工廠法沉管預(yù)制混凝土泵送施工技術(shù)

李陽(yáng)，楊紅

（中交二航局第二工程有限公司，重慶 401120）

工廠法沉管預(yù)制混凝土泵送施工技術(shù)

李陽(yáng)，楊紅

（中交二航局第二工程有限公司，重慶 401120）

為滿足港珠澳大橋島隧工程沉管預(yù)制混凝土澆筑工藝要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，經(jīng)方案比選，選擇了多布料機(jī)、空間立體組合式布料工藝，合理進(jìn)行了布料機(jī)、拖泵等設(shè)備的選型配置，并采取了有針對(duì)性的潤(rùn)管清洗方法。從2012年沉管預(yù)制正式生產(chǎn)以來(lái)，該套工藝、設(shè)備順利完成了沉管預(yù)制混凝土澆筑任務(wù)，為港珠澳大橋隧道施工奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，由于該套工藝、設(shè)備具有針對(duì)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、高效方便等特點(diǎn)，可為高強(qiáng)度、大體積、空間結(jié)構(gòu)的海工混凝土澆筑提供借鑒。

工廠法；沉管預(yù)制；布料機(jī)；拖泵；泵送

1 工程概況

港珠澳大橋島隧工程海底沉管隧道總長(zhǎng)度為5 664 m，由33個(gè)管節(jié)組成。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)由8個(gè)管段組成，管段尺寸為長(zhǎng)22.5 m、寬37.95 m、高11.4m，混凝土方量約3 330m3。

沉管管節(jié)采用工廠法預(yù)制，工廠內(nèi)設(shè)置有2條生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線在澆筑區(qū)各配置一套液壓模板，單個(gè)管段完成鋼筋綁扎及模板安裝后在澆筑區(qū)內(nèi)一次性澆筑成形。為滿足沉管預(yù)制混凝土澆筑工藝以及質(zhì)量控制要求，經(jīng)調(diào)研對(duì)比后決定采用多布料機(jī)、空間立體組合式布料工藝。

2 沉管預(yù)制混凝土的工藝要求

2.1 工藝要求

管段混凝土澆筑采用水平分層、連續(xù)進(jìn)行、由一端向另一端循序漸進(jìn)的方法施工。管段截面全斷面共分5部分進(jìn)行澆筑，1、2、3區(qū)同時(shí)澆筑，澆筑分區(qū)見(jiàn)圖1?？倽仓r(shí)間控制30 h左右，分塊澆筑時(shí)間及強(qiáng)度見(jiàn)表1。

2.2 空間限制

混凝土泵送工藝須充分考慮外界條件對(duì)泵送設(shè)備的空間要求，主要是：

1）因混凝土攪拌站、預(yù)制廠廠房、模板反力墻及周圍主要建筑物和道路均已固定，不可變動(dòng)，泵送系統(tǒng)布局受到諸多限制，將布料機(jī)安裝在反力墻（厄勒海峽沉管隧道）的方案難以實(shí)現(xiàn)。

圖1 管段澆筑斷面分區(qū)圖Fig.1 Pipe pouring section partition

表1 混凝土澆筑分區(qū)工效表Table 1 Concrete pouring ergonom ics table partitioning

2）廠房頂部主梁最低處標(biāo)高+24.9 m，修整區(qū)地面標(biāo)高+3.5m，單個(gè)管段22.5 m長(zhǎng)，布料機(jī)的選型必須既符合在上述標(biāo)高限制下全伸展功能，又滿足管段頂板全覆蓋的要求，同時(shí)布料機(jī)選型配置還須考慮互為備用情況。

3）模板就位后，行車道內(nèi)模與底板鋼筋之間高度約2 m。布料機(jī)須滿足在此空間下實(shí)現(xiàn)管段底板混凝土澆筑要求。

4）沉管預(yù)制廠采用鋼筋籠頂推工藝，布料機(jī)、泵管的布置不能影響甚至阻礙鋼筋籠的頂推施工。

3 設(shè)備選型與布置

根據(jù)沉管預(yù)制混凝土的工藝和空間要求，經(jīng)反復(fù)研究和比選，最終決定采用多布料機(jī)、空間立體組合式布料工藝，并按要求進(jìn)行布料機(jī)、拖泵的選型配置?；炷翝仓r(shí)，在澆筑區(qū)前布置4臺(tái)行走式布料機(jī)，負(fù)責(zé)下倒角、側(cè)墻中墻及頂板布料；在左右行車道分別布置1臺(tái)固定式腔內(nèi)布料機(jī)，負(fù)責(zé)底板布料；與以上對(duì)應(yīng)配置6臺(tái)混凝土拖泵。具體澆筑分工：1區(qū)由2臺(tái)行走式布料機(jī)在中墻頂由上至下送料，2區(qū)由另2臺(tái)行走式布料機(jī)在側(cè)墻頂由上至下送料，3區(qū)分別由2臺(tái)腔內(nèi)固定式布料機(jī)布料，4區(qū)、5區(qū)由4臺(tái)行走式布料機(jī)布料。

