鋼管混凝土頂升澆筑施工技術(shù)

余勇軍

摘 要：矩形斷面鋼管混凝土采用分段、對(duì)稱頂升灌注方法施工，降低了下部管壁承受的灌注壓力，防止了爆管并有效地控制了鋼管變形，為類似工程施工提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：混凝土 分段 頂升 灌注

中圖分類號(hào)：TU755.69 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）09（a）-0057-02

1 工程概況

綜合試驗(yàn)水池工程上部為大跨度拱形鋼結(jié)構(gòu)，拱形鋼結(jié)構(gòu)由10榀矩形斷面的弧形鋼管拱、直徑800 mm鋼管撐件、各種規(guī)格的縱向聯(lián)系梁及弧形鋼板組成。弧形鋼管拱拱肋凈跨為61.48 m，拱軸線為圓弧，半徑為31.78 m。拱頂高程31.78 m，拱腳高程4.5 m。弧形鋼管內(nèi)斷面為940 mm×1940 mm，管壁厚30 mm。管內(nèi)滿布φ19，長(zhǎng)100 mm，間距300 mm栓釘。鋼管內(nèi)灌注C50微膨脹砼，每榀鋼管拱灌注混凝土約 159.4 m3。

弧形鋼管混凝土采用泵送頂升法施工。

2 弧形鋼管拱混凝土頂升施工

2.1 施工方法

鋼管拱混凝土采用泵送頂升法施工，頂升施工從鋼管拱兩端對(duì)稱進(jìn)行頂升混凝土。由于鋼管拱為矩形截面，為防止混凝土頂升過(guò)程中，對(duì)拱璧的側(cè)壓力過(guò)大，導(dǎo)致拱璧鋼板變形過(guò)大，每榀鋼管拱混凝土分三次頂升施工完成。第二次、第三次混凝土頂升施工分別在前一次頂升的混凝土達(dá)到50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行。每次頂升高度按以下高程劃分。

（1）高程4.5m～高程8.0m：為鋼管拱埋入混凝土拱腳墩部分，混凝土采用機(jī)械振搗密實(shí)的澆筑方法施工。

（2）第一次混凝土頂升澆筑：高程8.0 m ～高程15.90 m。

（3）第二次混凝土頂升澆筑：高程15.90 m ～高程23.80 m。

（4）第三次混凝土頂升澆筑：高程23.80 m ～高程31.74 m。

在每次頂升分界面處（即高程15.90 m、高程23.80 m處）埋設(shè)型鋼，補(bǔ)強(qiáng)混凝土薄弱面的強(qiáng)度，以使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

施工過(guò)程中，分別在高程8.5 m、高程15.9 m、高程23.8 m各開(kāi)兩個(gè)混凝土壓注孔（鋼管拱兩邊各一個(gè)，對(duì)稱布置），在拱頂開(kāi)溢漿孔（卸壓孔）。將混凝土沿鋼管拱從下往上分三次頂升完成，每次頂升施工保證混凝土的連續(xù)和均勻。

2.2 混凝土配合比要求

本工程混凝土泵送高度達(dá)24 m左右、距離長(zhǎng)30 m左右，且鋼管內(nèi)滿布栓釘，造成混凝土泵送阻力較大，對(duì)混凝土得和易性、可泵性也提出了更高的要求。

混凝土要求達(dá)到以下指標(biāo)。

（1）混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C50。

（2）混凝土具有良好的可泵性，即坍落度大，和易性好、不泌水、不離析、自密實(shí)性好。

（3）混凝土具有補(bǔ)償收縮性。

（4）混凝土初凝時(shí)間必須滿足每次頂升完畢后，管道內(nèi)的混凝土仍具有足夠的和易性，混凝土初凝時(shí)間大于8 h，終凝時(shí)間大于10 h。坍落度控制在16～20 cm，擴(kuò)展度大于55 cm。

⑤膠凝材料最少用量（水泥、膨脹劑和摻合料的總量）大于300 kg/m3。

2.3 頂升壓力計(jì)算及混凝土泵選擇

（1）頂升壓力計(jì)算。

本工程混凝土頂升施工分上中下3排壓注孔進(jìn)行，但選擇混凝土泵時(shí)，頂升壓力仍按照混凝土頂升高度為24m的工況進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)流體力學(xué)能量方程知：

