摘要：為滿足超大跨徑鋼管混凝土拱橋混凝土灌注施工過程中的拱肋位移、線形及應(yīng)力控制要求，文章以平南三橋工程為例，通過對鋼管混凝土灌注施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)拱肋不同鋼管施工階段的劃分，采用真空輔助灌注工藝，以泵壓法分四級自拱腳向拱頂灌注C70自密實高性能混凝土。通過施工過程控制技術(shù)的應(yīng)用，該橋管內(nèi)混凝土灌注過程中最大拉應(yīng)力為0.44 MPa，拱肋軸線偏差最大值為27 mm，混凝土脫空率lt;1.2%，有效地控制了混凝土灌注后拱肋結(jié)構(gòu)的位移、線形及應(yīng)力，可為其他超大跨徑鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土灌注施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋；混凝土灌注；施工工藝；過程控制技術(shù)

中圖分類號：U448.22 A 47 165 4

0 引言

鋼管混凝土拱橋以其承載能力強、剛度大、適用性強等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于深山峽谷等險峻地區(qū)。鋼管混凝土灌注過程的優(yōu)劣影響著鋼管與混凝土協(xié)同工作的能力、結(jié)構(gòu)施工的穩(wěn)定性、拱橋承載力等。鋼管混凝土灌注施工作為大跨徑鋼管混凝土拱橋的關(guān)鍵工藝之一，其施工控制技術(shù)是目前國內(nèi)外學(xué)者研究鋼管混凝土的重點。在鋼管混凝土拱橋建設(shè)的初期，拱肋灌注混凝土采用人工灌注法從拱頂?shù)焦澳_，自上而下進(jìn)行施工，但人工灌注作業(yè)受其主觀不確定因素的影響較大，施工后鋼管內(nèi)混凝土出現(xiàn)脫空率不滿足規(guī)范要求，鋼管混凝土承載力不足，且管內(nèi)混凝土不斷往拱腳處累加，極易造成拱腳處局部應(yīng)力過大甚至出現(xiàn)爆管的現(xiàn)象［1］。羅業(yè)鳳等［2］依托合江長江一橋采用了真空輔助泵送法分三級接力一次性完成C60高性能自密實微膨脹混凝土灌注施工。郝聶冰等［3］根據(jù)結(jié)構(gòu)在拼裝、混凝土灌注施工過程中的力學(xué)特征，基于可調(diào)域法的優(yōu)點和拱肋拼裝的要求，給出了吊裝線形控制方法。張科乾［4］通過對灌注順序和施工控制進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)腹腔灌注混凝土?xí)垢拱迮c拱肋連接位置出現(xiàn)很大應(yīng)力，容易引起腹腔爆管，建議取消腹腔混凝土的灌注；上、下管連續(xù)灌注方案相比下管混凝土達(dá)到強度再灌注上管方案，鋼管應(yīng)力增加較小。

平南三橋建成以后將成為世界上跨徑最大的鋼管混凝土拱橋。本文通過對其鋼管混凝土灌注施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)拱肋不同鋼管施工階段的劃分，采用真空輔助灌注工藝，以泵壓法分四級自拱腳向拱頂灌注C70自密實高性能混凝土，通過施工過程控制技術(shù)的應(yīng)用，使該橋拱肋混凝土灌注后拱肋結(jié)構(gòu)的位移、線形及應(yīng)力變化狀態(tài)均滿足規(guī)范要求，為其他超大跨徑鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土灌注施工提供借鑒經(jīng)驗。

1 工程概況

平南三橋是主跨為575 m的中承式鋼管混凝土拱橋，計算跨徑為560 m，主拱肋為鋼管混凝土桁式結(jié)構(gòu)，跨徑為575 m，計算矢跨比為1/4.0，拱軸系數(shù)為1.50。拱頂截面徑向高為8.5 m；拱腳截面徑向高為17.0 m，肋寬為4.2 m；每肋為上、下各兩根1 400 mm鋼管混凝土弦管，主弦管間通過橫聯(lián)鋼管850 mm和豎向兩根腹桿700 mm鋼管連接而構(gòu)成矩形截面。單側(cè)主拱肋共分為22個節(jié)段，以橋梁中心線對稱布置，兩岸以跨徑中心對稱，全橋共計44個節(jié)段。主弦管采用Q420qD鋼材，其余為Q345C鋼材。其中需要灌注管內(nèi)混凝土的部位為拱肋上下弦管、吊桿處平聯(lián)管、1#、2#拱肋節(jié)段腹桿及平聯(lián)管、1#、2#拱肋節(jié)段橫撐弦管、拱腳鉸、合龍?zhí)帣M聯(lián)管、立柱橫梁處鋼管、肋間橫梁處弦管。

