工厂法沉管预制混凝土泵送施工技术

李阳，杨红

（中交二航局第二工程有限公司，重庆 401120）

工厂法沉管预制混凝土泵送施工技术

李阳，杨红

（中交二航局第二工程有限公司，重庆 401120）

为满足港珠澳大桥岛隧工程沉管预制混凝土浇筑工艺要求，结合现场实际条件，经方案比选，选择了多布料机、空间立体组合式布料工艺，合理进行了布料机、拖泵等设备的选型配置，并采取了有针对性的润管清洗方法。从2012年沉管预制正式生产以来，该套工艺、设备顺利完成了沉管预制混凝土浇筑任务，为港珠澳大桥隧道施工奠定了坚实基础。同时，由于该套工艺、设备具有针对性强、稳定可靠、高效方便等特点，可为高强度、大体积、空间结构的海工混凝土浇筑提供借鉴。

工厂法；沉管预制；布料机；拖泵；泵送

1 工程概况

港珠澳大桥岛隧工程海底沉管隧道总长度为5 664 m，由33个管节组成。每个标准管节由8个管段组成，管段尺寸为长22.5 m、宽37.95 m、高11.4m，混凝土方量约3 330m3。

沉管管节采用工厂法预制，工厂内设置有2条生产线，每条生产线在浇筑区各配置一套液压模板，单个管段完成钢筋绑扎及模板安装后在浇筑区内一次性浇筑成形。为满足沉管预制混凝土浇筑工艺以及质量控制要求，经调研对比后决定采用多布料机、空间立体组合式布料工艺。

2 沉管预制混凝土的工艺要求

2.1 工艺要求

管段混凝土浇筑采用水平分层、连续进行、由一端向另一端循序渐进的方法施工。管段截面全断面共分5部分进行浇筑，1、2、3区同时浇筑，浇筑分区见图1。总浇筑时间控制30 h左右，分块浇筑时间及强度见表1。

2.2 空间限制

混凝土泵送工艺须充分考虑外界条件对泵送设备的空间要求，主要是：

1）因混凝土搅拌站、预制厂厂房、模板反力墙及周围主要建筑物和道路均已固定，不可变动，泵送系统布局受到诸多限制，将布料机安装在反力墙（厄勒海峡沉管隧道）的方案难以实现。

图1 管段浇筑断面分区图Fig.1 Pipe pouring section partition

表1 混凝土浇筑分区工效表Table 1 Concrete pouring ergonom ics table partitioning

2）厂房顶部主梁最低处标高+24.9 m，修整区地面标高+3.5m，单个管段22.5 m长，布料机的选型必须既符合在上述标高限制下全伸展功能，又满足管段顶板全覆盖的要求，同时布料机选型配置还须考虑互为备用情况。

3）模板就位后，行车道内模与底板钢筋之间高度约2 m。布料机须满足在此空间下实现管段底板混凝土浇筑要求。

4）沉管预制厂采用钢筋笼顶推工艺，布料机、泵管的布置不能影响甚至阻碍钢筋笼的顶推施工。

3 设备选型与布置

根据沉管预制混凝土的工艺和空间要求，经反复研究和比选，最终决定采用多布料机、空间立体组合式布料工艺，并按要求进行布料机、拖泵的选型配置。混凝土浇筑时，在浇筑区前布置4台行走式布料机，负责下倒角、侧墙中墙及顶板布料；在左右行车道分别布置1台固定式腔内布料机，负责底板布料；与以上对应配置6台混凝土拖泵。具体浇筑分工：1区由2台行走式布料机在中墙顶由上至下送料，2区由另2台行走式布料机在侧墙顶由上至下送料，3区分别由2台腔内固定式布料机布料，4区、5区由4台行走式布料机布料。

3.1 行走式布料机

在模板修整区铺设专用轨道，布置4台行走式MX32-4布料机。MX32-4布料机为全液压M形臂架，最大系统压力35MPa，采用液压油缸驱动齿条实现回转，无配重，最大布料半径31.6m。