ΔP=γh+∑p

式中：ΔP為頂升所需的壓強(qiáng)；

γh為混凝土自重產(chǎn)生的壓強(qiáng)；

∑p為各種壓力損失總和。

γh=2500×9.807×24

≈0.59 MPa

∑p按以下幾個(gè)方面進(jìn)行計(jì)算。

①混凝土在鋼管內(nèi)上頂升時(shí)阻力約 0.5 MPa。

②混凝土水平輸送長(zhǎng)約80 m（包括鋼管拱內(nèi)的水平距離），每20 m壓力損失為0.1 MPa，共0.4 MPa。

③每個(gè)900彎頭壓力損失0.1 MPa，3個(gè)彎頭共損失0.3 MPa。

④水平加勁板每塊壓力損失0.1 MPa，4塊共0.4 MPa。

⑤逆止閥壓力損失0.8 MPa。

⑥附屬于泵車(chē)的壓力損失為3.0 MPa；

則：∑p=5.4 MPa。

ΔP=5.99 MPa。

考慮施工過(guò)程中不可預(yù)見(jiàn)壓力，在計(jì)算壓力基礎(chǔ)上取1.2的安全系數(shù)，則頂升壓力：

P總=1.2ΔP=7.2 MPa。

⑵混凝土泵的選擇。

輸送泵的額定壓力須大于頂升壓力。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。輸送泵的額定揚(yáng)程應(yīng)大于1.5倍的灌注頂面高度。

綜合以上因素選擇HBTS60-13-90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60 m3，出口處最大壓力為13 MPa。

2.4 鋼管拱混凝土頂升施工工藝

（1）頂升順序及要求。

每次頂升時(shí)采取兩邊對(duì)稱頂升的方法施工，從下向上頂升，使鋼管拱對(duì)稱受力。每根鋼管拱采用兩臺(tái)泵車(chē)同時(shí)對(duì)稱泵送，每次頂升施工混凝土連續(xù)灌注，兩邊灌注進(jìn)度差小于1 m。每次頂升結(jié)束時(shí)鋼管內(nèi)的混凝土均不得初凝，必須停歇時(shí)，最終灌注完成時(shí)間不得超過(guò)第一盤(pán)入管混凝土的初凝時(shí)間。

（2）頂升施工流程。

混凝土頂升施工流程詳見(jiàn)圖1。

1）溢漿管、排氣孔、壓注孔、進(jìn)料短管與逆止閥及出渣孔設(shè)置。

①溢漿管并兼作頂排氣管：在鋼管拱頂處布置2個(gè)φ125 mm的孔（間距500 mm），外焊φ168 mm鋼管（長(zhǎng)120 cm），鋼管豎直向上。endprint

②排氣孔：為減小混凝土在鋼管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的空氣阻力，防止爆管現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)在施工時(shí)觀察管內(nèi)混凝土頂升情況，在拱背上沿鋼管徑向設(shè)排氣孔。當(dāng)排氣孔冒混凝土?xí)r，應(yīng)用螺栓封堵。

③壓注孔：根據(jù)三次頂升及對(duì)稱頂升施工的需要，鋼管共設(shè)6個(gè)壓注孔。分別設(shè)在拱腳鋼管外側(cè)面高程8.5 m、高程15.9 m及高程23.8 m處。

④進(jìn)料短管與逆止閥：采用內(nèi)徑為φ125 mm的鋼管，管壁厚度不小于6 mm。進(jìn)料短管設(shè)一個(gè)1350的彎頭，短管出口朝上，利于混凝土頂升。短管設(shè)閘板式止流裝置。