2 管內(nèi)灌注混凝土施工方案設(shè)計

2.1 配合比設(shè)計

鋼管混凝土灌注是全橋施工的一道關(guān)鍵工序。因此，高性能混凝土自收縮及塑性收縮率低、彈性模量高、干縮性能好是保證鋼管混凝土灌注質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過C70高性能混凝土配合比設(shè)計與試驗得知目標(biāo)混凝土能夠產(chǎn)生微膨脹，可采用泵送施工和自密實工藝施工，且混凝土強度等級達(dá)到C70級。C70高性能自密實混凝土配合比見表1。

經(jīng)室內(nèi)試驗得到的C70管內(nèi)混凝土變形性能結(jié)果表明（下頁圖1）：普通混凝土在試驗進(jìn)行第28 d后收縮曲線逐漸平緩，截至60 d時，混凝土自收縮為248 με；無收縮混凝土在試驗進(jìn)行第3 d時膨脹變形為190 με，28 d時補償收縮后混凝土有113 με膨脹變形，56 d時混凝土仍有90 με膨脹變形，滿足設(shè)計要求。

2.2 灌注順序

拱肋C70自密實高性能混凝土灌注采用真空輔助灌注工藝，灌注順序為在安裝完1#節(jié)段后灌注拱腳鉸處管內(nèi)混凝土，在拱肋合龍后灌注主弦管管內(nèi)混凝土，最后從下往上依次灌注剩余部位的管內(nèi)混凝土。具體灌注順序如圖2所示：上游內(nèi)側(cè)下弦管（1號管）→下游內(nèi)側(cè)下弦管（2號管）→下游內(nèi)側(cè)上弦管（3號管）→上游內(nèi)側(cè)上弦管（4號管）→上游外側(cè)下弦管（5號管）→下游外側(cè)下弦管（6號管）→下游外側(cè)上弦管（7號管）→上游外側(cè)上弦管（8號管）。管內(nèi)混凝土以泵壓法分四級自拱腳向拱頂灌注，第一級位于拱腳處；第二級位于1/8跨徑處；第三級位于1/4跨徑處；第四級位于3/8跨徑處。灌注過程中分5段位置進(jìn)行調(diào)載。

2.3 灌注施工工藝

2.3.1 沖洗鋼管內(nèi)壁（圖3）

（1）沿拱肋上弦布置的抽水管，輸水至拱頂設(shè)備平臺蓄水箱。

（2）拱頂安裝高揚程抽水，蓄水桶中安裝水泵，出水口通過水管與拱頂出漿管的B/C對接。

（3）關(guān)閉止回閥A/B/C/D及排漿B/D，開啟排水孔A/C，抽水從出漿管B/C注入主弦管內(nèi)部，沖洗鋼管內(nèi)壁，水流攜帶鐵銹及其他雜物將從拱腳的排渣孔排出，直至排渣孔處的水流清澈無雜物，停止抽水關(guān)閉排A/C。

2.3.2 泵送水泥砂漿潤管（圖4）

（1）斷開泵管A與止回閥A的連接，泵機A泵送同等標(biāo)號水泥砂漿，潤滑管壁，以減小混凝土泵送阻力。

（2）泵出砂漿泄入導(dǎo)排漏斗中，排出拱肋外，避免污染拱肋漆面。若拱肋被污染則用高壓水槍沖洗干凈。

（3）砂漿泵完后，連接泵管與閥門，準(zhǔn)備一級泵送。

（4）焊接封閉排A孔，真空系統(tǒng)連接出漿管C，出漿管B連接抽氣孔，關(guān)閉1級以上的閥門。

2.3.3 泵送第1級混凝土（圖5）

（1）C70高性能混凝土待料≥0.5 h，混凝土充分熟化，排出大氣泡。

（2）啟動泵機A，泵送一級管內(nèi)混凝土，待混凝土從底部的出漿管A排出時，從出A孔插入高頻振搗棒，進(jìn)行振搗、排氣，待有混凝土連續(xù)冒出管口時，封閉出A孔。