3.1 行走式布料機(jī)

在模板修整區(qū)鋪設(shè)專用軌道，布置4臺(tái)行走式MX32-4布料機(jī)。MX32-4布料機(jī)為全液壓M形臂架，最大系統(tǒng)壓力35MPa，采用液壓油缸驅(qū)動(dòng)齒條實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)，無(wú)配重，最大布料半徑31.6m。

1）該布料機(jī)為M型臂架，臂架伸展方式類似于彈簧，第一節(jié)臂基本豎直后，即可伸展第二、三、四節(jié)臂，即第一節(jié)臂高度決定了布料機(jī)全伸展所需的空間。

2）行走機(jī)構(gòu)高1.5 m，立柱及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)高10.5m，第一節(jié)臂長(zhǎng)8.7 m，總高度20.7 m，小于廠房頂部主梁與修整區(qū)高差（21.7 m），即廠房空間滿足行走布料機(jī)臂架伸展要求。同時(shí)，第一節(jié)臂中心回轉(zhuǎn)以下高12 m，與管段頂板高度（11.4 m）基本平齊，更加便于臂架面對(duì)管段方向時(shí)的伸展，提高作業(yè)效率。

3）該布料機(jī)為無(wú)配重形式，臂架回轉(zhuǎn)時(shí)不用考慮模板、針形梁等對(duì)其的限制，更加有利于安全，同時(shí)提高布料、清洗施工的綜合效率。

4）管段混凝土澆筑時(shí)，4臺(tái)MX32-4布料機(jī)同時(shí)布置在模板修整區(qū)，即管段正前方，每臺(tái)布料機(jī)最大布料半徑31.6 m，在保證管段側(cè)墻、隔墻和頂板混凝土布料無(wú)盲區(qū)的同時(shí)，相鄰2臺(tái)布料機(jī)布料范圍還可重合，實(shí)現(xiàn)互為備用，極大提高布料可靠性。

5）在2號(hào)生產(chǎn)線拖泵布置區(qū)一側(cè)設(shè)置了行走式布料機(jī)修整區(qū)，非生產(chǎn)時(shí)段，4臺(tái)布料機(jī)駛?cè)胄拚麉^(qū)，避免對(duì)2條生產(chǎn)線其他作業(yè)的影響，見(jiàn)圖2。

3.2 腔內(nèi)固定式布料機(jī)

每個(gè)管段兩個(gè)行車道，在每個(gè)行車道內(nèi)模內(nèi)安裝了1臺(tái)倒掛式RV8布料機(jī)。該RV8布料機(jī)高度1.6m，布料半徑8 m，底板布料半徑不足之處可直接采用加長(zhǎng)泵管方式予以解決，既符合內(nèi)模與底板鋼筋空間限制，也滿足覆蓋全部底板要求。供料泵管從針型梁內(nèi)接入，采用人工手動(dòng)回轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，見(jiàn)圖2。

3.3 拖泵

3.3.1 泵送壓力損失計(jì)算

圖2 MX32-4和RV8布料機(jī)平面和立面布局圖Fig.2 Plane and elevation layout of M X32-4 and RV8 p lacing boom s

根據(jù)行走式和腔內(nèi)固定式布料機(jī)泵管配置形式，結(jié)合實(shí)際場(chǎng)地情況，確定拖泵布置方案，并經(jīng)計(jì)算完成拖泵選型。以最遠(yuǎn)泵送距離和高度的拖泵及MX32-4布料機(jī)為例進(jìn)行泵送壓力計(jì)算。

泵送壓力損失由3部分組成[3]，出口混凝土壓力P=沿程損失阻力P1+重力損失阻力P2+機(jī)械內(nèi)耗阻力P3。根據(jù)泵送混凝土沿程阻力計(jì)算公式ΔP=并結(jié)合高性能混凝土泵送施工經(jīng)驗(yàn)，含礦粉混凝土水平管道壓力損失為0.018～0.024MPa/m，按0.021MPa/m計(jì)算。

