浅谈钢管拱自密实混凝土顶升法灌注施工技术
潘兴蟠
深圳市路桥建设集团有限公司 广东深圳 518000
摘要：福田保税区新洲路南延（桂花路西延连接新洲路）工程设置一座景观桥横跨新洲河，景观桥采用钢管混凝土拱桥结构。现结合本工程景观桥施工情况，浅析钢管拱自密实混凝土顶升法灌注施工技术。
关键词：钢管混凝土拱桥 C60自密实混凝土 顶升法灌注施工
1、工程简介
福田保税区新洲路南延（桂花路西延连接新洲路）工程位于深圳市福田保税区西北角，起点位于新洲路-福荣路交叉口，终点位于桂花路-福田隧道交叉口。道路等级为城市次干道，双向四车道，设计车速30km/h。红线宽度为28m，全长约为293m。
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图1.1 桥型布置图
项目设置一座景观桥，跨越现状新洲河，跨径为1×75m，采用钢管混凝土拱桥，全桥长75.86m，起点桩号为K0+052.92，终点桩号为K0+130.68。桥面主梁是由纵梁与横梁焊接而成的钢箱结构。全桥桥宽28m，采用整幅设计，两片主拱设置在中央分隔带，计算跨径分别为72m、65.55m，矢高分别为18m、17.25m，主拱矢跨比分别为1/4、1/3.8，两侧主拱外倾5度，钢管外径0.9m，主拱横撑采用钢管撑。桥面主梁采用单室多箱钢结构断面，钢梁高2m，吊杆间距设置为4m，下部结构采用埋置式桥台，钻孔灌注桩。
2、钢管拱基本情况
主拱由两片拱肋组成，计算跨径分别为72m、65.55m，矢高分别为18m、17.25m，两片主拱均向外倾斜5度，采用钢管混凝土截面，钢管外径0.9m。钢管采用Q345qC钢，壁厚16～20mm。拱轴线为二次抛物线，拱肋之间采用Q345qC钢管横撑，直径0.6m，壁厚16mm，布置间距4m。
吊杆采用热挤聚乙烯高强平行钢丝成品吊杆，吊杆间距同主梁实腹横隔板间距，均为4m。吊杆两端均采用冷铸锚，与主拱连接采用锚管式，与主梁连接采用销接吊耳形式锚固，所用钢丝为直径5mm环氧高强度低松弛钢丝（Ⅱ级松弛），钢丝标准强度fpk =1670MPa，弹性模量Ep=2.0×105 MPa。
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图2.1 钢管混凝土拱示意图
3、C60自密实混凝土配合比设计
本桥设计钢管拱内采用C60自密实补偿收缩混凝土灌注填充。钢管混凝土拱桥的主要承重结构为钢管混凝土拱肋，因此钢管混凝土的配合比选择除要考虑它的高强、早强、良好的可泵性外，还需特别考虑其自密实性。为了保证泵送混凝土施工顺利进行，应对混凝土原材料进行严格挑选，并对各种材料进行多种配合比试验及有关性能测试，选用的自密实混凝土须具有坍落度大、和易性好、不泌水、不离析、缓凝、早强微膨胀等特点。
（1）钢管拱泵送混凝土配合比配制具体要求如下：
① 混凝土为高强C60微膨胀混凝土。
② 混凝土灌注采用泵送压注，不振捣，为自密实混凝土。
③ 在泵送顶升的全过程中，混凝土始终保持良好的可泵性。
④ 必须在混凝土初凝前完成压注，因此，混凝土应具有较好的缓凝性，要求混凝土的初凝时间≮16小时，终凝时间＜24小时（泵送灌注时间≤10小时）。
⑤ 压力泌水率低，且流动度高，便于混凝土自动扩张填充，要求5小时后散度≥400mm。
⑥ 为缩短两次压注的间隔时间，混凝土必须具备早强性能。在最短的时间内混凝土达到设计强度。
⑦ 混凝土坍落度：初始为20～26cm（要求入管时不小于18cm），5小时后≥18cm。
⑧ 混凝土具有收缩补偿性，即补偿收缩混凝土，其微膨胀率≥混凝土收缩率，其稳定收敛期应小于60d。
（2）本项目采用泵送混凝土配合比如下：
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表3.1 混凝土配合比报告
