钢管拱混凝土泵送顶升施工中产生堵管的原因及对策

吴志华，陈光昌

（1.福建船政交通职业学院 土木工程学院，福州 350007；2.福州榕城港务发展有限公司，福州 350002）

0 引言

近年来，随着我国国民经济及城市建设的迅猛发展，跨度大、结构轻盈、造型美观的钢管混凝土拱桥在城市桥梁建设中得到了广泛的应用［1］.钢管混凝土拱桥的跨越能力及承载能力与其钢管内混凝土的密实程度有很大的关系.为了保证钢管内混凝土的密实性，提高钢管混凝土拱桥的跨越能力及承载能力，在钢管合拢后通常采用泵送顶升法灌注管内混凝土.由于混凝土在凝固前是介于液体和固体之间的一种粘塑性体，且在混凝土泵送过程中，随着泵送距离的增大，施工时间的延长，有可能出现部分混凝土提前凝固的现象（特别是贴近管壁的部分），因此，混凝土在泵送过程中特别容易出现堵管现象［2］.在钢管混凝土泵送顶升施工过程中，一旦发生堵管现象，不但影响施工的进展，也会产生工程质量隐患，严重的甚至造成工程质量事故.因此，本文以永安北大桥钢管混凝土泵送顶升施工为例，对钢管拱混凝土泵送顶升施工过程中可能产生堵管的诸多原因进行详细分析，并制定出相应的对策.

1 工程概况

永安北大桥位于永安市贮木场北偏东约150 m的燕江河面上，为国道205线永安市区过境线工程.大桥全长257 m，上部结构为3孔净跨径70.2 m、矢跨比1／3、矢高23.4 m的中承式钢管混凝土拱.主拱圈为截面高2.3 m的双肋哑铃型等截面结构，由上、下2根φ900×16 mm钢管与厚δ=16 mm钢板组成.钢管拱内的C50混凝土，采用泵送顶升法进行灌注施工，顶升最大净高约25 m.

2 泵送顶升法施工工艺原理

钢管拱混凝土泵送顶升施工工艺原理是在钢管拱拱脚管壁上开设进料孔口，将混凝土输送管的一端与孔口焊接相连，另一端与混凝土输送泵的出口相连，混凝土利用足够的泵机压力，通过输送管被连续地从两端拱脚对称注入钢管拱内，从钢管拱脚一直顶升到拱顶，直至管内灌满混凝土，并利用管内混凝土重力和泵机的压力压实混凝土，保证管内混凝土充分密实，混凝土与管壁紧密结合［3］.

混凝土泵送顶升法与钢管开孔人工浇筑混凝土相比，具有以下几个优点：（1）简化施工工序；（2）节省施工用地；（3）加快施工进度；（4）操作安全；（5）工程质量可靠.

3 泵送顶升施工过程中产生堵管的原因分析

钢管拱C50高标号混凝土泵送顶升法浇注，这在当时的福建省内尚属首例，全国也是少有的，施工单位缺乏类似项目的施工实践经验.因此，在混凝土泵送顶升施工过程中，如何防止堵管现象的产生是施工方必须克服的一个重大难题.为了有效解决这个难题，项目经理部选派技术骨干远赴上海、无锡等有类似项目施工经验的地方进行参观学习，并向输送泵机生产厂家咨询有关泵机的各种性能指标、实地使用情况，与商品混凝土泵送公司进行交流，同时查阅了大量的相关混凝土泵送资料.在这些工作基础上，项目经理部组织全体技术及管理人员进行反复讨论、研究，从人员、设备、材料、环境、施工工艺五个方面进行详细分析，列出各个环节可能产生堵管现象的影响因素，绘制因果分析图，如图1所示，其中前面标“△”的为要因.

4 施工对策

针对图1泵送产生堵管的因果分析图中的各种影响因素，尤其是要因，施工单位根据自身条件和现场情况，经过参观学习、调查，认真分析其他单位在钢管拱内混凝土顶升施工的成功经验，从人员、设备、材料、环境、施工工艺五个方面制定了相应的施工对策，防止堵管现象的发生.

图1 泵送产生堵管的因果分析图

4.1 人员

（1）由于拱内C50混凝土顶升施工在省内尚无先例，施工单位的技术管理人员及现场技术工人均缺乏类似施工经验.项目部决定由总工带队，选派技术骨干赴上海、无锡等地参观学习.

（2）查阅有关混凝土泵送资料，结合本工程的具体情况，组织全体技术及管理人员进行反复讨论、研究，制定合理的泵送顶升混凝土施工工艺流程.

