钢管拱混凝土顶升灌注施工

中铁二局五处 陈善军

【摘要】本文通过对钢管拱砼在灌注过程中可能出现的问题进行预测分析，并采取相应的技术措施，取得了非常理想的效果。 【关键词】钢管拱 顶升 砼灌注 配合比

1、工程概况

深圳彩虹桥总建筑长438m，由主桥和两端的引桥组成。主桥为钢管砼下承式钢架系杆拱，跨度150m，双向四车道，桥宽23.5m，飞跨深圳火车北站29股轨道。主桥下部结构形式为3m直径桩基、系梁、承台、2.8m—3.6m钢管砼柱及箱室钢纤维砼帽梁，上部结构为4支格构式钢管拱，钢管直径750mm，壁厚12mm，钢管内灌注C50微膨胀砼，共580m3；通过17对双吊杆悬吊预应力钢—砼叠合板组合桥面系，由于采用无推力拱体系，两端帽梁通过南北各16根12φ15.24钢绞线成品束来平衡拱对帽梁产生的推力，并通过墩柱内的竖向预应力体系克服拱对帽梁产生的弯矩。桥型结构如下图。

1

该桥是深圳市已建桥梁中跨径最大、技术含量最高的一座，具有无铰下承格构式系杆拱目前国内跨度最大，桥面悬浮体系目前国内最新的特点。深圳彩虹大桥建成后，不仅能缓建深圳市的交通，而且将作为深圳城市的一个标志，与周围环境共同构成深圳市的一道亮丽景观。

2、原因分析

从已知的国内外钢管拱桥施工情况了解倒，钢管拱砼灌注在整个钢管拱桥施工过程中，是一个关键控制工序，必须引起高度重视。可能出现的几种质量问题及原因分析归纳如下

可能出现的几种质量问题

问题 来源

2

砼不密实（A） 重庆綦江虹桥 钢管壁与砼结合不密贴（B） 广东某钢管拱桥 砼强度不够（C） 重庆綦江虹桥 钢管内砼形成接缝（D） 重庆綦江虹桥 钢管壁破裂（E） 广西某钢管拱桥 拱顶标高误差（F） 重庆万县某钢管拱桥 拱轴线横向偏位超标（G） 日本某钢管拱桥 拱对称点高差超标（H） 日本某钢管拱桥

用矩阵图分析主要问题和主要影响因素 序 问题 号 影响因素 A B C D E F G H 1 △ ★ △ 操作不熟练 2 操作失误 △ ★ △ △ ★ ★ 3 质量意识不强 ★ ★ ★ ★ ★ ★

砼配合比不正确 ● ● ● 4 ● ★ 5 砼配料计量误差大 ● ● ● ★ ★ 6 灌注砼过程中进入空气 ● ★ ★ ● ●

7 ★ ★ 钢管内部加强环处窝气 ★ ★ 8 砼灌注方法不正确 ● ★ ★ ● ● ● ● ● 9 砼灌注顺序不正确 ★ △ △ △ ★ ● ● ● 砼供应不及时 △ ★ △ 10 ● ★● △△

