淺談鋼管混凝土填充灌注施工技術(shù)

朱運(yùn)宗

摘要：秋湖里大橋主橋?yàn)橹谐惺戒摴芑炷料禇U拱橋，主跨鋼管混凝土拱跨徑為160m，拱肋為空間桁架結(jié)構(gòu)，桁架由四根鋼管、橫向綴條、隔板和腹桿連接而成。鋼管內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土，鋼管混凝土采用填充灌注施工技術(shù)。文章分析了鋼管混凝土填充灌注施工中選擇輸送泵型號(hào)規(guī)格和泵送工藝等技術(shù)。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；填充灌注施工技術(shù)；配合比設(shè)計(jì)；輸送泵；橋梁工程 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U448 文章編號(hào)：1009-2374（2015）10-0124-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0913

1 工程概況

秋湖里大橋主橋?yàn)橹谐惺戒摴芑炷料禇U拱橋，主跨鋼管混凝土拱跨徑為160m，拱肋為空間桁架結(jié)構(gòu)，桁架由四根鋼管、橫向綴條、隔板和腹桿連接而成。鋼管內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土。桁架斷面圖和立面圖如圖1和圖2所示。單根上弦鋼管長度為154.6m，灌注混凝土方量為72.87m?；單根下弦管長度為150.6m，灌注混凝土方量為70.98m?；上綴板灌注混凝土方量為58.11m?，下綴板灌注混凝土方量為56.61m?，全橋鋼管拱灌注混凝土方量為804.84m?。

圖1 鋼管桁架斷面圖 圖2 鋼管桁架立面圖

2 填充順序

鋼管混凝土填充灌注利用混凝土輸送泵壓注的方式進(jìn)行，填充灌注過程中遵循對稱、均衡的原則，即以跨中為對稱線，兩岸同時(shí)對稱進(jìn)行填充灌注。上、下游兩岸各設(shè)置一臺(tái)HBT60-16-90S混凝土泵，兩岸同時(shí)往一根弦管內(nèi)進(jìn)行泵送灌注C50微膨脹混凝土施工。全橋頂升灌注整體分三次進(jìn)行：第一次灌注下弦管，第二次灌注上弦管，第三次灌注綴板。每次頂升灌注均連續(xù)進(jìn)行，且上、下游，左、右側(cè)對稱泵送頂升。詳細(xì)泵送順序如圖3所示?？紤]本橋矢高較大，頂升高度達(dá)26m，每根主弦管備用二級泵送的灌注孔。

圖3 灌注順序圖

3 填充工藝

3.1 準(zhǔn)備工作

完成體系轉(zhuǎn)換。當(dāng)拱軸線線型調(diào)整檢查合格后，即可對各個(gè)鋼管拱肋拼裝節(jié)段進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換施工。

各個(gè)鋼管拱肋拼裝節(jié)段體系轉(zhuǎn)換主要包括：（1）完成各個(gè)接頭的焊接（從拱頂往拱腳方向?qū)ΨQ進(jìn)行焊接）；（2）完成拱肋接頭焊接后，將拱腳弦管與拱腳預(yù)埋管焊接，將上、下弦管與預(yù)埋管焊牢，使鉸接初步固結(jié)。

3.2 施工階段

3.2.1 下層系桿張拉。鋼管拱節(jié)段體系轉(zhuǎn)換完成后，完成下層系桿第一次張拉，張拉力由監(jiān)控單位提供。張拉系桿前，三角區(qū)所有橫梁預(yù)應(yīng)力和三角區(qū)縱向預(yù)應(yīng)力均必須張拉壓漿完成。

3.2.2 配合比設(shè)計(jì)。本橋設(shè)計(jì)要求管內(nèi)頂升灌注混凝土C50微膨脹混凝土。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工條件，如法蘭處管徑變小、頂升高度較高，距離較長等諸多因素，致使頂升灌注混凝土施工難度大，因此，對頂升灌注泵送混凝土配合比必須達(dá)到如下要求：（1）具有良好的可泵性，即塌落度大（入泵22～26cm）、和易性好、流動(dòng)性高（擴(kuò)展度55～65cm）、不泌水、不離析、自密性好；（2）具有補(bǔ)償收縮性，微膨脹，水中養(yǎng)護(hù)14天的最小限制膨脹率≥2.5×10-4；（3）初凝時(shí)間大于16小時(shí)，終凝時(shí)間大于18小時(shí)；（4）膠凝材料最少用量不得小于350kg/m?，水膠比不宜大于0.5。