⑤出渣孔：設(shè)在兩個(gè)拱腳鋼管外側(cè)面，高程8.3 m處。

頂升灌注施工布置見(jiàn)圖2。

2）清除管內(nèi)污物及濕潤(rùn)內(nèi)壁。

清洗鋼管，打開(kāi)拱腳處的排渣閘閥，讓管內(nèi)水及渣物流出，沉積在管底的渣物用勺子掏出。

（3）混凝土頂升步驟。

①鋼管拱腳壓注孔以下部分鋼管混凝土采用人工灌注，為保證此部分混凝土密實(shí)，采用插入式振搗棒插入鋼管振搗。

②頂升前灌注水泥砂漿濕潤(rùn)管壁。

③第一次混凝土頂升從兩邊鋼拱底腳壓注孔（高程8.5 m）泵送壓注混凝土。待混凝土頂升至第二個(gè)壓注孔高度（高程15.9 m）時(shí)，關(guān)閉逆止閥，再停止泵送。待混凝土達(dá)到50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后安裝第二個(gè)壓注孔的短管、逆止閥及泵管，將泵與第二個(gè)壓注孔（高程15.9 m）的輸送管連接，進(jìn)行第二次頂升混凝土施工。待混凝土頂升至第3個(gè)壓注孔高度（高程23.8 m）時(shí)，關(guān)閉逆止閥，停止泵送。待混凝土達(dá)到50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后安裝第三個(gè)壓注孔的短管、逆止閥及泵管，將泵與第三個(gè)壓注孔（高程23.8 m）的輸送管連接，進(jìn)行第三次頂升混凝土施工，直至整根鋼管拱砼頂升施工完成。

每次頂升施工從鋼管拱兩邊的壓注孔同時(shí)、對(duì)稱進(jìn)行，保持鋼管拱對(duì)稱受力。頂升過(guò)程中，兩個(gè)泵車(chē)操作人員各配備一臺(tái)對(duì)講機(jī)，泵送速度由兩個(gè)操作人員控制，盡最大努力做到兩邊同時(shí)、同步頂升混凝土。安排質(zhì)量檢查人員通過(guò)排氣孔觀察及小鐵錘敲擊鋼管壁，檢查混凝土上升位置，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)砼澆筑過(guò)程中是否產(chǎn)生空洞。

④第一次頂升施工利用第二個(gè)壓注孔作為溢漿孔，第二次頂升施工利用第三個(gè)壓注孔作為溢漿孔。第三次頂升施工使用拱頂?shù)囊鐫{管。每次頂升施工時(shí)，溢漿孔（管）內(nèi)流出的混凝土濃度與泵送混凝土濃度相同時(shí)暫停灌注，等待5～10 min，進(jìn)行排氣，然后用振搗棒從溢漿孔插入振搗；再進(jìn)行第二次灌注，待溢漿孔（管）內(nèi)流出混凝土兩分鐘后停止灌注。

⑤每次灌注完成后，關(guān)閉逆止閥，防止混凝土外溢，再拆除、清洗泵管。

⑥鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到50%后，封閉排氣孔。

⑦泵送暫停時(shí)，為防止砼假凝引起堵塞管，每隔2～3 min應(yīng)抽動(dòng)一下泵的活塞。

2.5 凝土質(zhì)量檢測(cè)方法及補(bǔ)強(qiáng)

混凝土頂升完畢以后，達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行管內(nèi)砼密實(shí)度的全面敲擊檢查，聲音沉而啞者，表明混凝土充填飽滿。對(duì)有異常段進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)，當(dāng)鋼管拱肋混凝土與拱壁剝離有間隙時(shí)，采用鉆孔壓入水泥漿的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，然后將鉆孔處用電焊補(bǔ)焊封固。

3 結(jié)語(yǔ)

本工程矩形斷面的弧形鋼拱混凝土采用分段、對(duì)稱頂升灌注施工方法，鋼管斷面變形及形體變形都控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，順利地完成了混凝土灌注施工。endprint

②排氣孔：為減小混凝土在鋼管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的空氣阻力，防止爆管現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)在施工時(shí)觀察管內(nèi)混凝土頂升情況，在拱背上沿鋼管徑向設(shè)排氣孔。當(dāng)排氣孔冒混凝土?xí)r，應(yīng)用螺栓封堵。

③壓注孔：根據(jù)三次頂升及對(duì)稱頂升施工的需要，鋼管共設(shè)6個(gè)壓注孔。分別設(shè)在拱腳鋼管外側(cè)面高程8.5 m、高程15.9 m及高程23.8 m處。

④進(jìn)料短管與逆止閥：采用內(nèi)徑為φ125 mm的鋼管，管壁厚度不小于6 mm。進(jìn)料短管設(shè)一個(gè)1350的彎頭，短管出口朝上，利于混凝土頂升。短管設(shè)閘板式止流裝置。