1）该布料机为M型臂架，臂架伸展方式类似于弹簧，第一节臂基本竖直后，即可伸展第二、三、四节臂，即第一节臂高度决定了布料机全伸展所需的空间。

2）行走机构高1.5 m，立柱及回转机构高10.5m，第一节臂长8.7 m，总高度20.7 m，小于厂房顶部主梁与修整区高差（21.7 m），即厂房空间满足行走布料机臂架伸展要求。同时，第一节臂中心回转以下高12 m，与管段顶板高度（11.4 m）基本平齐，更加便于臂架面对管段方向时的伸展，提高作业效率。

3）该布料机为无配重形式，臂架回转时不用考虑模板、针形梁等对其的限制，更加有利于安全，同时提高布料、清洗施工的综合效率。

4）管段混凝土浇筑时，4台MX32-4布料机同时布置在模板修整区，即管段正前方，每台布料机最大布料半径31.6 m，在保证管段侧墙、隔墙和顶板混凝土布料无盲区的同时，相邻2台布料机布料范围还可重合，实现互为备用，极大提高布料可靠性。

5）在2号生产线拖泵布置区一侧设置了行走式布料机修整区，非生产时段，4台布料机驶入修整区，避免对2条生产线其他作业的影响，见图2。

3.2 腔内固定式布料机

每个管段两个行车道，在每个行车道内模内安装了1台倒挂式RV8布料机。该RV8布料机高度1.6m，布料半径8 m，底板布料半径不足之处可直接采用加长泵管方式予以解决，既符合内模与底板钢筋空间限制，也满足覆盖全部底板要求。供料泵管从针型梁内接入，采用人工手动回转，结构简单，使用方便，见图2。

3.3 拖泵

3.3.1 泵送压力损失计算

图2 MX32-4和RV8布料机平面和立面布局图Fig.2 Plane and elevation layout of M X32-4 and RV8 p lacing boom s

根据行走式和腔内固定式布料机泵管配置形式，结合实际场地情况，确定拖泵布置方案，并经计算完成拖泵选型。以最远泵送距离和高度的拖泵及MX32-4布料机为例进行泵送压力计算。

泵送压力损失由3部分组成[3]，出口混凝土压力P=沿程损失阻力P1+重力损失阻力P2+机械内耗阻力P3。根据泵送混凝土沿程阻力计算公式ΔP=并结合高性能混凝土泵送施工经验，含矿粉混凝土水平管道压力损失为0.018～0.024MPa/m，按0.021MPa/m计算。

1）不同规格泵管折算成水平泵管，见表2。

2）垂直状态输送时混凝土泵管内的阻力：

P2=ρ·H·g

式中：ρ为混凝土密度，kg/m3，计算取值2 500；H为泵送高度，m；g为重力加速度，m/s2。

表2 折算成水平管统计表Table2 Statistical table for converting into a horizontal tube

3）计算

P1=ΔPx·L=0.021×424=8.904MPa

P2=ρ·H·g=2 500×20.7×10=0.518MPa

P3取2.8MPa

故总的压力损耗为P=P1+P2+P3=12.222 MPa，同理根据RV8布料机的布管情况，得出其泵管折算米数并计算其最大泵送压力损失为8.108 MPa。

3.3.2 工效要求

1）混凝土搅拌站每盘（3 m3）投料时间30 s，搅拌时间120 s，卸料时间60 s，即每小时理论生产51m3，考虑0.8的效率，每台站计算生产能力45.9 m3/h，4台站共183.6m3/h。

2）混凝土罐车每趟装载12 m3，接料时间840 s，卸料时间900 s，往返运输时间300 s，即每小时理论运输21 m3，考虑0.9的效率，每台车计算运输能力18.9m3/h，10台车共189m3/h。

3）浇筑1～3区时强度要求169.2 m3/h，6台拖泵平均排量28.2 m3/h；浇筑第5区时强度要求142.4m3/h，4台拖泵平均排量35.6m3/h。

综上所述，单台拖泵在满足出口压力下实际排量不小于35.6m3/h，理论排量不小于39.6 m3/h。3.3.3 拖泵选型与部署

根据泵送压力损失和工效要求，选择了BSA2109HPD型和BSA2109H-D型拖泵，分别对应MX32-4布料机和RV8布料机，技术参数见表3。该两款拖泵出口压力分别为20.5 MPa和18 MPa，大于12.222 MPa和8.108 MPa的要求，且其高压排量为57 m3/h，大于39.6 m3/h，因此满足泵送压力和工效要求。