3.2.3 出漿孔、出氣孔、灌注孔以及出渣孔的布置：（1）出漿孔：在每根鋼管拱拱頂處開一個(gè)Φ125mm的孔，孔周鐵板加強(qiáng)處理，并外函一節(jié)內(nèi)徑為125mm鋼管（壁厚6mm，長150cm），鋼管豎直向上，用于排氣出漿孔；（2）出氣孔：為了確保壓注混凝土流動(dòng)順利，方便觀察管內(nèi)混凝土流動(dòng)進(jìn)展情況，沿鋼管軸線方向的上方每隔15～20m設(shè)置一個(gè)Φ50mm鋼管出氣孔。當(dāng)出氣孔冒混凝土?xí)r，馬上用鋼板焊接蓋住封閉出氣孔，防止出氣孔外流混凝土泄壓；（3）灌注孔：下弦管灌注孔設(shè)在離拱腳約1.5m處的鋼管側(cè)面，以方便接泵管。灌注孔詳見圖4。灌注孔外接一節(jié)混凝土輸送泵管，輸送泵管與鋼管焊接固定，同時(shí)保證鋼管軸線呈30°～50°夾角。上弦管灌注孔設(shè)在離拱腳約2.5m處的鋼管頂部，同樣外接一節(jié)混凝土輸送泵管，與鋼管軸線的焊接固定角度同下弦管。灌注孔與輸送泵管管路之間設(shè)置安裝一個(gè)M125截止閥；（4）臨時(shí)出渣孔：在拱肋底部設(shè)置臨時(shí)出渣孔，尺寸和結(jié)構(gòu)同排氣孔，便于清水和渣物流出。以上開孔，均必須在合攏前開好。

圖4 混凝土灌注孔大樣圖（mm）

3.2.4 焊接質(zhì)量和鋼管拱線形監(jiān)測。鋼管拱鋼管混凝土灌注前，必須對鋼管拱肋各個(gè)拼裝節(jié)段的焊接接頭進(jìn)行細(xì)致檢查、檢測，確保焊縫滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。同時(shí)對鋼管拱高程、軸線進(jìn)行測量，并記錄好數(shù)據(jù)，作為對拱肋在混凝土灌注過程中線形變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.3 混凝土供應(yīng)和混凝土輸送泵選用

3.3.1 鋼管最大允許壓力計(jì)算。秋湖里大橋主拱鋼管內(nèi)徑為800mm，壁厚14mm，1.036，小于1.2，屬于薄壁器范疇。鋼管最大允許工作承壓力可由公式推導(dǎo)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

——圓筒或球殼的內(nèi)直徑（mm）

——圓筒或球殼的最大允許工作壓力（MPa）

——圓筒或球殼的計(jì)算厚度（mm）

——圓筒或球殼的有效厚度（mm）

——設(shè)計(jì)溫度下圓筒或球殼材料的許用應(yīng)力（MPa）

計(jì)算得出鋼管最大允許工作壓力為：

砼泵送壓力損失計(jì)算。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，得出砼泵送的換算壓力損失計(jì)算參考如表1：

秋湖里大橋東岸混凝土輸送泵管路長度約為150m，根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算砼泵送壓力損失如下：

水平管135m，換算壓力損失，0.675MPa；

垂直管6m，換算壓力損失，0.12MPa；

45°彎管3個(gè)，換算壓力損失，=3×0.15=0.45MPa；

90°彎管2個(gè)，換算壓力損失MPa；

管道接環(huán)58個(gè)，換算壓力損失，MPa；

砼輸送管道壓力損失7.245MPa。

輸送泵的最大功率為16MPa，砼輸送泵啟動(dòng)內(nèi)耗為2.8MPa，混凝土從鋼管拱入口流入時(shí)輸送泵的最大壓力為：16MPa-7.245MPa-2.8MPa=5.955MPa，小于鋼管的容許承壓力MPa。

3.3.2 混凝土在鋼管內(nèi)的壓力損失計(jì)算。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，1MPa的泵送壓力可使砼泵送約10m的高度。秋湖里大橋拱腳至拱頂約40m，大約需要4MPa，混凝土從鋼管拱入口流入時(shí)輸送泵的最大壓力為5.955MPa（啟動(dòng)時(shí)）﹥4MPa。

通過上述的計(jì)算分析，選用輸出功率為16MPa的輸送泵可以滿足砼一次泵送頂升至拱頂?shù)膲毫σ蟆５紤]到鋼管拱肋鋼管本身的質(zhì)量安全要求，在施工過程中混凝土輸送泵的輸出功率，應(yīng)小于鋼管的允許承壓力PW（7.24MPa）和管道壓力損。

灌注混凝土輸送泵型號(hào)規(guī)格的選擇：

首先，混凝土輸送泵的額定泵送能力應(yīng)不小于灌注速率或?qū)嶋H混凝土供應(yīng)量的2倍；輸送泵的額定壓力須滿足最大泵送壓力，即靜壓力和泵送壓力疊加之和。