（3）在公司范围内选派有丰富混凝土泵送施工经验的人员到现场承担施工任务，在第一次泵送顶升施工时，聘请有混凝土泵送顶升施工经验的技术专家到场指导施工.

（4）在泵送施工前，由项目部总工对现场施工人员进行详细的施工技术培训，确保施工人员熟悉混凝土顶升施工工艺流程及施工中的注意事项.

4.2 设备

针对泵送施工过程中可能出现的设备不配套、性能不佳、机械故障、电路故障等造成堵管的影响因素，采取以下应对措施：

（1）泵送设备的选择.①根据设计要求，永安北大桥每孔钢管拱内混凝土采用两端一次性集中对称泵送，故选择拖式泵，以保证混凝土顶升能够顺利完成.②永安北大桥为3 m×70.2 m钢管拱桥，共有6条钢管拱肋，分为6次浇筑.每条拱肋的C50混凝土量接近60 m3，故一次泵送量最大约60 m3.经过测算，选择最大输送量67.5 m3，最大泵送压力6.3 MPa的三一牌HBT 60A型闸门板式混凝土输送泵，性能可靠且故障率低，能满足施工要求.

（2）混凝土拌和设备的选择.考虑到一次浇筑一条拱肋的C50混凝土量接近60 m3，混凝土拌和设备选用40 m3/h的混凝土拌和站，另配备一台500 L/h的移动式混凝土搅拌机备用.

4.3 材料

永安北大桥主拱圈内为C50高标号混凝土，使用的材料主要有水泥、碎石、砂、外加剂等.针对泵送施工过程中可能出现的水泥性能不佳、砂石料不合格、石子粒径偏大等可能造成堵管的影响因素，采取以下应对措施：

（1）水泥选用福建水泥厂生产的建福牌42.5#普通硅酸盐水泥，强度高，稳定性好，性能可靠.

（2）细骨料采用级配良好的中（粗）砂，细度模数不小于2.6，砂率宜为40～50%之间.

（3）粗骨料使用坚硬、级配良好的碎石，进场前进行严格筛分，确保针片状含量小于10%，碎石粒径不大于4 cm，且不宜超过输送管径的1/3.

（4）选用适量高效缓凝的FDN-2型泵送剂及UEA膨胀剂，提高泵送混凝土的流动性.

（5）所有材料在进场后、使用前，必须由试验室进行抽检，确保质量满足使用要求.

4.4 环境

针对泵送施工过程中可能出现的施工场地限制、天气炎热、洪水影响、突然停电等造成堵管的影响因素，采取以下应对措施：

（1）合理布置施工场地，做好人员和机械的施工安排，必要时搭设水上平台拓宽场地.

（2）夏季天气炎热时，混凝土选择在早晚温度相对较低时进行浇筑.

（3）第二孔位于水面上方的拱圈混凝土，安排在非洪水季节进行施工，避免受到洪水影响.

（4）在施工现场配备一台大功率发电机，预防现场突然停电对施工造成影响.

4.5 施工工艺

在可能产生堵管现象的诸多影响因素中，施工工艺是最关键的一类因素.针对泵送施工过程中可能出现的泵送口设计不合理、混凝土配合比不太合理、施工流程控制不当等造成堵管的影响因素，采取以下应对措施：

4.5.1 泵送进料口的设计

泵送顶升法浇筑钢管拱混凝土是从拱脚往拱顶顶升，进料口的开设及设计是整个泵送施工工艺中非常重要的一个环节.由于泵送顶升压力大，在泵送过程中，拱脚段钢板容易产生外鼓变形，随之在焊缝处破裂，因此拱脚段一般采用16Mn钢，拱脚腹板在泵送前还需进行加固.

（1）选定泵送进料口位置.由于拱脚设计时，为了拱座与拱脚段钢管连接牢固，拱座预埋钢筋伸入拱脚钢管内2.5 m，且数量多，若把进料口设在拱脚的最低处，混凝土泵送会因管内压力的减少，易造成堵管.因此，进料口理想位置的选定应在拱脚预埋筋的顶部，距离拱脚约3 m，如图2所示.

图2 进料口位置示意图

（2）设计泵送进料口.为了保证混凝土从输送管顺畅通过进料口，进入钢管内，且顶升完成后，进料口能封住管内混凝土，需要对进料口进行精心设计.进料管选用与混凝土输送管内径一样大的无缝钢管，伸入钢管内约10 cm，并与拱轴线成45°向上斜角.进料管与输送管之间用方形法兰盘连结，中间加垫密封圈，确保不漏气、不漏浆.钢管拱混凝土泵送完成后，关闭布置在进料管附近的阀门，便于泵送设备及时撤离.若没有设计专门的阀门，在法兰盘之间插入一块钢板锁紧法兰盘即可［4］.