11 砼间隙灌注 ★ ★ ● ★ 12 输送泵选型不正确 ● ★ ● ● 13 钢管排气量不够 ★ ● 钢管壁側压力计算不正确 14 ●

15 △● 监测不及时 ★ ● ● 16 未对称灌注砼 △ ★ ● ● 17 未压拱顶 ● △

备注：●表示主要关系；★表示次要关系；△表示一般关系 根据矩阵图找出：

关键问题：E（钢管壁破裂）、A（砼不密实）

主要因素：8（砼灌注方法不正确）、4（砼配合比不正确）、9（砼灌注

顺序不正确）、6（灌注砼过程中进入空气）、5（砼配料计量误差大）

3、方案比选

3

钢管拱砼灌注是钢管拱桥施工成败的关键之一，必须保证钢管内的砼密实、强度达到要求、钢管壁与砼结合密贴，否则造成无可挽回的损失。因此，必须选择正确的灌注方法。几种灌注方案比较如下表 方 案 比 较 表 方 案 简 介 从钢管拱脚处用高压输送泵一直往拱顶压送砼 从拱顶往下灌注砼 优 点 ●砼中不窝气 ●砼密实度好 ●在拱上布管少 ●施工方便 ●对输送泵要求不高 缺 点 ●对砼标准要求 高 ●对砼输送泵要求 高 ●砼中易窝气 ●砼密实度难保证 ●拱上布管多 ●砼中易窝气 ●拱上布管多 ●用振捣器振捣钢管使砼密实很难实施 顶升灌注方案 高抛灌注方案 从拱顶往下灌●砼密实度能保证 注，钢管外壁●对输送泵要求不高 高抛振捣灌注方用振捣器振捣 案 从三种方案比较，顶升灌注方案是最优方案，并且是可行的，其它方案在此不可行。

4、砼配合比选择 4．1、技术要求：

砼强度：fc4≥45Mpa,fc28≥50Mpa

砼凝结时间：初凝时间：≥12h，终凝时间≤16h

砼灌注时的坍落度：200mm～240mm，坍落度损失：4h时≤60mm 砼限制膨胀率：28d，0.00%～0.02% 砼和易性、可泵性良好，无泌水现象。 4．2、砼配合比设计

砼配合比采用正交试验法进行优化设计，设计控制参数：

4

水泥：韶峰牌PO525＃，≤550kg/m3，符合国家质量标准要求。 外掺料：Ⅰ级粉煤灰5%～10%，国家质量标准要求。

外加剂：NFH减水剂0.8%～1.5%；UEA-H膨胀剂13%～17%，符合国家质量标准要求。

砂：中粗河砂，细度模量Mn=2.3～3.0，符合国家质量标准要求。 石：花岗岩碎石，最大粒径20mm，级配良好，符合国家质量标准要求。

含砂率：40%～45%。

砼配合比及砼各项技术性能指标如下表

砼 配 合 比 名称 材料用量（kg/m3） 比例 水 181 0．42 水泥 435 1 砂 730 石 930 粉煤灰 27 0．06 NFH 15．2 0．035 UEA-H 81 0．19 1．68 2．14

砼各项技术性能指标 项目 砼强度 4d 28d 凝结时间 砼坍落度 2h 4h 限制膨胀率 7d 14d 0.02 % 28d 0.01 % 和易性 良好 可泵性 良好 初凝 终凝 0h 指47 68 14.5 h 标 Mpa Mpa 15.6 24 23 19 0.03 h cm cm cm %

5、砼灌注施工方法 5．1、灌注工艺流程如下图

5

安装输送泵 布设输送管 安装灌注阀门 清水清洗钢管 对称泵送砼 监 测 堵塞出气孔 拱顶出砼 停止泵送砼 关闭灌注阀门 拆除输送管 清洗输送管和输送泵 砼养护

结束

6

5．2、砼灌注顺序

遵循先上弦管，后下弦管；先外弦管，后内弦管的原则，南北拱肋同时从拱脚对称向拱顶灌注。其顺序如下图

Ⅲ Ⅳ Ⅳ’ Ⅲ’ ⅠⅡ Ⅱ’Ⅰ’ 北拱肋 南拱肋 钢管拱砼灌注顺序图 5．3、灌注孔安设

灌注孔孔径采用125mm，与砼输送管等直径，其方向向上，与钢管轴线成30。的角度。砼输送管与钢管灌注管用法兰盘连接，并设止浆阀。为防止从拱脚出不能一次灌注到拱顶，每根钢管从拱顶对称各再增设3个灌注口，作为备用。其布设如下图所示

灌注口4#5#400015000150002000020000 7

5．4、排气孔安设

排气孔每8设一个，孔径50mm，露出管外200mm，方向垂直于钢管轴线，拱顶管内用钢板隔开，在此钢板两侧150mm处对称安设直径100mm，长1800mm的排气管。为防止加强环及拱顶隔板处窝气，在加强环和隔板上设直径20mm的排气孔，加强环的排气孔尽量设在靠近拱的上方。