⑤出渣孔：設(shè)在兩個(gè)拱腳鋼管外側(cè)面，高程8.3 m處。

頂升灌注施工布置見(jiàn)圖2。

2）清除管內(nèi)污物及濕潤(rùn)內(nèi)壁。

清洗鋼管，打開(kāi)拱腳處的排渣閘閥，讓管內(nèi)水及渣物流出，沉積在管底的渣物用勺子掏出。

（3）混凝土頂升步驟。

①鋼管拱腳壓注孔以下部分鋼管混凝土采用人工灌注，為保證此部分混凝土密實(shí)，采用插入式振搗棒插入鋼管振搗。

②頂升前灌注水泥砂漿濕潤(rùn)管壁。

③第一次混凝土頂升從兩邊鋼拱底腳壓注孔（高程8.5 m）泵送壓注混凝土。待混凝土頂升至第二個(gè)壓注孔高度（高程15.9 m）時(shí)，關(guān)閉逆止閥，再停止泵送。待混凝土達(dá)到50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后安裝第二個(gè)壓注孔的短管、逆止閥及泵管，將泵與第二個(gè)壓注孔（高程15.9 m）的輸送管連接，進(jìn)行第二次頂升混凝土施工。待混凝土頂升至第3個(gè)壓注孔高度（高程23.8 m）時(shí)，關(guān)閉逆止閥，停止泵送。待混凝土達(dá)到50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后安裝第三個(gè)壓注孔的短管、逆止閥及泵管，將泵與第三個(gè)壓注孔（高程23.8 m）的輸送管連接，進(jìn)行第三次頂升混凝土施工，直至整根鋼管拱砼頂升施工完成。

每次頂升施工從鋼管拱兩邊的壓注孔同時(shí)、對(duì)稱進(jìn)行，保持鋼管拱對(duì)稱受力。頂升過(guò)程中，兩個(gè)泵車(chē)操作人員各配備一臺(tái)對(duì)講機(jī)，泵送速度由兩個(gè)操作人員控制，盡最大努力做到兩邊同時(shí)、同步頂升混凝土。安排質(zhì)量檢查人員通過(guò)排氣孔觀察及小鐵錘敲擊鋼管壁，檢查混凝土上升位置，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)砼澆筑過(guò)程中是否產(chǎn)生空洞。

④第一次頂升施工利用第二個(gè)壓注孔作為溢漿孔，第二次頂升施工利用第三個(gè)壓注孔作為溢漿孔。第三次頂升施工使用拱頂?shù)囊鐫{管。每次頂升施工時(shí)，溢漿孔（管）內(nèi)流出的混凝土濃度與泵送混凝土濃度相同時(shí)暫停灌注，等待5～10 min，進(jìn)行排氣，然后用振搗棒從溢漿孔插入振搗；再進(jìn)行第二次灌注，待溢漿孔（管）內(nèi)流出混凝土兩分鐘后停止灌注。

⑤每次灌注完成后，關(guān)閉逆止閥，防止混凝土外溢，再拆除、清洗泵管。

⑥鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到50%后，封閉排氣孔。

⑦泵送暫停時(shí)，為防止砼假凝引起堵塞管，每隔2～3 min應(yīng)抽動(dòng)一下泵的活塞。

2.5 凝土質(zhì)量檢測(cè)方法及補(bǔ)強(qiáng)

混凝土頂升完畢以后，達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行管內(nèi)砼密實(shí)度的全面敲擊檢查，聲音沉而啞者，表明混凝土充填飽滿。對(duì)有異常段進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)，當(dāng)鋼管拱肋混凝土與拱壁剝離有間隙時(shí)，采用鉆孔壓入水泥漿的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，然后將鉆孔處用電焊補(bǔ)焊封固。

3 結(jié)語(yǔ)

本工程矩形斷面的弧形鋼拱混凝土采用分段、對(duì)稱頂升灌注施工方法，鋼管斷面變形及形體變形都控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，順利地完成了混凝土灌注施工。endprint

②排氣孔：為減小混凝土在鋼管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的空氣阻力，防止爆管現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)在施工時(shí)觀察管內(nèi)混凝土頂升情況，在拱背上沿鋼管徑向設(shè)排氣孔。當(dāng)排氣孔冒混凝土?xí)r，應(yīng)用螺栓封堵。

③壓注孔：根據(jù)三次頂升及對(duì)稱頂升施工的需要，鋼管共設(shè)6個(gè)壓注孔。分別設(shè)在拱腳鋼管外側(cè)面高程8.5 m、高程15.9 m及高程23.8 m處。

