大跨径CFST 拱桥钢管混凝土灌注质量控制探讨

摘要：文章以马滩红水河特大桥为工程背景，分析了大跨径CFST拱桥拱肋钢管混凝土灌注质量的影响因素，提出了控制措施与方法，并通过工程实践进行了验证和总结，可供同类型大跨径桥梁施工参考。

关键词：拱桥;钢管混凝土;灌注;质量控制

0 引言

大跨径CFST拱桥的拱肋通常采用缆索吊装系统分段起吊，在跨中合龙，然后在拱肋两端弦管上开设灌注孔，安装混凝土灌注设备。灌注时，从两端拱脚用泵机自下而上压注混凝土，连续灌注至拱顶，然后从拱顶排出浮浆，完成灌注。由于拱肋跨度大，拱圈高度较高，单根弦管灌注方量大，影响因素多，通常质量控制难度大。虽然现有的《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）中有钢管混凝土灌注的要求，但无具体的操作指导书。广西发布了《钢管混凝土拱桥施工技术规程》（DB/T1097-2014），有更详细的规定，但也是一些通用性的描述。由于缺乏详细的质量控制措施，钢管混凝土脱黏等一些问题仍时有发生。为进一步完善钢管混凝土施工工艺，本文针对依托工程，提出了灌注质量控制措施，并对实施情况进行了总结，以供同类型大跨径CFST拱桥施工借鉴。

1 工程概况

马滩红水河特大桥主桥跨径为336m中承式CFST拱桥，全长553m（见图1）。大桥分左右2幅，全宽达55.8m，主体钢结构约14000t。拱轴线采用倒悬链线，倒悬链线系数m=1.167，拱肋净矢高为80m。拱脚桁高12m，拱顶桁高7m，宽3m，单根拱肋采用4根1200mm弦管组成，单根弦管灌注C55混凝土達400m3，全桥共16根弦管。该桥为目前国内高速公路桥面最宽的CFST拱桥。

大桥拱肋断面见图2。大桥拱肋管内混凝土从两岸拱脚对称同步向上灌注，每次灌注1根弦管，灌注下一根弦管内混凝土前，除上一根钢管混凝土达到设计强度的80%外，龄期应≥3d，且≤5d。混凝土要求一次性灌注至拱顶，脱空面积不得超过截面积的1.2%。

2 钢管混凝土灌注的主要问题

钢管混凝土要求有大流动性、保塑性。在不断向上泵送压注过程中，由于骨料下沉，导致混凝土顶升面前端累积浮浆，不易排净，影响拱顶段混凝土的质量。其次，由于拱顶段拱肋较平缓，混凝土灌注至拱顶段时不易将管内空气排出，易在钢管顶部留下气囊，导致灌注不饱满。另外，由于灌注时间长，混凝土在灌注过程中，前端混凝土的工作性能下降，引起灌注阻力增大，常造成堵管，使灌注中断，不得不开孔对中断界面混凝土进行凿毛，然后重新进行二次灌注。单根管分次灌注，造成管内混凝土整体性差。还有，在混凝土灌注过程中，由于两岸不对称，造成拱肋加载不均衡，拱肋线形往一端倾斜。

综上，笔者对钢管混凝土灌注过程中出现的问题进行了统计，结果见表1。

3 主要措施

针对钢管混凝土灌注过程中易出现的问题，结合大桥的实际情况，笔者认为，要控制管内混凝土的灌注质量，材料的质量占首要位置，应首先确保混凝土的工作性能。其次，大桥拱肋高度较高，单次灌注混凝土方量大，宜分级连续灌注，并尽量分级排净浮浆。还有，应采用先进的真空辅助灌注工艺解决拱顶管内混凝土脱空问题，并应注意细节，确保抽真空的效果。具体措施如下：