表3 混凝土拖泵主要技术参数Table3 Main technicalparametersof concrete pum p

根据统一规划，在预制厂房两侧设2块拖泵布置区，各布置6台混凝土拖泵，其中4台BSA2109H-D型拖泵、2台BSA2109HPD型拖泵，既满足生产工艺要求，又避免生产线可能产生的相互干扰，见图3。

图3 1号、2号生产线拖泵区布局图Fig.3 Layoutof concrete pum p in No.1,No.2 production line

4 润管和清洗方法

沉管混凝土浇筑采用了空间立体组合式布料方式，因此也配套采取了针对性的润管和清洗的方法。

1）MX32-4布料机及其管路润管：混凝土输送前，混凝土罐车驶入模板修整区，MX32-4布料机转向修整区，臂架尾端软管伸入罐车料斗内，然后拖泵开始依次、连续泵送水泥浆、砂浆及正式混凝土，当观察到混凝土从软管口出料时，该布料机及其管路润管完毕。

2）RV8布料机及其管路润管：因其固定在腔内行车道内模下方，应首先设置专用排污泵管，该管道铺设在针形梁和MX32-4布料机压重支架上，并接入罐车接料斗。润管前，将RV8布料机出口端与排污管道对接，然后拖泵泵送水泥浆、砂浆和混凝土，完成润管，见图4。

图4 专用排污泵管和专用气力清洗接头应用图示Fig.4 App lication of the special pum p pipeand special pneumatic cleaning joint

完成润管后，断开RV8布料机和专用排污泵管的连接，RV8布料机即可开始正常作业。而排污泵管的清洗采用了气力清洗法。该方法配置专用的1.8 MPa空压机和专用气力清洁接头，在专用接头两端塞入清洗球，清洗球中间区域灌清洁水后封闭。最后向专用接头内输入压缩空气，压缩空气为动力依次推动清洗球、清洁水和清洗球，从而将布料机和泵管内残余混凝土排出。此方法在正式预制生产前通过反复试验，操作方便，快捷干净，满足清洗要求，见图4。

3）泵送结束后的清洗方法与其润管的方法相同。

5 泵送中的存在问题及解决方法

5.1 泵管过度磨损问题

1）MX32-4布料机的进料泵管布置优化

泵管从地面接入MX32-4布料机，原设计方案是两根R275×90°弯管反向对接。在实际使用中，由于此处泵管弯曲半径过小，导致泵管磨损过快，频繁出现中途爆管情况，给泵送系统的正常运转造成不利影响。针对上述情况，对此处的管路进行优化：

①提升立柱直管高度，从而加大地面弯管到立柱直管之间的高差，以便安装大直径弯管。

②将原2根R275×90°弯管反向对接改为2根R500×90°弯管和1 m直管的组合形式，增大了泵管半径，减少磨损。

通过上述改进，R500×90°弯管使用寿命延长至约3 000m3，满足4个管段使用要求。

2）MX32-4布料机的臂架泵管优化

MX32-4布料机设计时为控制臂架载荷，其原臂架泵管采用的是普通无缝钢管，厚4.5 mm，使用方量约3 000 m3，前期经常出现在预制混凝土浇筑过程中爆管。第一、二节臂架泵管高度达到12m以上，发生爆管后，不仅耽误生产，而且更换不便，存在较大安全风险。

针对存在问题，经反复比选，采用了臂架专用耐磨双层泵管。此种泵管在管道内镶嵌了一层2.5mm耐磨层，将泵管使用寿命延长至12 000m3以上，不仅极大提高了泵送系统的可靠性，而且经济效益明显。

5.2 泵送堵管问题

泵送工艺在生产中不可避免会出现堵管情况。传统方法是找到堵点后，拆除泵管，清除堵点废料，再重新泵送。一旦泵管内混凝土质量普遍较差，就需要泵入砂浆、水泥浆洗管，重新开盘。这种方式工作强度大、效率低，而且MX32-4布料机排堵属高空作业，安全风险较大。