5．5、输送泵的选型及布设

根据钢管砼对称同时灌注的原则，每次灌注两根钢管，则两端各设两台输送泵，同时拱背上布设两组输送管作为备用。为减少垂直高度和弯管引起泵送压力损失，采用二级接力泵送。其输送泵的布设和型号如下图、表 砼输送管地泵4#车泵5# 砼输送泵型号 名称 SCHWING 贝思特 贵航 SCHWING 型号 地泵 HB-90 车泵 产地 台 出 口 数 压 力 16Mpa 13.5Mpa 7Mpa 7Mpa 系 统 压 力 35Mpa 35Mpa 28Mpa 16Mpa 排 量 85m3/h 80m3/h 50m3/h 60m3/h 垂直输 送高度 300m 280m 200m 40m 德国 2 贵阳 1 德国 2 HBT-80A 徐州 1

8

5．6、砼灌注过程中的监测监控

监控项目：墩顶位移、拱顶高程变化、拱轴线变化 监测仪器：NEICA—TCA1800全站仪。

测点布设：在4# 、5# 帽梁及南北拱钢管的1/2L、1/4L、1/8L处设测点，共布设14个测点。

监测监控时间：在砼灌注过程跟踪进行监测监控。 5．7、技术措施

（1）、所有输送泵在每次砼灌注前对各部件都要进行认真检查，并试运行，确保在整个砼灌注过程中，机况运行良好。同时备用两台输送泵，保证在输送泵有问题时，能及时顶上。

（2）、输送管布设时，尽量减少弯管的数量，管道固定牢固，接头连接紧密，不漏浆，不漏气。

（3）、泵送砼前，先泵清水和水泥砂浆润滑管道，在泵送砼。清水和水泥砂浆只能泵到钢管外，待泵出砼时，再与钢管灌注口相接，向钢管内泵送砼。

（4）、每车砼都应作坍落度、含砂率、和易性检验，保证泵送前砼的坍落度控制在20cm~22cm内及和易性、可泵性和自密实性良好。 （5）、对称灌注砼数量相差不超过2m3。

（6）、为防止钢管拱冒顶，事先做好压顶的准备工作，一但监测到拱顶冒顶接近警戒值，就立即进行压顶。

（7）、在砼灌注过程中，应跟踪监测4# 、5# 墩顶的位移变化，若位移接近警戒值时，应根据加载程序对水平细杆或墩顶竖向预应力

9

加载。

（8）、当输送泵压力接近最大压力值时，而砼还未到拱顶，应停止泵送，换管到上一灌注孔进行泵送，但要保证此灌注孔上方砼至少有5m，不允许砼倒灌。

（9）、当出气孔冒浆时，应立即堵塞该出气孔。出气孔未冒浆不得堵塞。

（10）、砼应连续供应，当砼出现间断时，应留一车砼每隔5分钟泵送一次打养护，直到下车砼到来。输送泵料斗必须有足够的砼，防止无砼空泵而泵入空气到管中，引起堵管，或钢管内砼进入空气而形成空洞，影响砼质量，或因压缩空气产生高压造成钢管壁破裂。 （11）、当拱顶排气管冒浆时，应继续压注砼，直到浮浆全部排完，出现有石子的砼时，方可停止泵送砼。

（12）、砼泵送完后，立即关闭止浆阀门，拆除输送管，进行清洗。

（13）、砼灌注完24小时后，应对钢管表面淋水降温，以保证砼的质量。

5．8、质量保证措施

（1）、加强现场统一指挥，分工明确，相互配合。经理负责总指挥，生产副经理负责现场总指挥，钢管拱两端由两名技术人员进行指挥，各灌注口安排5名操作人员负责接管、拆管、堵塞排气孔等。 （2）、灌注砼前，组织指挥和操作人员进行技术交底，使每人明确自己的岗位职责和质量职责，确保技术要求的贯彻执行。