3.1 混凝土工作性能控制

混凝土骨料下沉，浮浆过多，与其工作性能直接相关。另外，混凝土在灌注过程中堵管，也是由于工作性能下降。因此，混凝土的工作性能应作为首要控制因素。

在配合比设计时，首先考虑其保塑性。大桥拱肋单根钢管灌注C55混凝土达400m3，按照所采用的HBT80型泵机的泵送效率，结合运输车的运送能力、工人放料的熟练程度，以及以往经验，平均每小时输送的混凝土约为30m3，两岸同时泵送，完成1条管的灌注约耗时6～7h。在此时间内，混凝土必须保持良好的工作性能。由此，大桥管内混凝土设计坍落度为20±2cm，在混凝土内掺加缓凝保塑剂，使3h坍落度经时损失为0cm，5h坍落度经时损失<3cm，缓凝时间为12h，扩展度范围为550～650mm。依靠混凝土良好的工作性能，确保灌注过程不堵管且不离析，减少浮浆。

3.2 灌注工艺控制

为减小混凝土泵送阻力，泵管尽量避免出现弯头。大桥两岸拱座后方地形平缓，因此将泵机直接设置在待灌注钢管的正后方，泵管沿拱肋轴线布设。为减少灌注时间，防止混凝土在管内因时间太长而工作性能下降，主弦管混凝土分2级接力灌注。第一级灌注口设在拱脚，第二级灌注口设在约2/3高度处，两级混凝土灌注方量基本相当，则每级的灌注时间约为3～4h。在此期间，混凝土工作性能下降较小，可有效防止堵管。每级灌注均设进浆口和排浆管，在拱顶隔仓板两侧设出浆管。每岸泵机准备2台，分别负责一级和二级混凝土的灌注。一级和二级灌注的泵管和泵机均需提前接好，并排布置。

混凝土灌注前，将大量清水从拱顶注入主弦管内部，冲洗钢管内壁铁锈及其他杂物，从拱脚开设的排渣孔将垃圾排出。同时，润湿钢管内壁。

混凝土采用分级连续灌注，分级排浮浆。首先采用砂浆润滑泵管，然后灌注第一级钢管混凝土。当一级管内混凝土边界面到达二级出浆管位置时，打开二级出浆管阀门，将混凝土表层浮浆排出，减少浮浆累积。浮浆排完后，关闭二级出浆管阀门。当一级混凝土边界面达到二级进浆管下50cm时，打开二级进浆管阀门，暂停一级泵机，启动二级泵机，砂浆润滑二级进浆管，然后泵入二级混凝土。随后，一级、二级泵机同时泵送混凝土，直到混凝土边界面高于二级入浆管3m时，一级泵机退出工作，关闭一级进浆管阀门。之后二级泵机继续泵送混凝土。当二级管内混凝土泵送到拱顶，从拱顶出浆管开始排出浮浆时，观察排浆情况，当出现良好混凝土后，暂停泵送，静置10min。然后泵送两手，再静置10min。当出浆管内无明显气泡后，关闭二级进浆管阀门，完成单条主弦管浇筑。

灌注过程中，两岸需实时登记总共灌入管内的混凝土方量，并安排专人采用敲击钢管的方式检查混凝土到达的位置，用对讲机相互通报进度情况，确保两岸灌注混凝土的高差≤4m，以避免因灌注不对称引起拱肋线形不对称。

3.3 灌注的整体组织

钢管混凝土灌注过程中，前场与后场各方的配合极为重要，机械设备也不可出现任何问题，否则都极易导致灌注失败。

灌注前，对进场的设备、材料进行核查，保证质量和足够的数量。对拌和站的称量系统进行检测标定。将拌和站、混凝土罐车、混凝土输送泵进行联合调试，并试泵混凝土至拱顶。同时，需对现场施工技术人员进行全面技术交底，并进行必要的操作演练。