针对上述情况，充分利用气力清洗法的优势，较大改善了泵送紧急处理方法。首先，改进气力管路，并入1台16 m3高压空压机作为气源，解决长距离气力清洗时的动力问题。在发生堵管情况时，采用气力清洗方式，此方法方便、快捷，而且气力清洗接头在地面即可接入使用，尽可能减少了高空排堵的危险，既提升了处理效率，又提高了安全保障。

6 结语

为满足港珠澳大桥岛隧工程沉管预制混凝土浇筑工艺要求，经反复研究，选择了多布料机、空间立体组合式布料工艺，合理进行了设备的选型配置，并采取了针对性的辅助措施，顺利完成了沉管预制混凝土浇筑任务，也为未来高强度、大体积、空间结构的海工混凝土浇筑提供了良好借鉴。

[1]易秀明，杨新华，戴献军.超高层混凝土泵送技术研究与应用[J].建筑机械，2008（2）：94-98. YIXiu-ming，YANG Xin-hua，DAIXian-jun.Concrete pumping technology study and its application for super high building[J]. Construction Machinery,2008(2):94-98.

[2]JTG/T F50—2011，公路桥涵施工技术规范[S]. JTG/T F50—2011，Technical specification for construction of highwaybridgeand culverts[S].

[3]三一重工混凝土基础知识手册[K].2010. Sany handbook of concrete foundation knowledge[K].2010.

表1 挤密砂桩打设记录Table1 The record of SCP

5 结语

港珠澳大桥西人工岛及岛隧结合部挤密砂桩技术的成功应用，充分验证了海上SCP施工定位监测系统的优越性。该系统性能稳定、易操作，不受天气、海流及潮汐等外界因素干扰。利用RTK-GPS测量方式获得实时高精度三维数据，根据几何关系实时确定桩管的三维空间位置，实时显示实际桩位与设计值的偏差，有效指导施工。外海自动潮位仪的兼容，能够将潮位值实时输入到系统中，有效提高挤密砂桩的成桩质量。SCP施工定位监测系统可以在离岸深水条件下精确实施打桩定位，为后续地基处理等高质量施工提供良好的条件。

参考文献：

[1]卲蔚，郑若奇.海上GPS打桩定位系统[J].中国港湾建设，2003（2）：30-36. SHAOWei,ZHENG Ruo-qi.Sea piling positioning system based on GPS[J].China Harbour Engineering,2003(2):30-36.

[2]刘绍堂，肖海红，赵站杨.GPS打桩定位系统在杭州湾跨海大桥施工中的应用[J].西南科技大学学报：自然科学版，2005（4）：42-45. LIU Shao-tang,XIAOHai-hong,ZHAO Zhan-yang.Application of piling positioning system based on GPS in the projectof Hangzhou Bay Bridge[J].Journal of Southwest University of Science and Technology,2005(4):42-45.

[3]姚连璧，刘春，周小平.GPS实时动态定位海上打桩定位的数学模型[J].同济大学学报：自然科学版，2006（5）：598-602. YAO Lian-bi,LIUChun,ZHOU Xiao-ping.Sea piling engineering based on GPS-RTK[J].Journal of Tongji University：Natural Science,2006(5):598-602.

Construction technique of precast concrete pum ping for factory method of immersed tube

LIYang，YANGHong
（No.2 Eng.Co.,Ltd.ofCCCCSecond Harbor Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 401120,China）

In order tomeet the requirements of the precast concrete pouring of the immersed tube of the island-tunnel project of the HZMB,combined with theactualsite conditions,after a few plan comparisons,we selectedmultiple placing booms,chose the reasonable configuration for placing booms,trailer pump and other equipments，and adopted a targeted pipe cleaning method.From 2012 on since the formal production starts,the process and the equipments have successfully completed many precast concrete pouring tasks of immersed tubes,which forms a solid foundation for the construction of island-tunnel of the HZMB.The processand the equipments reflect characteristicsof strong pertinence,stable and reliable,efficientand convenient, which can providea good reference for thehigh strength,large volume,spatialstructuremarine concrete pouring.

factorymethod;immersed tube precast;placing boom;trailer pump;pumping

U445.4

B

2095-7874（2015）05-0056-06

10.7640/zggw js201505015

2015-01-15

李阳（1981— ），男，重庆市人，工程师，机械设计制造及自动化专业。E-mail：754151048@qq.com