4、钢管拱自密实混凝土顶升施工工艺
本桥钢管拱内设计为C60自密实混凝土，共98.16m³，采用由拱脚向拱顶“连续顶升”施工。应用一级泵送一次到顶，拱顶弦管内以隔仓板隔开，保险考虑，拱肋上设置二次泵送的接力灌注孔备用。为防止堵管，浇注前宜先压入清水，润湿管壁，再压入一定数量的水泥浆作先导，然后才连续泵入自密实混凝土。泵送顺序：先下管、后上管、再腹板。采用4台混凝土输送泵分别从4个拱脚同时压注，泵送速度协调一致，严格按对称加载，均匀原则。
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图4.1 自密实混凝土顶升施工工艺流程图
4.1 顶升施工辅助设施布设
泵管整体布置：在两侧拱脚处适当的位置设置输送泵，根据本项目实际情况，输送泵布置在箱梁上，泵管铺设尽量减少转弯。泵管前端与拱肋灌注孔直接相连，通过输送泵向弦管内对称顶升混凝土。
（1）灌注口：灌注口对称设置在距拱脚约1～1.5m处的弦管侧面或顶面，直接采用长约60cm的泵管，与拱轴线夹角约300方向伸入弦管内，与弦管焊接并设置加劲板。
（2）回流截止阀：为了方便试泵、检验泵以及备用泵的连接，更为了防止顶升完成后砼回流造成拱肋内砼的不密实，保证拱肋砼顶升质量，在每一个灌注口设一个回流截止阀，通过法兰盘与泵管连接。
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图4.2 回流截止阀设置图
（3）增压排浆孔：在每根弦管拱顶处开一个φ200㎜的孔，外焊φ200㎜钢管（长1.6m，壁厚大于5mm），用δ＝10㎜钢板作加劲板，钢管竖直向上，用于排气出浆。
（4）养护水管布置：养护水管沿拱肋布置，每隔10～15m布置一个水阀，用于浇水湿润包裹弦管的土工布或麻袋和冲洗被砼等污染的拱肋外表。
（5）排气孔：为减小砼在钢管内流动时的空气阻力，同时在施工时观察管内砼的情况，纵向每一个法兰盘下方5cm处设置一个排气孔，排气孔采用长0.3m、直径φ50㎜钢管，拱肋钢管上按φ50㎜钢管内径开孔，用δ＝10㎜钢板作加劲板，φ50㎜钢管上端预制内螺纹，并配制相应螺栓，当排气孔冒砼时，立即用螺杆旋紧堵住排气孔。
（6）临时出渣孔：在拱肋底部设置临时出渣孔，尺寸和结构同排气孔，便于清水和渣物流出。
4.2 顶升施工前准备工作
（1）施工前组织有关人员进行安全技术交底，交底要有详细记录。
（2）施工前要组织施工班组进行砼泵管的接、拆管训练，保证在施工中每个接口的拆装总时间不超过30min。
（3）泵送前对商品砼拌合站进行交底，确认水泥、砂、石料、外加剂及其它所有掺合料准备充足，并满足自密实微膨胀砼质量要求。确认搅拌车安排足够，能够保证浇筑过程砼源源不断，一气呵成。
（4）泵送顶升施工前，对钢管裸拱进行全面检查，并做好记录，清除杂物并清洗干净。
（5）施工前，在拱肋弦管顶面沿拱轴线每2.5m作一标志，以便砼泵送顶升时能准确判断砼面的位置及标高。
（6）灌注前要有详细的测量资料，并在有关的监测位置做好标记，第三方监控单位埋设好监控元件和数据线。
（7）养护系统必须布置完善并保证水源充足。
（8）所有用于施工的机械设备在每次灌注前进行全面的检修。
（9）所有安全设施必须到位，参与施工的所有人员必须戴好安全防护用品。
4.3 混凝土运输
C60自密实混凝土由商品砼拌合站拌合后通过罐车运输至拱脚附近的输送泵内，再泵入钢管拱肋。
为了防止砼顶升过程中出现意外情况，准备足够的备用管道、电焊机、气割设备等应急器具，以备在发生堵管或砼泵送不上去的时候在砼到达位置开孔焊接带闸阀泵管，然后连接备用管道继续压注直至管顶。