（3）待混凝土邊界超出一級進(jìn)漿口3 m高度時，啟動真空系統(tǒng)，暫停泵機，真空度達(dá)到要求后，繼續(xù)泵送一級管內(nèi)混凝土。

泵送過程中維持管內(nèi)真空度在-0.08～-0.06 MPa。

2.3.4 第1級泵送排浮漿（圖6）

（1）泵送過程中，記錄混凝土界面高度。

（2）混凝土界面高度超過排漿管B，放慢泵送速度，關(guān)閉真空系統(tǒng)，打開排氣閥D和排氣閥C卸壓。

（3）待管內(nèi)負(fù)壓卸載后，開啟排漿管B，排出第1級泵送混凝土的浮漿。

（4）排漿管B管口設(shè)置導(dǎo)流漏斗，避免水泥漿污染拱肋漆面，若拱肋被污染則用高壓水槍沖洗干凈。

（5）管口排出合格混凝土后，先后關(guān)閉止回閥A和排漿孔B。

2.3.5 泵送第2級混凝土（圖7）

（1）泵機B泵送同等標(biāo)號水泥砂漿，潤滑管壁，以減小混凝土泵送阻力。

（2）潤管后，開啟止回閥B，泵入混凝土。

（3）待管內(nèi)混凝土界面超過泵管出口3 m時，放緩泵送速度。

（4）關(guān)閉排氣閥，啟動真空系統(tǒng)，將管道內(nèi)壓力控制在-0.08～-0.06 MPa，恢復(fù)正常的泵送速度。

（5）安裝第3級泵管。

2.3.6 第2級泵送排浮漿（圖8）

（1）待混凝土灌滿出漿管B，并通過管道流入下一級時，先放慢泵送速度，再關(guān)閉真空系統(tǒng)，打開排氣閥C/D壓管內(nèi)負(fù)壓。

（2）管內(nèi)壓力卸壓后，開啟出漿管的排氣閥以及法蘭蓋，使混凝土漿液從出口B冒出，拆除連接的橡膠管；導(dǎo)流漏斗承接冒出的混凝土，避免污染拱肋。若有污染采用高壓水沖洗。

（3）開啟排漿管C，排出灌注第三級管內(nèi)的漿液，管口B冒漿合格后，停止泵送，關(guān)閉泵機B。

（4）開啟排氣閥A，排出空氣，當(dāng)氣管冒出濃漿后，關(guān)閉，完成泵送。

2.3.7 泵送第3級混凝土（圖9）

（1）按相同的程序完成第3級的管壁潤管工作。

（2）潤管后，泵機A泵入混凝土，待混凝土界面超過出漿口3 m以上時，放緩泵送速度，關(guān)閉排氣管C/D，啟動真空系統(tǒng)。

（3）待管內(nèi)壓力為-0.08～-0.06 MPa時，恢復(fù)正常的泵送速度。

（4）安裝第4級的泵管。

2.3.8 第3級泵送排浮漿（圖10）

（1）待界面高度超過排漿管D時，放緩泵送速度，關(guān)閉真空系統(tǒng)，先后開啟排氣閥D、排氣閥C進(jìn)行卸壓。

（2）待管內(nèi)負(fù)壓卸載后，開啟排氣閥D，排出浮漿。

（3）排漿時，管口設(shè)置導(dǎo)流漏斗，避免水泥漿污染拱肋油漆，發(fā)現(xiàn)污染時采用高壓水沖洗。

（4）管口排出合格混凝土后，先后關(guān)閉止回閥A和排漿孔B。

（5）關(guān)閉泵機A、止回閥C，完成第三級泵送。

2.3.9 泵送第4級混凝土（圖11）

（1）啟動泵機B，按相同的程序完成第4級的管壁潤管工作。

（2）潤管結(jié)束后，打開止回閥D，泵入混凝土。

（3）待混凝土界面超過泵管出口3 m時，放慢泵送速度。

（4）關(guān)閉排氣閥，啟動真空系統(tǒng)，將管道壓力抽至-0.08～-0.06 MPa，恢復(fù)正常的泵送速度，同時記錄混凝土界面高度。

2.3.10 第4級泵送排浮漿（圖12）

（1）從觀察窗查看混凝土是否流入出漿管C，放緩泵送速度，關(guān)閉真空系統(tǒng)，開啟排氣閥D進(jìn)行卸壓。

（2）管內(nèi)壓力卸壓后，開啟排氣閥A，使混凝土漿液從出漿管C冒出，拆除連接的橡膠管，導(dǎo)流漏斗承接冒出的混凝土，避免污染拱肋漆面，發(fā)現(xiàn)污染采用高壓水沖洗。

