系桿拱拱肋頂升混凝土施工技術(shù)

蒲桂林

摘要 以云山特大橋?yàn)槔?，全面分析了系桿拱拱肋頂升混凝土的施工流程及要點(diǎn)，對(duì)頂升施工過程中的監(jiān)控量測(cè)及應(yīng)急處置措施提出了具有較強(qiáng)指導(dǎo)性的建議。基于提出的混凝土頂升施工工藝和措施，該橋梁的系桿拱拱肋頂升混凝土施工得以保質(zhì)保量完成，表明所提施工措施能夠滿足該橋梁的工程實(shí)際情況，能夠?yàn)橥愋凸こ淌┕しe累豐富施工經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞 系桿拱；施工技術(shù)；鋼管混凝土；拱肋頂升；上部結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào) U445.57文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）24-0099-04

0 引言

系桿拱橋?yàn)榱汗敖M合結(jié)構(gòu)，具有跨度和剛度大、受力性能優(yōu)良、施工便捷、造型輕便美觀的突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用鐵路和城市軌道交通的橋梁。然而，系桿拱橋需要在鋼管拱中灌注混凝土，其混凝土的澆筑質(zhì)量直接關(guān)系著混凝土和鋼管的協(xié)同受力，需要在施工過程中進(jìn)行嚴(yán)格把控。

現(xiàn)有研究主要集中在系桿拱橋鋼管混凝土頂升施工的單個(gè)環(huán)節(jié)上，在各主要關(guān)鍵環(huán)節(jié)的施工要點(diǎn)體系化梳理和總結(jié)方面的研究尚不足，如李小和等[1]以京津城際鐵路跨北京四環(huán)路的系桿拱連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，探討了該類橋型在墩頂現(xiàn)澆段施工、連續(xù)梁合龍及體系轉(zhuǎn)換、鋼管拱的制作與安裝、鋼管拱內(nèi)混凝土的頂升、施工監(jiān)測(cè)及線形控制等施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)，給出了鋼管拱內(nèi)混凝土頂升的一般流程。李樹光[2]以廣州市解放大橋?yàn)槔?，?duì)無風(fēng)撐鋼管混凝土系桿拱橋的上部結(jié)構(gòu)主要施工工藝流程進(jìn)行了總結(jié)，分別探討了鋼管拱肋制作、吊裝及橋面系施工方面的施工工藝特點(diǎn)，對(duì)混凝土的坍落度和泵送速度給出了建議。祝強(qiáng)[3]以丹東月亮島大橋?yàn)槔?，研究了下承式鋼管混凝土提籃式系桿拱橋的施工方法，探討了鋼管混凝土提升施工泵送順序?qū)Τ蓸蚪Y(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及線性的影響，提出先對(duì)稱同步泵送下弦管混凝土，再對(duì)稱同步泵送上弦管混凝土的澆筑順序。以上文獻(xiàn)往往從一個(gè)方面總結(jié)系桿拱橋施工關(guān)鍵技術(shù)，但對(duì)拱肋頂升混凝土的總結(jié)較少。基于此，該文以云山特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，探討系桿拱橋梁結(jié)構(gòu)的拱肋頂升混凝土施工技術(shù)體系和施工關(guān)鍵要點(diǎn)，提出相應(yīng)的指導(dǎo)性施工建議，以期為同類型工程施工提供參考。

1 工程簡(jiǎn)介

云山特大橋主橋?yàn)榭缍葹?44 m的系桿拱橋。系桿拱主要由拱肋、拱腳、橫撐、系梁和吊桿組成，屬于典型的下承式尼爾森鋼管混凝土拱體系。拱肋采用拋物線形，平面內(nèi)矢高為28.8 m，矢跨比為f/l=1/5，截面采用了疊合拱。吊桿為尼爾森平行吊桿，由127根φ7 mm高強(qiáng)低松弛鍍鋅平行鋼絲束組成，并配備了低應(yīng)力防腐索體和外包不銹鋼防護(hù)。為進(jìn)行施工及后期運(yùn)維過程中的索力監(jiān)測(cè)，各吊桿均加裝光纖光柵壓力傳感器。