10

（3）、派人员到砼搅拌站监督督促砼的供应，与现场密切保持联系，根据现场的需用量及时进行供应。

（4）、在输送泵现场，派专人对砼运输车进行调度指挥，保证运输车进出场畅通。 5．9、安全保证措施

（1）、灌注砼前，进行安全教育和安全技术交底，完善安全设施。 （2）、严格按照安全操作规程使用机械。

（3）、严格遵守高空作业安全规程，安拆灌注管时，严禁从拱上掉东西。

（4）、所有灌注管安设牢固，不得有松动现象。 （5）、所有用电线路按“三相五线”制安设。

6、取得效果

深圳彩虹桥钢管拱砼灌注对可能发生的问题进行预测分析，并采取正确的措施，保证了砼得以顺利灌注，取得了非常理想的效果。钢管拱砼从1999年11月10日开始，至1999年11月17日结束，历时8天，分四次共灌注砼590m3。

11

6．1、钢管拱砼灌注时间

顺序 灌注部位 开始时间 结束时间 工作时间 灌注砼数量 1 Ⅰ、Ⅰ’ 99-11-10 pm3:40 99-11-13 pm10:00 99-11-16 pm11:00 99-11-17 am 4:50 99-11-10 pm11:00 99-11-14 am3:30 99-11-17 am4:20 99-11-17 am11:20 7h20min 150m3 2 Ⅱ、Ⅱ’ 5h30min 150m3 3 Ⅲ、Ⅲ’ 5h20min 145m3 4 Ⅳ、Ⅳ’ 6h30min 145m3 6．2、砼实测技术指标 砼强度 n =18 Mfcu=68.5Mpa Sfcu=3.5Mpa Cv=5.1% fcu,min=58Mpa fcu,max=72Mpa 砼限制膨胀率 砼凝结时间 砼坍落度 n=120 msl=21cm Ssl=1.1cm Cv=5.0% slmin=19cm slmax=24cm 7d=0.0035% 初凝：14h30min 14d=0.0026% 终凝：15h50min 28d=0.0018% 6．3、钢管拱实测技术指标

砼密钢管壁与砼 实度 结合程度 实测值 标准值 评定 良好 良好 良好 密贴 密贴 良好 拱轴线高程变化 36mm 50mm 合符要求 拱轴线横向偏位 2mm 35mm 拱对称点高程差 25mm 50mm 4# 、5#墩顶位移变化 4#:4mm 5#:3mm 8mm 合符要求 合符要求 合符要求

12

7、结束语

钢管拱砼顶升灌注获得了成功，本人认为：

7．1、砼配合比是钢管拱砼灌注成功与否的关键，这种砼必须具备微膨胀、高流态、自密实、缓凝、坍落度损失小、和易性和可泵性良好的技术性能。若在砼中掺入出5%~10%的优质粉煤灰，可提高砼的可泵性。

7．2、钢管拱砼顶升灌注，是利用砼的高流态性能，使砼在钢管内滚动向上翻冒，而并不是象活塞推动砼向上升。因此，在考虑砼对钢管壁承受的侧压力时，应是砼自身对管壁产生的侧向压力。但若在砼灌注过程中，进入了大团空气，则会在钢管内使空气压缩，顶送砼压力增大，而使钢管壁侧压力增大，可能导致钢管壁破裂。 7．3、本桥钢管拱砼灌注所选砼输送泵，系统压力均大于28Mpa，泵送相对高度30，轴线长80，虽然钢管内有许多加强环，但实际上所用砼输送泵系统压力只有8Mpa，因此，输送泵压力储备还很大。 7．4、钢管拱砼最佳灌注时间，根据钢材与温度引起的体积变化关系，认为，在钢管处于最大膨胀值时（亦即一天温度最高时），刚好灌注完砼是最佳时间，这样，钢管壁与砼结合更为密贴。

13