④進(jìn)料短管與逆止閥：采用內(nèi)徑為φ125 mm的鋼管，管壁厚度不小于6 mm。進(jìn)料短管設(shè)一個(gè)1350的彎頭，短管出口朝上，利于混凝土頂升。短管設(shè)閘板式止流裝置。

⑤出渣孔：設(shè)在兩個(gè)拱腳鋼管外側(cè)面，高程8.3 m處。

頂升灌注施工布置見(jiàn)圖2。

2）清除管內(nèi)污物及濕潤(rùn)內(nèi)壁。

清洗鋼管，打開(kāi)拱腳處的排渣閘閥，讓管內(nèi)水及渣物流出，沉積在管底的渣物用勺子掏出。

（3）混凝土頂升步驟。

①鋼管拱腳壓注孔以下部分鋼管混凝土采用人工灌注，為保證此部分混凝土密實(shí)，采用插入式振搗棒插入鋼管振搗。

②頂升前灌注水泥砂漿濕潤(rùn)管壁。

③第一次混凝土頂升從兩邊鋼拱底腳壓注孔（高程8.5 m）泵送壓注混凝土。待混凝土頂升至第二個(gè)壓注孔高度（高程15.9 m）時(shí)，關(guān)閉逆止閥，再停止泵送。待混凝土達(dá)到50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后安裝第二個(gè)壓注孔的短管、逆止閥及泵管，將泵與第二個(gè)壓注孔（高程15.9 m）的輸送管連接，進(jìn)行第二次頂升混凝土施工。待混凝土頂升至第3個(gè)壓注孔高度（高程23.8 m）時(shí)，關(guān)閉逆止閥，停止泵送。待混凝土達(dá)到50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后安裝第三個(gè)壓注孔的短管、逆止閥及泵管，將泵與第三個(gè)壓注孔（高程23.8 m）的輸送管連接，進(jìn)行第三次頂升混凝土施工，直至整根鋼管拱砼頂升施工完成。

每次頂升施工從鋼管拱兩邊的壓注孔同時(shí)、對(duì)稱進(jìn)行，保持鋼管拱對(duì)稱受力。頂升過(guò)程中，兩個(gè)泵車(chē)操作人員各配備一臺(tái)對(duì)講機(jī)，泵送速度由兩個(gè)操作人員控制，盡最大努力做到兩邊同時(shí)、同步頂升混凝土。安排質(zhì)量檢查人員通過(guò)排氣孔觀察及小鐵錘敲擊鋼管壁，檢查混凝土上升位置，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)砼澆筑過(guò)程中是否產(chǎn)生空洞。

④第一次頂升施工利用第二個(gè)壓注孔作為溢漿孔，第二次頂升施工利用第三個(gè)壓注孔作為溢漿孔。第三次頂升施工使用拱頂?shù)囊鐫{管。每次頂升施工時(shí)，溢漿孔（管）內(nèi)流出的混凝土濃度與泵送混凝土濃度相同時(shí)暫停灌注，等待5～10 min，進(jìn)行排氣，然后用振搗棒從溢漿孔插入振搗；再進(jìn)行第二次灌注，待溢漿孔（管）內(nèi)流出混凝土兩分鐘后停止灌注。

⑤每次灌注完成后，關(guān)閉逆止閥，防止混凝土外溢，再拆除、清洗泵管。

⑥鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到50%后，封閉排氣孔。

⑦泵送暫停時(shí)，為防止砼假凝引起堵塞管，每隔2～3 min應(yīng)抽動(dòng)一下泵的活塞。

2.5 凝土質(zhì)量檢測(cè)方法及補(bǔ)強(qiáng)

混凝土頂升完畢以后，達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行管內(nèi)砼密實(shí)度的全面敲擊檢查，聲音沉而啞者，表明混凝土充填飽滿。對(duì)有異常段進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)，當(dāng)鋼管拱肋混凝土與拱壁剝離有間隙時(shí)，采用鉆孔壓入水泥漿的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，然后將鉆孔處用電焊補(bǔ)焊封固。

3 結(jié)語(yǔ)

本工程矩形斷面的弧形鋼拱混凝土采用分段、對(duì)稱頂升灌注施工方法，鋼管斷面變形及形體變形都控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，順利地完成了混凝土灌注施工。endprint