大跨度钢管拱混凝土真空辅助泵送顶升施工

汤厚兴

1 工程概况

小榄水道特大桥属于新建铁路广州—珠海城际快速轨道交通工程，本桥桥址处于珠江三角洲平原，跨越小榄水道，北向于新广州，小榄水道特大桥主桥跨布置为100 m+220 m+100 m V构—钢管拱组合桥，主桥桥长420 m，为迄今为止客运专线跨度最大的连续刚构桥。钢管拱肋采用N形桁架，在靠近拱脚位置采用变高度哑铃形截面，上、下弦管直径为900 mm，壁厚分24 mm，22 mm和20 mm三种，为钢管混凝土结构，腹杆采用φ 600×16 mm的空钢管。两片拱肋间设7道横撑，拱顶3道为米字撑，其余4道为 K字撑，横撑由 φ 500×12 mm，φ 300×10 mm，φ 350×12 mm，φ 200×10 mm钢管组成，横撑钢管内不填混凝土。全桥拱肋吊杆共设15对，顺桥向间距为9 m。

2 施工方案

根据设计要求和实际施工现场的情况，本桥钢管拱混凝土施工灌注C50微膨胀混凝土，高压泵送顶升灌注真空辅助工艺，灌注顺序先下弦管，后上弦管。

3 施工前准备

3.1 混凝土配合比设计

钢管拱肋灌注为C50微膨胀混凝土，施工前进行配合比设计，并对配合比、膨胀率等做性能测试，要求符合GB J119-98规定。根据以上要求，试验人员在参考以往的施工经验，做了大量的试验，最后筛选出了最优化配合比。

混凝土配合比及混凝土各项技术性能指标如表1所示。

表1 混凝土配合比

3.2 真空泵选择

本钢管拱灌注单根管弦最大容积120 m3，一台真空设备同时对南北两岸拱肋进行抽真空，因此选择设备时考虑实际情况选择SZ-2型水环式真空泵，排气速率 2 m3/min，配用功率4 kW，极限真空度4 000 Pa。

3.3 输送泵选择和布设

1)输送泵的额定泵送能力应不小于灌注速率或实际混凝土供应量的2倍。2)输送泵的额定压力须满足最大泵送压力，即静压力和泵送压力叠加之和。3)输送泵的额定扬程应大于1.5倍的灌注顶面高度，本桥要求输送泵的额定扬程大于100 m。

顶升压力计算:根据流体力学能量方程知ΔP=γ h+ ∑p，其中，∑p为各种压力损失总和。

综合上述情况输送泵采用SANY-SY51混凝土输送泵，泵送混凝土压力22 MPa，水平输送距离1 200 m，高程400 m，满足实际施工要求。

3.4 出浆孔、出渣孔及灌注头制作

钢管拱骨架合龙后在拱顶处每根钢管的顶部开一个孔，外焊钢管作排气出浆孔。加劲板焊接骨架钢管采用周边焊，出浆孔高度1.5 m。出渣孔设在拱座上钢管最低点，采用截止阀或钢板螺栓连接封闭。灌注头孔径采用125 mm，与混凝土输送管等直径，其方向向上，与钢管轴线成30°的角度。下弦管压注头设在离拱脚约7.5 m处的钢管侧面，与钢管轴线成 30°～50°夹角，上弦管压注头设在离拱脚约2.5 m处的钢管顶部，与轴线的角度同下弦管，灌注头安装M125截止阀，施工完毕进行关闭截止阀，防止混凝土反向倒流。

4 钢管混凝土真空辅助泵送顶升施工

4.1 灌注顺序

每条钢管拱肋对称一次性灌注完毕，从每管下端灌进，顺管而上。具体灌注顺序为:1)上游下弦管;2)下游下弦管;3)上游上弦管;4)下游上弦管。全桥拱肋按照实际时间分4次对称灌注，见图1。

4.2 泵送清水与水泥砂浆

清水必须湿润所有的输送泵管。检查输送泵工作情况是否正常、输送管道有无渗漏。同时冲洗钢管内壁，清理焊渣和其他杂质。清水泵送完毕后，泵送水泥砂浆，进行润滑泵送管道，减小泵送过程混凝土和管壁之间的摩擦力。