拱肋頂升混凝土為C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土，混凝土總方量為1 212.34 m3，其中下弦管混凝土約為451 m3，上弦管混凝土約為482 m3，腹腔混凝土約為279.34 m3，具有澆筑總量大、澆筑范圍較廣、頂升高度較高的特點(diǎn)。

2 系桿拱拱肋頂升混凝土施工流程及要點(diǎn)

鋼管混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)具有良好的受力性能。當(dāng)鋼管被混凝土填充后，鋼管與管內(nèi)混凝土相互作用，使得鋼管壁的穩(wěn)定性得以提升，核心區(qū)混凝土的抗壓力學(xué)性能得以加強(qiáng)。另一方面，鋼管壁能夠作為混凝土澆筑時(shí)的模板，大大簡(jiǎn)化施工工藝，有效縮短施工周期。但由于鋼管混凝土系桿拱拱肋的跨度和高度均較大，其混凝土澆筑質(zhì)量極難控制。將以云山特大橋?yàn)閷?duì)象，介紹適用于鋼管混凝土系桿拱的拱肋混凝土頂升施工相應(yīng)流程及技術(shù)要點(diǎn)。一般而言，拱肋頂升混凝土施工可分為施工準(zhǔn)備階段、混凝土頂升階段和灌注質(zhì)量檢查等[4]。

2.1 施工準(zhǔn)備階段

施工準(zhǔn)備階段的主要內(nèi)容包括總體澆筑順序確定、進(jìn)出漿管和排氣孔的布設(shè)、輸送管布設(shè)、輸送泵選擇、混凝土配制、頂升前的全面檢查和技術(shù)交底等。如圖1所示，為鋼管拱拱肋頂升混凝土施工準(zhǔn)備階段的主要工作流程。

在總體澆筑順序的確定方面，應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)工作面和澆筑過程中拱肋的受力情況。該項(xiàng)目結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，確定總體澆筑順序依次為下部鋼管拱肋、上部鋼管拱肋和拱肋腹腔。首先，在系桿拱大小里程左側(cè)同時(shí)灌注下部鋼管拱肋；其次，在大小里程右側(cè)同時(shí)灌注下部鋼管拱肋；再次，在大小里程先右后左側(cè)同時(shí)灌注上部鋼管拱肋；最后，在大小里程先左后右側(cè)同時(shí)灌注腹腔[5]。需要注意的是，在澆筑過程中，應(yīng)待下部鋼管拱肋混凝土強(qiáng)度及彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值的80%后，再頂升上部鋼管拱肋混凝土，待上部拱肋混凝土強(qiáng)度及彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值的80%后再分倉、對(duì)稱灌注拱肋腹腔混凝土，嚴(yán)防腹板外鼓[6]。

進(jìn)出漿管和排氣孔的布設(shè)，應(yīng)綜合考慮澆筑順序和部位、澆筑過程控制和拱肋中氣體排出等因素。該項(xiàng)目結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，首先在單側(cè)單根拱肋設(shè)置四個(gè)灌注孔，四個(gè)灌注孔分別對(duì)稱設(shè)置于拱肋中心線的側(cè)面管壁，灌注孔與拱肋軸線的夾角介于20°～45°；同時(shí)在灌漿孔處設(shè)置進(jìn)料管，其材質(zhì)和管徑與輸送管一致，并加設(shè)截止閥門，如圖2所示；然后，沿單側(cè)拱肋及腹板軸線上設(shè)置3組排氣孔，2組泄水孔，排氣孔設(shè)置在拱肋大小里程1/4處及拱肋最高點(diǎn)1/2處，泄水孔設(shè)置在每個(gè)拱肋及腹板靠近拱腳位置，以便于混凝土頂升時(shí)排氣及沖洗，同時(shí)下弦管必須加設(shè)專用排氣孔避免混凝土澆筑時(shí)在隔倉板附近形成密閉空氣[7]；最后，在拱頂處設(shè)置高度不小于150 cm、直徑Φ150 mm的排漿管；應(yīng)當(dāng)注意的是，灌注孔和排氣孔開孔前應(yīng)先放好樣，避免反復(fù)切割和大小尺寸間距過大，且應(yīng)將切割鋼板編號(hào)并注意留存好，以便后期補(bǔ)焊，開孔處應(yīng)加焊加勁板。