4.5.2 增压管的设计

钢管拱内的混凝土，主要依靠输送泵泵送压力与混凝土的重力，不用振捣即可自身密实.但钢管拱顶部的混凝土无法利用泵送压力，也没有足够的重力进行自身密实，因此需要在拱顶处开设一个增压管.增压管选用高1.8 m的钢管，内径小于输送管口径，如图3所示.当从增压管顶升出来的混凝土没有泌水时，静压10 min后再泵送加压，直到增压管中的混凝土表面不再沉降为止，抽出增压管并将开口封闭，以保证钢管拱管内混凝土完全饱满、密实.

图3 增压管设计示意图

4.5.3 高标号自密实混凝土配合比的设计

根据设计图纸要求，钢管拱内混凝土设计强度为C50，每一孔钢管内混凝土必须一次性浇筑完成，且混凝土终凝后与钢管壁结合紧密.因此，混凝土配合比的设计应遵循低水灰比、低砂率、高骨胶比的原则，并需在混凝土中掺用缓凝的FDN-2型泵送剂和UEA膨胀剂.根据现场施工条件及当地实际情况，混凝土配合比经过试配及项目部两轮的PDAC循环攻关，最终确定配合比如表1所示.使用多轮调整后的配合比，混凝土和易性良好，泵送顶升施工实施非常顺利，全桥泵送混凝土均未出现堵管现象，有效地克服了高标号混凝土配合比配制的难题，可为同类工程提供宝贵的经验.

表1 C50混凝土配合比

4.5.4 泵送施工工艺要求

（1）在每一孔钢管拱混凝土泵送顶升施工时，两端拱脚泵送混凝土要同步、对称进行，并且两端高度相差不大于1 m［5］.为了便于检查混凝土对称顶升的进度，在每根钢管上方每隔1 m开设一个直径10 cm的小孔，待混凝土顶升到位后用木塞堵紧，以防漏浆，也减少泵送压力的损失.

（2）布设挠度观测点.因钢管拱桥的加载要求对称，因此在混凝土顶升施工过程中，不但要求两端拱脚混凝土顶升速度要一致，同时对钢管拱的变形情况也要进行观测.每条拱肋至少在跨中l／4跨和3／4跨处布置3个观测点.若钢管拱变形量偏大，应调整两端顶升速度，保持受力平衡［6］.

（3）做好施工受力验算.因泵送砼是一种流态混凝土，具有液体性质，泵送时混凝土自重将对钢管拱结构产生明显的荷载作用，因此施工前必须按钢结构验算钢管拱结构强度和稳定性.

（4）合理布置混凝土输送管道，尽量缩短管道长度和减少弯头，特别是减少90°的直角弯头.

（5）混凝土泵送顶升施工应连续进行，如混凝土运输跟不上，可适当降低泵送速度，保持连续泵送.如果混凝土拌和站出现故障，混凝土短时间内供应中断时，可每隔5 min开泵一次，使输送泵正反转，同时开动料斗搅拌器，防止管内混凝土泌水堵塞和斗中混凝土产生离析［7］.

5 结语

在永安北大桥三跨钢管拱混凝土浇筑施工过程中，经过对混凝土泵送顶升过程中可能产生堵管现象的各种因素进行详细分析，并在施工前及施工过程中采取相应的对策，有效地防止了混凝土堵管现象的发生，顶升法施工进程非常顺利，保证了工程施工工期、质量和安全，取得了良好的经济效益和社会效益.总结永安北大桥的混凝土泵送顶升施工经验，要避免混凝土堵管现象的发生，关键要做好以下几点：

（1）在混凝土泵送顶升施工前，在人、材、机三个方面要做好充分的准备，确保满足施工需要.

（2）要合理选定泵送进料口位置，并对进料口精心设计，以保证进料管与混凝土输送管连结良好.

（3）在C50高标号混凝土中掺加适量高效缓凝的FDN-2型泵送剂、UEA膨胀剂及粉煤灰，提高泵送混凝土的流动性，可有效克服高标号混凝土配合比配制难题；在施工过程中根据现场气候等施工情况对配合比进行适当调整，保持混凝土和易性良好，能有效防止混凝土堵管现象的发生.

（4）在混凝土泵送顶升施工过程中，两端拱脚混凝土顶升速度要一致，保持钢管拱两侧受力平衡，并对钢管拱变形情况进行测量监控.