为防止停电，应加强与供电部门的沟通，及时掌握停电信息。同时，拌和站及混凝土灌注现场应各准备1台250kW发电机组，以备停电应急使用。

3.4 收缩和脱空控制

管内混凝土产生脱空主要是因为拱顶段钢管内顶部空气不易排出，因此，要排出拱顶段钢管顶部积存的空气，避免该部位产生脱空，应采取真空辅助法进行钢管混凝土灌注。工艺原理为：使用大功率真空泵将准备灌浆的拱肋钢管内部抽到指定的真空度范围，利用混凝土输送泵将具备低泡、缓凝、早强、免振、自密实、高流动、微膨胀的高性能混凝土从两岸拱脚对称向拱顶连续顶升压注入处于真空状态的拱肋钢管内，依靠顶升压力、混凝土的自重及其良好的自密性能形成钢管混凝土组合结构。通过真空辅助排出钢管内空气，提高整体灌注质量，并显著改善拱肋接头法兰、拱顶等关键部位混凝土灌注的密实性，减少拱顶段混凝土脱空现象。抽真空系统构造见图4。

为确保拱顶段抽真空效果，防止空气回流至管内，当混凝土已灌入拱顶出浆管，填满出浆管后，应停止抽真空，并缓慢释放负压。在释放负压的同时，敲击出浆管，辨别声音以检查混凝土是否有回落，当混凝土发生回落时，应泵进混凝土，使混凝土重新填满出浆管，再继续缓慢释放负压，不得使混凝土回落至主弦管内。

4 实践情况

马滩红水河特大桥钢管混凝土灌注的时间段为2018-01-11至2018-03-19。项目使用6台混凝土泵机（2台备用），10台混凝土运输车，工人20人进行施工。混凝土所用碎石进行了整形，将其外棱角磨圆。粉煤灰采用来宾电厂一级灰，河沙为优质陆川砂。混凝土配合比见表2。

首根管混凝土设计坍落度为20±2cm，缓凝时间为12h，扩展度范围为550～650mm。第一级混凝土灌注至临近第二级进浆口1m处时，泵机泵送阻力增大，无法再往上灌注。项目随即启动第二级泵机，从该处往上继续灌注。此后，从第二根管开始，混凝土扩展度调整为600～680mm，第一、第二级灌注均较顺利交接，全拱灌注顺利。

每条钢管混凝土灌注期间均采用了真空辅助工艺，管内真空度达到-0.09～-0.07MPa，均待混凝土灌注至拱顶出浆管后再缓慢卸压。卸压过程中，敲击检查混凝土面情况，无回落至主弦管内的现象。采用超声波检测灌注完一周的钢管混凝土情况，显示灌注密实。用铁锤敲击钢管混凝土外壁，声音清脆。此外，项目还在拱顶弦管内埋设2个应变计进行混凝土变形测定，从灌注完成开始，连续自动测量和记录，选取有代表性的1根管的数据进行分析，结果见图5。

从图5可看出，管内混凝土的应变曲线在灌注完后的前3d呈明显上升趋势，而后下降，从第5d开始呈平缓，但一直保持正应变状态，且径向垂直方向的应变明显大于径向水平方向的应变。结合超声波检测和敲击检查结果以及图5检测结果，表明采用抽真空辅助灌注工艺对解决钢管混凝土因气囊产生的脱空是有效的。

5 结语

大跨径CFST拱桥的钢管混凝土灌注难度大，质量控制点多，组织协调要求高，必须从原材料、配合比、机械设备、灌注工艺、施工组织等多方面进行管控，才能确保其灌注质量。

采用缓凝、保塑的混凝土配合比有助于在灌注全过程中保持混凝土的工作性能，防止堵管的风险。同时，采用分级连续灌注的工艺，使每级灌注控制在4h以内，也可有效降低堵管带来的风险影响。此外，真空辅助灌注工艺可有效防止钢管顶部产生的气囊脱空，使混凝土灌注饱满。拱肋钢管混凝土灌注是一个复杂的系统工程，施工过程中还需加强各方组织和协调，进行必要的演练。

上述拱肋钢管混凝土灌注的质量控制措施，经实践检验，对依托工程的顺利建成及质量保证，起到了非常重要的作用，将为后续修建大跨径的钢管混凝土拱桥提供借鉴。

參考文献：

[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]苏湘华，杨占峰.真空辅助灌注技术+自密实无收缩混凝土在CFST拱桥中应用[J].中外公路，2019（4）：211-212.

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