輸送管布設(shè)應(yīng)遵循直管優(yōu)先和連接可靠的原則。該項(xiàng)目結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在拱腳附近設(shè)置泵管上弦壓注口，下弦壓注口沿輸送泵出口水平延伸接于弦管。在管道的選擇和固定方面，將與進(jìn)料管相連的第一節(jié)泵管設(shè)置為直管，避免選用彎管，管道均采用槽鋼進(jìn)行加固，并沿管道全長(zhǎng)設(shè)置足夠的支點(diǎn)或者懸掛點(diǎn)，以確保泵送過程中輸送管的可靠運(yùn)行。同時(shí)，該項(xiàng)目在輸送管安裝后，安排專人進(jìn)行接頭膠墊圈位置準(zhǔn)確性、卡箍及螺栓安裝可靠性等施工質(zhì)量的核查。最后，為方便施工時(shí)溢出混凝土的沖洗及泵送前泵管和拱肋鋼管的濕潤(rùn)沖洗，該項(xiàng)目在鋼管拱肋上進(jìn)行了供水管道的布設(shè)。

輸送泵的選擇應(yīng)綜合考慮泵送高度、泵送過程的壓力損失和地泵的壓力儲(chǔ)備等因素。該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)最高泵送高度為28.7 m；單個(gè)地泵輸送泵管存在兩個(gè)轉(zhuǎn)角為90°、半徑為1 m的用于泵管上橋及轉(zhuǎn)換的彎管，31 m水平管和20 m豎直管，泵管總長(zhǎng)度為51 m。因此，該項(xiàng)目的混凝土泵送沿程損失總壓力P可利用公式（1）計(jì)算得到，其中的彎管壓力損失P1、水平泵沿程壓力損失P2、豎直方向壓力損失P3可利用公式（2）計(jì)算得到。加之，高標(biāo)號(hào)混凝土泵送可能遭遇的混凝土配比、溫度、環(huán)境和操作原因等影響，故選用具有較高壓力儲(chǔ)備的中聯(lián)重科ZLJ5140THBEF型車載泵，以充分保障施工需求[8]。

P=P1+P2+P3 （1）

式中，P1——彎管壓力損失值，可由彎管數(shù)量和每個(gè)彎管的壓力損失計(jì)算得到；P2——水平泵沿程壓力損失值；P3——豎直方向壓力損失值。P2和P3可由公式（2）計(jì)算得到。

式中，d——混凝土輸送管直徑（m）；S——坍落度（cm）；t2/t1——混凝土泵分配閥切換時(shí)間與活塞推壓混凝土?xí)r間之比，其值約0.2～0.3；V2——混凝土在管道內(nèi)的流速，當(dāng)排量達(dá)30 m3/h時(shí)，流速約0.82 m/s；α2——徑向壓力與軸向壓力之比，其值約0.9；l——水平管道總長(zhǎng)度（m）；ρ——混凝土的密度（kg/m3）；h——混凝土泵送高度（m）。

混凝土的配制應(yīng)充分考慮鋼管混凝土澆筑的自密實(shí)、混凝土不離析、連續(xù)泵送性能和保障工期的要求。因而，用于鋼管拱肋澆筑的混凝土應(yīng)具有一定的微膨脹性、低氣泡、高流動(dòng)性、延后初凝和早強(qiáng)等性能。微膨脹性使得混凝土具有無收縮補(bǔ)償?shù)男阅?，能夠確?；炷脸錆M鋼管且密實(shí)；高流動(dòng)性使得混凝土能夠在不加振搗的情況下自密實(shí)成型，在坍落度為18～22 mm時(shí)，混凝土中的碎石將呈現(xiàn)懸浮狀態(tài)，粗骨料在頂升過程中不會(huì)因自身重力下落造成頂升失敗；延后初凝性使得混凝土能夠被連續(xù)泵送；早強(qiáng)性使得混凝土澆筑后能夠盡快達(dá)到強(qiáng)度要求，以滿足工期和現(xiàn)場(chǎng)施工要求?；谏鲜鎏攸c(diǎn)和工程實(shí)際，該項(xiàng)目確定采用C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土，且要求坍落度介于18～22 cm之間，擴(kuò)展度介于550～620 mm之間，2 h坍落度損失<20 mm，初凝時(shí)間在10 h以上，5 d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的95%，試配強(qiáng)度為58.2 MPa，每盤凈拌時(shí)間不少于2 min[9]。需要注意的是，對(duì)原材料的性能進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，在配制前，該項(xiàng)目要求確認(rèn)檢查各種原材料的技術(shù)證明書和出廠合格證，并予以抽檢，合格方可使用[10]。