1）不同規(guī)格泵管折算成水平泵管，見(jiàn)表2。

2）垂直狀態(tài)輸送時(shí)混凝土泵管內(nèi)的阻力：

P2=ρ·H·g

式中：ρ為混凝土密度，kg/m3，計(jì)算取值2 500；H為泵送高度，m；g為重力加速度，m/s2。

表2 折算成水平管統(tǒng)計(jì)表Table2 Statistical table for converting into a horizontal tube

3）計(jì)算

P1=ΔPx·L=0.021×424=8.904MPa

P2=ρ·H·g=2 500×20.7×10=0.518MPa

P3取2.8MPa

故總的壓力損耗為P=P1+P2+P3=12.222 MPa，同理根據(jù)RV8布料機(jī)的布管情況，得出其泵管折算米數(shù)并計(jì)算其最大泵送壓力損失為8.108 MPa。

3.3.2 工效要求

1）混凝土攪拌站每盤（3 m3）投料時(shí)間30 s，攪拌時(shí)間120 s，卸料時(shí)間60 s，即每小時(shí)理論生產(chǎn)51m3，考慮0.8的效率，每臺(tái)站計(jì)算生產(chǎn)能力45.9 m3/h，4臺(tái)站共183.6m3/h。

2）混凝土罐車每趟裝載12 m3，接料時(shí)間840 s，卸料時(shí)間900 s，往返運(yùn)輸時(shí)間300 s，即每小時(shí)理論運(yùn)輸21 m3，考慮0.9的效率，每臺(tái)車計(jì)算運(yùn)輸能力18.9m3/h，10臺(tái)車共189m3/h。

3）澆筑1～3區(qū)時(shí)強(qiáng)度要求169.2 m3/h，6臺(tái)拖泵平均排量28.2 m3/h；澆筑第5區(qū)時(shí)強(qiáng)度要求142.4m3/h，4臺(tái)拖泵平均排量35.6m3/h。

綜上所述，單臺(tái)拖泵在滿足出口壓力下實(shí)際排量不小于35.6m3/h，理論排量不小于39.6 m3/h。3.3.3 拖泵選型與部署

根據(jù)泵送壓力損失和工效要求，選擇了BSA2109HPD型和BSA2109H-D型拖泵，分別對(duì)應(yīng)MX32-4布料機(jī)和RV8布料機(jī)，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。該兩款拖泵出口壓力分別為20.5 MPa和18 MPa，大于12.222 MPa和8.108 MPa的要求，且其高壓排量為57 m3/h，大于39.6 m3/h，因此滿足泵送壓力和工效要求。

表3 混凝土拖泵主要技術(shù)參數(shù)Table3 Main technicalparametersof concrete pum p

根據(jù)統(tǒng)一規(guī)劃，在預(yù)制廠房?jī)蓚?cè)設(shè)2塊拖泵布置區(qū)，各布置6臺(tái)混凝土拖泵，其中4臺(tái)BSA2109H-D型拖泵、2臺(tái)BSA2109HPD型拖泵，既滿足生產(chǎn)工藝要求，又避免生產(chǎn)線可能產(chǎn)生的相互干擾，見(jiàn)圖3。

圖3 1號(hào)、2號(hào)生產(chǎn)線拖泵區(qū)布局圖Fig.3 Layoutof concrete pum p in No.1,No.2 production line

4 潤(rùn)管和清洗方法

沉管混凝土澆筑采用了空間立體組合式布料方式，因此也配套采取了針對(duì)性的潤(rùn)管和清洗的方法。

1）MX32-4布料機(jī)及其管路潤(rùn)管：混凝土輸送前，混凝土罐車駛?cè)肽０逍拚麉^(qū)，MX32-4布料機(jī)轉(zhuǎn)向修整區(qū)，臂架尾端軟管伸入罐車料斗內(nèi)，然后拖泵開(kāi)始依次、連續(xù)泵送水泥漿、砂漿及正式混凝土，當(dāng)觀察到混凝土從軟管口出料時(shí)，該布料機(jī)及其管路潤(rùn)管完畢。

2）RV8布料機(jī)及其管路潤(rùn)管：因其固定在腔內(nèi)行車道內(nèi)模下方，應(yīng)首先設(shè)置專用排污泵管，該管道鋪設(shè)在針形梁和MX32-4布料機(jī)壓重支架上，并接入罐車接料斗。潤(rùn)管前，將RV8布料機(jī)出口端與排污管道對(duì)接，然后拖泵泵送水泥漿、砂漿和混凝土，完成潤(rùn)管，見(jiàn)圖4。