4.3 真空辅助施工

1)启动真空泵抽真空，使真空度达到-0.08 MPa～-0.06 MPa并保持稳定。2)启动灌注混凝土泵，进行混凝土泵送顶升灌注，在灌注过程中严格控制泵送混凝土质量和速度。3)泵送顶升灌注混凝土过程中，真空泵保持连续工作。4)待泵送混凝土快达到钢管出浆口顶部时，撤离真空辅助设备。5)灌注泵继续工作，待混凝土在出浆口冒浆1.5 m，并且维持2 min。关闭灌注泵及灌注端阀门，完成混凝土顶升真空辅助灌注。拆卸外接管路、附件、清洗设备及阀泵。6)完成灌注后，必须将所有水泥浆、混凝土的设备清洗干净。

真空辅助工艺具有以下特点:1)在真空状态下，钢管内的空气大大降低，避免了泵送混凝土与管壁结合处产生大气泡现象。2)灌注过程中钢管具有良好的密封度，可以使混凝土保证充满整个钢管。3)真空辅助灌注是一个连续且迅速的过程，缩短了传统的钢管混凝土泵送顶升灌注时间。

4.4 泵送顶升C50微膨胀混凝土

钢管拱混凝土具备和易性好、可泵性好、无泌水现象。采用正交试验法初选出混凝土的配合比，再在初选配合比的基础上进行了掺与不掺UEA、粉煤灰、外加剂等的对比试验，最终确定施工配合比。施工过程中严格控制按照灌注顺序进行施工，随着混凝土在管内上升，真空泵在拱顶部出浆口进行抽真空，真空度维持在-0.08 MPa～-0.06 MPa之间。混凝土泵送过程中，设专业质检人员用敲击法判断管内混凝土的填充情况，如有空隙应及时用体外加振法解决。灌注时环境气温应大于5℃，当环境气温高于40℃，钢管温度高于60℃时采取降温措施。

4.5 质量保证措施

1)所有输送泵在每次混凝土灌注前对各部件都要进行认真检查，并试运行，确保在整个混凝土灌注过程中，机况运行良好。2)泵送混凝土前，先泵送清水和水泥砂浆润滑管道，再泵送混凝土。3)每车混凝土都应作坍落度、和易性检验，保证泵送前混凝土的坍落度控制在20 cm～22 cm内及保证混凝土和易性、可泵性和自密实性良好。4)对称灌注混凝土数量相差不超过管长度2 m。5)当拱顶排气管冒浆时，应继续压注混凝土，直到浮浆全部排完，出现有石子的混凝土时，方可停止泵送混凝土。6)混凝土灌注完后，应对钢管表面淋水降温，以保证混凝土的质量。

4.6 监测监控

监控项目:拱顶高程变化、拱轴线变化。监测仪器:宾得全站仪。测点布置:钢管拱的 L/2，L/4，L/8处设测点，共布设9个测点。监测监控时间:在混凝土灌注过程跟踪进行监测监控。

5 钢管管内混凝土质量检测

钢管拱混凝土灌注过程中用体外敲击法检测，灌注完成后用超声波进行检测。检测内容:包括钢管混凝土密实度检测，钢管内壁与混凝土的贴实度情况。检测方法:采用超声波检测。不符合质量要求的部位要采用钻孔法，利用环氧水泥浆进行补强。

6 结语

小榄水道特大桥主跨(100+200+100)m V钢管拱组合桥，钢管拱灌注总方量达500 m3，主肋灌注为其节段吊装竖转施工后的又一关键工序。小榄水道特大桥钢管拱灌注施工，采用真空辅助泵送顶升工艺，在国内外常见的灌注钢管拱混凝土施工只有泵送顶升法施工，通过实际灌注的检测结果表明，真空辅助泵送顶升法进行灌注钢管拱密实度和贴实度等指标很好的满足了设计规范要求。本次钢管拱的灌注成功为今后国内类似的钢管拱真空灌注施工提供了可靠的依据和参考。

[1] 赵志缙，赵 帆.混凝土泵送施工技术[M].北京:中国建筑工业出版社，2001.

[3] JGJ/T 10-95，混凝土泵送施工技术规程[S].

[4] 陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].第2版.北京:人民交通出版社，2007.