砼泵的选择：输送泵的额定泵送能力应不小于灌注速率或实际砼供应量的2倍；输送泵的额定压力须满足最大泵送压力，即静压力和泵送压力叠加之和。输送泵的额定扬程应大于1.5倍的灌注顶面高度，本项目要求输送泵的额定扬程大于30m。根据以上要求，选择三一SY5128THB拖式砼超高压输送泵，分配阀为S形摆管阀，最大理论输出量100m³/h，出口处最大压力为11MPa，电机功率为200KW，桥梁两侧各布置两台超高压输送泵。
4.4 顶升灌注混凝土
（1）泵送清水
清水必须湿润所有的输送泵管。检查输送泵工作情况是否正常、输送管道有无渗漏。
（2）清洗弦管
用清水从拱顶出浆孔注入，对弦管内所有废渣完全清洗，并由拱脚位置处的排渣孔排出，沉积在管底的渣物用勺子从排渣孔伸进去掏出来，然后焊接封闭排渣孔。
（3）泵送水泥砂浆
砼从进料管出来后，在重力作用下填充管口以下的空腔直至淹没进料管口，以后砼在泵送压力下向上顶升，此时粗骨料先下落，所以泵送砼前首先泵送1m³高强度水泥砂浆（按自密实微膨胀砼配合比减掉碎石），以免粗骨料反弹导致接头处砼质量差，同时砂浆还可在泵送过程中起到润滑管壁的作用。灌注接近完成时，通过继续泵送砼将砂浆排出管外直至溢出新鲜混凝土。
（4）顶升灌注砼
在开始顶升砼前，将截止阀阀板打开形成孔洞并拧上螺栓，然后将阀板涂满黄油，以便泵送完成后能顺利打入砼中关闭阀门。压注过程中保持慢速、均匀、对称、低压的压注状态，通过锤击的方法了解砼到达的位置，以协调桥梁两端的压注速度，保证砼从桥梁两侧基本同时到达拱顶，当一侧泵送过快时必须停下来等待。当砼接近拱顶面时，严格控制速度防止砼超过拱顶截面时引起振动。当砼到达拱顶出浆孔有砼溢出且无气泡冒出时，停止泵送，关闭压注口阀门且不得漏浆，拆除输送泵接头。施工时严格按设计要求进行，待钢管拱内砼强度达到设计强度的70%后，按加载流程进行相应的系杆张拉。
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图4.3 混凝土顶升灌注图
4.5清洗、拆除泵管
待砼泌水停止后，割掉进料管并用原割下来的钢板封堵排浆孔、灌浆孔，以防雨水进入，并防止碳化反应。
5、主拱钢管混凝土内部缺陷检测
（1）敲击法检测
用2.5磅铁锤对拱肋钢管混凝土敲击普查，对强烈振感且声音沉闷钢管壁进行标记并做好相关记录。
（2）超声法检测
测点沿拱轴线由东向西布置，测点间隔3m，法兰中心为必检断面。根据现场检测条件，两片拱肋共计布设51个检测断面，每个检测断面均为4对测点，测点沿圆周均匀分布，测线夹角45度。
① 1#拱共布设23个检测断面，东拱脚为起始端编号1G1，依次编号至1G23，法兰所在位置断面编号为“1G2”、“1G7”、“1G13”、“1G16”、“1G19”、“1G22”。
② 2#拱共布设28个检测断面，东拱脚为起始端编号2G1，依次编号至2G28，法兰所在位置断面编号为“2G2”、“2G8”、“2G13”、“2G18”、“2G22”、“2G27”。
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图5.1 检测断面分布示意图
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图5.2 检测断面测点布置示意图
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图5.3 管壁开孔检测
（3）检测数据分析
本次检测共计204个对测点位，通过敲击与声波综合测试，确定混凝土与钢管粘结良好的测点共计36对。依据CECS21-2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》6.3.2条，对检测得出的声速、声幅进行数理统计，得到拱肋钢管混凝土声速、声幅平均值和标准差，再计算判断值。本次检测声速和声幅统计结果见下表。
