内溢出的混凝土浓度与泵送混凝土浓度相同时，进行排气管的封堵；同时，该项目在拱顶出浆口安装消防管进行导流，将出浆引到地面的集料袋，待混凝土顶升完成后，通过汽车吊将集料袋中的浆体作为其他利用[12]。

顶升结束后，应注意灌注孔、排气孔和出浆孔的拆除和封堵。该项目中，所有孔的封堵均待钢管拱内混凝土强度达到50%以上后进行，孔的封闭均采用原切割钢板进行焊接。同时，在切割和焊接过程中，均采取有效降温措施，以避免烧伤混凝土。

2.3 灌注质量检查

拱肋混凝土是否密实等灌注质量的检查应在拱肋混凝土强度达到设计值后进行，可采用超声波法进行检测。若检测发现不密实的部位，可进一步采用钻孔压注水泥浆的方法进行填充。该项目在浇筑完成后，在监理工程师监督下对现场的拱肋混凝土浇灌质量进行超声波检查，抽检部位管内混凝土浇筑密实。

3 顶升过程中的监控量测及应急处置措施

3.1 顶升混凝土过程测量与控制

混凝土的顶升过程应进行有效的监控量测，主要表现在灌注标高监测、拱肋轴线偏位和标高监测，以及拱肋应力应变监测。

灌注标高的监测对于判断两侧混凝土浇筑的对称性具有重要意义，若两对称半跨的进度差超过1 m，应及时进行浇筑进度的调整。该项目结合现场实际，综合采用混凝土用量估算和现场检查等方法进行标高测量。首先，设置专人在搅拌楼记录拌和混凝土的盘数，并采用对讲机随时与浇筑现场进行沟通；其次，安排专人敲击拱肋钢管，以敲击声音判断混凝土的已浇筑位置。

为有效进行拱肋轴线偏位和标高监测，该项目在拱脚、1/4跨、拱顶、3/4跨（共4处）分别设置测量标记点，在每一个节段的混凝土泵送后，利用预先布设的棱镜和全站仪监测钢拱肋各标记点的标高和偏位。同时，将浇筑高程实测值允许偏差及轴线偏位实测值允许偏差分别取L/3 000和L/4 000（L为跨径）。

为监测混凝土浇筑过程中的拱肋应力应变情况，该项目在拱脚、1/4跨、拱顶、3/4跨（共4处）安装应力计，在每一个节段的混凝土泵送后，进行应力应变数据的采集。

3.2 应急处置措施

混凝土泵送易发生泵送困难、堵塞等情况，该项目结合现场实际，采取了切实有效的应急处理措施。

泵送困难或泵送压力过大的情况多出现在混凝土泵压到拱肋四分点及以上部位。此时，应及时启用备用孔进行混凝土泵压，原则上控制在0.5～1 h内完成所有换管。

混凝土泵管堵塞可以通过按压反泵开关和拆管清除堵塞物等方法进行排除[13]。但为有效保障灌注过程的连续性，该项目在每根上下弦钢管的1/4 L靠下位置处增设一个注浆孔备用，此注浆孔同时作为出气孔使用，当注浆混凝土面到达备用孔时，关闭此处的截止阀；当出现混凝土中断不能继续顶进时，立即启用此注浆孔，继续进行混凝土的顶升施工。

4 结论

桥梁系杆拱结构形式目前在跨路、跨江等环境下较为常用，而拱肋顶升混凝土施工技术是该工艺施工中非常重要的一道工序。该文探讨系杆拱桥梁结构的拱肋顶升混凝土施工技术体系和施工关键要点，提出了相应的指导性施工建议。如今该桥梁工程已建设完成，经过相关质检监测，完全符合验收标准，表明该工程所使用的施工技术具有超强的可行性，值得在今后同类型工程施工中应用推广。

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