其次，混凝土輸送泵的泵送高度應(yīng)大于1.5倍的灌注高度（即拱腳至拱頂?shù)母叨龋?。秋湖里大橋要求輸送泵的額定揚(yáng)程大于60m。根據(jù)以上要求，選擇HBT60-16-90S（最大理論垂直輸送距離270m，最大理論水平輸送距離1200）拖式混凝土高壓輸送泵，分配閥為S形擺管閥，最大理論輸出量60m?/h，出口處最大壓力為16MPa，電機(jī)功率為90kW，4#和5#墩上、下游附近各布置1臺(tái)HBT60-16-90S輸送泵。

在鋼管拱混凝土灌注前，混凝土攪拌站和混凝土輸送泵進(jìn)行聯(lián)動(dòng)試車，確保所有拌和輸送設(shè)備正常運(yùn)行。

3.4 鋼管混凝土灌注

3.4.1 濕潤輸送泵管?；炷凛斔捅霉芙油ê螅热瘫盟屯ㄇ逅?，一方面利用清水濕潤所有的輸送泵管，另一方面檢查輸送泵管工作是否正常、泵管接頭處是否有滲漏的情況。

3.4.2 泵送水泥砂漿?；炷翉倪M(jìn)料管出來后，在重力作用下填充管口以下的空腔直至淹沒進(jìn)料管口，以后混凝土在泵送壓力下向上流動(dòng)，此時(shí)粗骨料先下落，所以泵送混凝土前首先泵送1m?高強(qiáng)度水泥砂漿（即將混凝土配合比中石子扣除），以免粗骨料反彈以及接頭處混凝土質(zhì)量差，同時(shí)砂漿還可在泵送過程中起到潤滑管壁的作用。混凝土填充灌注接近完成時(shí)，利用混凝土將砂漿排除鋼管之外。

3.4.3 填充灌注混凝土。在開始壓注前，將截止閥擋板抽出，在擋板兩側(cè)涂滿黃油，再將擋板插入閥中但不穿入泵管內(nèi)，以便壓注后擋板能順利插入混凝土中起到止?jié){作用。待焊縫冷卻后壓注少量混凝土通過壓注口，繼續(xù)壓注混凝土直至拱頂。水泥砂漿的目的是減小混凝土與管壁之間的摩擦力。壓注過程中，根據(jù)排氣孔觀察到的情況隨時(shí)補(bǔ)漿。壓注過程中通過調(diào)整控制兩岸混凝土輸送泵的泵送速度，確保壓注均勻、對稱，并通過錘擊鋼管管壁辨別管內(nèi)是否空心的方法了解混凝土壓注的高度，以此憑據(jù)調(diào)整混凝土的壓注速度，控制兩岸混凝土壓注進(jìn)度對稱。

當(dāng)混凝土壓注至接近拱頂面時(shí)，嚴(yán)格控制壓注速度，以防止混凝土超過拱頂截面引起鋼管拱振動(dòng)?；炷恋竭_(dá)拱頂時(shí)，通過交替泵送兩岸混凝土將砂漿從拱頂出漿孔排除，待出漿孔有混凝土溢出后，利用鋼筋抽插出漿管內(nèi)的混凝土，將氣體和浮漿排出，直至良好的正?；炷翉某鰸{管溢出，兩岸輸送泵停止泵送，穩(wěn)壓2分鐘，并關(guān)閉壓注管處的閥門且不得漏漿，防止混凝土回流。

拆除輸送泵接頭，接通下一根鋼管填充灌注的泵管路，開始填充灌注下一根鋼管。如此循環(huán)。每次一個(gè)循環(huán)灌注完成時(shí)，鋼管內(nèi)混凝土均不得初凝。

進(jìn)行下一次鋼管混凝土填充灌注前，對前一次灌注混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測，確保前一次混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)

要求。

3.5 出漿孔、灌注孔填充灌注后的處理

待鋼管混凝土填充灌注完成并混凝土終凝后，割掉灌注用的泵管和出漿管，并用原開孔保留的鋼板進(jìn)行封閉焊接，并在表面進(jìn)行防腐涂裝處理，以防雨水進(jìn)入。

4 結(jié)語

鋼管混凝土填充灌注施工技術(shù)有一定的難度和風(fēng)險(xiǎn)，施工時(shí)必須做好充分的準(zhǔn)備工作和現(xiàn)場精細(xì)組織，比如說填充混凝土的配合比設(shè)計(jì)和輸送泵的選擇以及施工時(shí)現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備的調(diào)度指揮協(xié)調(diào)，確保鋼管混凝土填充灌注施工一次性連續(xù)完成。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3] 劉古岷.混凝土泵送壓力的實(shí)用計(jì)算公式[J].工程機(jī)械，1989，（11）.

[4] 張鴻，方華，徐奕鑫，等.鋼管砼泵送頂升壓應(yīng)力計(jì)算分析[A].中國公路學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2005.

[5] 付超，況勇，等.大跨徑鋼管砼拱橋砼泵注技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2000，（2）.

[6] 肖生智，等.鋼管砼拱橋管芯砼泵送頂升澆灌法施工[J].華東公路，1997，（3）.

（責(zé)任編輯：蔣建華）