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参加统计测点数量
|
声速范围
（km/s）
|
声速平均值
（km/s）
|
标准差
（km/s）
|
判断值
（km/s）
|
|
36
|
5.021-5.294
|
5.147
|
0.071
|
5.010
|
表5.1 声速检测结果数理统计表
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参加统计测点数量
|
声幅范围
（dB）
|
声幅平均值
（dB）
|
标准差
（dB）
|
判断值
（dB）
|
|
36
|
90.53-114.02
|
101.72
|
6.89
|
88.50
|
表5.2 声幅检测结果数理统计表
经分析，各测点声学参数均大于判断值。
（4）声波敲击综合判定脱空点位
经检测，两片拱肋共有168对测点声速范围在3.510 km/s-3.777 km/s，声速低于C60混凝土正常值，并且铁锤敲击震感强烈、声音沉闷，钢管壁和混凝土结合不密贴，存在脱空可能。经与现场监理及设计代表确认后选取5个脱空较严重区域开孔检查混凝土与钢管脱空高度，开孔设备采用磁力钻，钻头为直径5cm的取芯钻头，管壁钻穿后管壁芯样自然脱落，管壁与混凝土间未见明显空隙，脱空高度检测结果见下表。
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开孔部位
|
脱空高度
实测值（mm）
|
脱空高度
最大值（mm）
|
GB 50923-2013《钢管混凝土拱桥技术规范》允许值
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|
1#拱1/4跨内侧
|
0.53、0.46、0.55
|
0.55
|
3.00
|
|
1#拱拱顶内侧
|
0.61、0.63、0.52
|
0.63
|
3.00
|
|
1#拱3/4跨内侧
|
0.58、0.55、0.43
|
0.58
|
3.00
|
|
2#拱拱顶外侧
|
0.57、0.65、0.48
|
0.65
|
3.00
|
|
2#拱3/4跨外侧
|
0.58、0.52、0.64
|
0.64
|
3.00
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表5.3 脱空高度实测值
（5）检测结果分析
经检测，福田保税区新洲路南延（桂花路西延连接新洲路）工程跨新洲河景观桥钢管混凝土拱共检测51个断面204对测点，其中168对测点敲击与超声检测均判定为脱空，选定5处脱空较为严重部位开孔检测脱空高度，实测最大脱空高度为0.65mm，在GB50923-2013《钢管混凝土拱桥技术规范》允许值3.00mm之内。混凝土与钢管粘结良好的测点共计36对，声速范围在5.021-5.294 km/s之间，声幅范围在90.53-114.02 dB之间，无声学参数异常测点。
6、结语
经过精心部署组织施工，福田保税区新洲路南延（桂花路西延连接新洲路）工程景观桥采用“顶升法”施工技术顺利完成钢管拱内自密实混凝土灌注。经检测，其各项指标均满足设计及相关技术规范要求。这进一步验证了“顶升法”施工技术在钢管拱混凝土灌注施工中的优势，同时也可为往后类似项目钢管拱混凝土灌注施工提供参考和借鉴。
参考文献：
[1]林朝庆，谢永生，陶聿君，等.一种用于钢管拱桥自密实混凝土顶升灌注施工方法，CN104153295A[P].2014.
[2]郭金亮.钢管拱桥自密实微膨胀混凝土泵送顶升施工技术[J].公路，2017（07）：129-133.