頂升前的全面檢查和技術(shù)交底對(duì)于保障混凝土頂升施工順利進(jìn)行至關(guān)重要。該項(xiàng)目針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各機(jī)械設(shè)備，特別是對(duì)拌和樓、輸送泵進(jìn)行全面檢查和維修；其次，在監(jiān)理工程師監(jiān)督下對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的拱肋鋼管焊接接頭進(jìn)行超聲波檢查焊縫，質(zhì)量合格后方進(jìn)行混凝土的泵送[11]；最后，由總工程師向有關(guān)技術(shù)人員、作業(yè)人員作技術(shù)交底，詳細(xì)闡述頂升工藝、關(guān)鍵工序及注意事項(xiàng)等。

2.2 混凝土頂升階段

混凝土頂升階段的主要內(nèi)容包括頂升時(shí)間確定、管壁潤(rùn)濕、混凝土對(duì)稱泵送和頂升結(jié)束等。如圖3所示為混凝土頂升階段的主要工作流程和要點(diǎn)。

頂升時(shí)間的確定應(yīng)考慮氣溫對(duì)混凝土坍落度損失的影響。因此，該項(xiàng)目將頂升日期選擇在氣溫較低且日溫差變化較小時(shí)，結(jié)合有效的施工組織，確保在當(dāng)日氣溫較低的時(shí)段進(jìn)行頂升操作，且7 h內(nèi)完成單次頂升澆筑。

管壁潤(rùn)濕旨在保證管內(nèi)渣物有效排出且減小混凝土泵送阻力。因此，該項(xiàng)目壓注前，從拱頂向下用清水進(jìn)行沖洗，并在拱腳設(shè)置多個(gè)排渣孔，以保證管內(nèi)渣物充分排出和泵管各段的有效潤(rùn)濕。

為確保混凝土的對(duì)稱泵送，該項(xiàng)目在拱肋混凝土灌注施工過程中，遵循連續(xù)低壓慢泵的原則，從拱肋兩端拱腳處對(duì)稱地連續(xù)澆筑，并在拱腳混凝土初凝前全部完成；當(dāng)排氣管內(nèi)溢出的混凝土濃度與泵送混凝土濃度相同時(shí)，進(jìn)行排氣管的封堵；同時(shí)，該項(xiàng)目在拱頂出漿口安裝消防管進(jìn)行導(dǎo)流，將出漿引到地面的集料袋，待混凝土頂升完成后，通過汽車吊將集料袋中的漿體作為其他利用[12]。

頂升結(jié)束后，應(yīng)注意灌注孔、排氣孔和出漿孔的拆除和封堵。該項(xiàng)目中，所有孔的封堵均待鋼管拱內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到50%以上后進(jìn)行，孔的封閉均采用原切割鋼板進(jìn)行焊接。同時(shí)，在切割和焊接過程中，均采取有效降溫措施，以避免燒傷混凝土。

2.3 灌注質(zhì)量檢查

拱肋混凝土是否密實(shí)等灌注質(zhì)量的檢查應(yīng)在拱肋混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值后進(jìn)行，可采用超聲波法進(jìn)行檢測(cè)。若檢測(cè)發(fā)現(xiàn)不密實(shí)的部位，可進(jìn)一步采用鉆孔壓注水泥漿的方法進(jìn)行填充。該項(xiàng)目在澆筑完成后，在監(jiān)理工程師監(jiān)督下對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的拱肋混凝土澆灌質(zhì)量進(jìn)行超聲波檢查，抽檢部位管內(nèi)混凝土澆筑密實(shí)。