（3）待出漿管C冒出合格混凝土后，停止泵送混凝土，關(guān)閉止回閥D，完成泵送。

（4）同時，清理儲漿桶中的混凝土。

2.3.11 排氣、補漿（圖13）

（1）觀察出漿管C中的混凝土有無明顯下降，當(dāng)下降超過出漿管一半高度時，利用工作索吊運混凝土進(jìn)行補漿。

（2）從拱腳至拱頂方向，將排氣區(qū)域內(nèi)的排氣管逐一打開。

（3）每次僅限打開一根排氣管；當(dāng)無氣體冒出或冒出濃漿時，關(guān)閉閥門，再打開下一根氣管排氣。

（4）排氣過程中，若出漿管C中的混凝土截面下降，及時補漿。

（5）若排氣管中排出的漿液污染拱肋漆面，采用高壓水將其沖洗干凈。

2.3.12 灌注剩余拱肋

（1）待前一主弦管齡期達(dá)到5 d后，進(jìn)行下一根主弦管混凝土的灌注。

（2）灌注順序嚴(yán)格遵照圖示順序，不得變更。

（3）主弦管混凝土灌注完畢后，對剩余鋼管進(jìn)行混凝土灌注施工。

3 灌注施工過程控制技術(shù)

3.1 管內(nèi)混凝土灌注標(biāo)高監(jiān)控

施工過程中混凝土已達(dá)到標(biāo)高的監(jiān)控，以控制兩岸的對稱加載。

利用拱肋各構(gòu)件的對稱性，采用錘敲擊鋼管，判斷管內(nèi)混凝土位置，判斷兩岸混凝土的對稱性。

當(dāng)管內(nèi)混凝土對稱灌注進(jìn)度差超過20 t混凝土重時，調(diào)整進(jìn)度較快側(cè)的混凝土灌注速度或暫停泵送混凝土。

3.2 拱肋軸線偏位及拱肋標(biāo)高測量

拱肋軸線偏位測量通過GPS高精度全站儀與測量機器人自動目標(biāo)識別、照準(zhǔn)、測角與測距、目標(biāo)跟蹤、自動記錄。

3.3 拱肋應(yīng)力觀測

對拱腳、1/8、1/4、3/8、拱頂截面的上、下弦桿進(jìn)行應(yīng)力測試。采用振弦式表面應(yīng)變計進(jìn)行測試，應(yīng)排除環(huán)境溫度對應(yīng)變計影響，讀取應(yīng)變增量。

由于兩幅拱肋上、下游和兩岸對稱布置，故在北岸右幅拱肋上布置5個應(yīng)力測試截面，各測試截面上分別布置4個傳感器，共20個測點。

3.4 扣索調(diào)載

平南三橋鋼管拱肋單側(cè)半跨拱肋劃分11節(jié)段，全橋共劃分為44個吊裝節(jié)段，單根拱肋簡化為9個兩岸連續(xù)且對稱施工工況，全橋共計72個施工工況。模擬計算分2個方案進(jìn)行，分別為不考慮過程調(diào)載和考慮過程調(diào)載。

4 結(jié)語

本文結(jié)合平南三橋鋼管拱肋混凝土灌注施工實例，研究了C70高性能自密實混凝土配合比設(shè)計及四級泵送和真空輔助泵送施工控制技術(shù)，得出如下結(jié)論：

（1）C70高性能自密實混凝土配合比為，水泥∶粉煤灰∶微珠∶硅粉∶膨脹劑∶砂∶礫石∶水∶外加劑=387∶90∶30∶24∶59∶736∶1 017∶157∶12.98，該配合比可滿足泵送施工和自密實工藝施工要求。

（2）四級泵送施工工藝主要包括混凝土泵送和排浮漿，可有效控制管內(nèi)混凝土的密實度及避免拱肋污染。

（3）通過管內(nèi)混凝土灌注標(biāo)高監(jiān)控、拱肋軸線偏位、拱肋標(biāo)高測量、拱肋應(yīng)力觀測及扣索調(diào)載實現(xiàn)大跨徑拱橋管內(nèi)混凝土的質(zhì)量控制，有效地控制了混凝土灌注后拱肋結(jié)構(gòu)的位移、線形及應(yīng)力，保障了結(jié)構(gòu)安全。

參考文獻(xiàn)

［1］陳寶春.鋼管混凝土拱橋（第三版）［M］.北京：人民交通出版社，2016.

［2］羅業(yè)鳳，王建軍，陳光輝.合江長江一橋拱肋鋼管混凝土灌注施工［J］.中外公路，2013，33（3）：158-160.

［3］郝聶冰，顧安邦.500 m級鋼管混凝土拱橋施工控制［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2015，50（4）：635-640.

［4］張科乾.鋼管混凝土拱橋混凝土灌注施工受力研究及施工控制［J］.中國市政工程，2020（5）：92-94，97，120-121.

收稿日期：2022-12-10