3 頂升過程中的監(jiān)控量測(cè)及應(yīng)急處置措施

3.1 頂升混凝土過程測(cè)量與控制

混凝土的頂升過程應(yīng)進(jìn)行有效的監(jiān)控量測(cè)，主要表現(xiàn)在灌注標(biāo)高監(jiān)測(cè)、拱肋軸線偏位和標(biāo)高監(jiān)測(cè)，以及拱肋應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

灌注標(biāo)高的監(jiān)測(cè)對(duì)于判斷兩側(cè)混凝土澆筑的對(duì)稱性具有重要意義，若兩對(duì)稱半跨的進(jìn)度差超過1 m，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行澆筑進(jìn)度的調(diào)整。該項(xiàng)目結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，綜合采用混凝土用量估算和現(xiàn)場(chǎng)檢查等方法進(jìn)行標(biāo)高測(cè)量。首先，設(shè)置專人在攪拌樓記錄拌和混凝土的盤數(shù)，并采用對(duì)講機(jī)隨時(shí)與澆筑現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溝通；其次，安排專人敲擊拱肋鋼管，以敲擊聲音判斷混凝土的已澆筑位置。

為有效進(jìn)行拱肋軸線偏位和標(biāo)高監(jiān)測(cè)，該項(xiàng)目在拱腳、1/4跨、拱頂、3/4跨（共4處）分別設(shè)置測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)，在每一個(gè)節(jié)段的混凝土泵送后，利用預(yù)先布設(shè)的棱鏡和全站儀監(jiān)測(cè)鋼拱肋各標(biāo)記點(diǎn)的標(biāo)高和偏位。同時(shí)，將澆筑高程實(shí)測(cè)值允許偏差及軸線偏位實(shí)測(cè)值允許偏差分別取L/3 000和L/4 000（L為跨徑）。

為監(jiān)測(cè)混凝土澆筑過程中的拱肋應(yīng)力應(yīng)變情況，該項(xiàng)目在拱腳、1/4跨、拱頂、3/4跨（共4處）安裝應(yīng)力計(jì)，在每一個(gè)節(jié)段的混凝土泵送后，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集。

3.2 應(yīng)急處置措施

混凝土泵送易發(fā)生泵送困難、堵塞等情況，該項(xiàng)目結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采取了切實(shí)有效的應(yīng)急處理措施。

泵送困難或泵送壓力過大的情況多出現(xiàn)在混凝土泵壓到拱肋四分點(diǎn)及以上部位。此時(shí)，應(yīng)及時(shí)啟用備用孔進(jìn)行混凝土泵壓，原則上控制在0.5～1 h內(nèi)完成所有換管。

混凝土泵管堵塞可以通過按壓反泵開關(guān)和拆管清除堵塞物等方法進(jìn)行排除[13]。但為有效保障灌注過程的連續(xù)性，該項(xiàng)目在每根上下弦鋼管的1/4 L靠下位置處增設(shè)一個(gè)注漿孔備用，此注漿孔同時(shí)作為出氣孔使用，當(dāng)注漿混凝土面到達(dá)備用孔時(shí)，關(guān)閉此處的截止閥；當(dāng)出現(xiàn)混凝土中斷不能繼續(xù)頂進(jìn)時(shí)，立即啟用此注漿孔，繼續(xù)進(jìn)行混凝土的頂升施工。

4 結(jié)論

橋梁系桿拱結(jié)構(gòu)形式目前在跨路、跨江等環(huán)境下較為常用，而拱肋頂升混凝土施工技術(shù)是該工藝施工中非常重要的一道工序。該文探討系桿拱橋梁結(jié)構(gòu)的拱肋頂升混凝土施工技術(shù)體系和施工關(guān)鍵要點(diǎn)，提出了相應(yīng)的指導(dǎo)性施工建議。如今該橋梁工程已建設(shè)完成，經(jīng)過相關(guān)質(zhì)檢監(jiān)測(cè)，完全符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，表明該工程所使用的施工技術(shù)具有超強(qiáng)的可行性，值得在今后同類型工程施工中應(yīng)用推廣。

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