圖4 專用排污泵管和專用氣力清洗接頭應(yīng)用圖示Fig.4 App lication of the special pum p pipeand special pneumatic cleaning joint

完成潤(rùn)管后，斷開(kāi)RV8布料機(jī)和專用排污泵管的連接，RV8布料機(jī)即可開(kāi)始正常作業(yè)。而排污泵管的清洗采用了氣力清洗法。該方法配置專用的1.8 MPa空壓機(jī)和專用氣力清潔接頭，在專用接頭兩端塞入清洗球，清洗球中間區(qū)域灌清潔水后封閉。最后向?qū)Ｓ媒宇^內(nèi)輸入壓縮空氣，壓縮空氣為動(dòng)力依次推動(dòng)清洗球、清潔水和清洗球，從而將布料機(jī)和泵管內(nèi)殘余混凝土排出。此方法在正式預(yù)制生產(chǎn)前通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，操作方便，快捷干凈，滿足清洗要求，見(jiàn)圖4。

3）泵送結(jié)束后的清洗方法與其潤(rùn)管的方法相同。

5 泵送中的存在問(wèn)題及解決方法

5.1 泵管過(guò)度磨損問(wèn)題

1）MX32-4布料機(jī)的進(jìn)料泵管布置優(yōu)化

泵管從地面接入MX32-4布料機(jī)，原設(shè)計(jì)方案是兩根R275×90°彎管反向?qū)?。在?shí)際使用中，由于此處泵管彎曲半徑過(guò)小，導(dǎo)致泵管磨損過(guò)快，頻繁出現(xiàn)中途爆管情況，給泵送系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成不利影響。針對(duì)上述情況，對(duì)此處的管路進(jìn)行優(yōu)化：

①提升立柱直管高度，從而加大地面彎管到立柱直管之間的高差，以便安裝大直徑彎管。

②將原2根R275×90°彎管反向?qū)痈臑?根R500×90°彎管和1 m直管的組合形式，增大了泵管半徑，減少磨損。

通過(guò)上述改進(jìn)，R500×90°彎管使用壽命延長(zhǎng)至約3 000m3，滿足4個(gè)管段使用要求。

2）MX32-4布料機(jī)的臂架泵管優(yōu)化

MX32-4布料機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)為控制臂架載荷，其原臂架泵管采用的是普通無(wú)縫鋼管，厚4.5 mm，使用方量約3 000 m3，前期經(jīng)常出現(xiàn)在預(yù)制混凝土澆筑過(guò)程中爆管。第一、二節(jié)臂架泵管高度達(dá)到12m以上，發(fā)生爆管后，不僅耽誤生產(chǎn)，而且更換不便，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)存在問(wèn)題，經(jīng)反復(fù)比選，采用了臂架專用耐磨雙層泵管。此種泵管在管道內(nèi)鑲嵌了一層2.5mm耐磨層，將泵管使用壽命延長(zhǎng)至12 000m3以上，不僅極大提高了泵送系統(tǒng)的可靠性，而且經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5.2 泵送堵管問(wèn)題

泵送工藝在生產(chǎn)中不可避免會(huì)出現(xiàn)堵管情況。傳統(tǒng)方法是找到堵點(diǎn)后，拆除泵管，清除堵點(diǎn)廢料，再重新泵送。一旦泵管內(nèi)混凝土質(zhì)量普遍較差，就需要泵入砂漿、水泥漿洗管，重新開(kāi)盤。這種方式工作強(qiáng)度大、效率低，而且MX32-4布料機(jī)排堵屬高空作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

針對(duì)上述情況，充分利用氣力清洗法的優(yōu)勢(shì)，較大改善了泵送緊急處理方法。首先，改進(jìn)氣力管路，并入1臺(tái)16 m3高壓空壓機(jī)作為氣源，解決長(zhǎng)距離氣力清洗時(shí)的動(dòng)力問(wèn)題。在發(fā)生堵管情況時(shí)，采用氣力清洗方式，此方法方便、快捷，而且氣力清洗接頭在地面即可接入使用，盡可能減少了高空排堵的危險(xiǎn)，既提升了處理效率，又提高了安全保障。

6 結(jié)語(yǔ)

為滿足港珠澳大橋島隧工程沉管預(yù)制混凝土澆筑工藝要求，經(jīng)反復(fù)研究，選擇了多布料機(jī)、空間立體組合式布料工藝，合理進(jìn)行了設(shè)備的選型配置，并采取了針對(duì)性的輔助措施，順利完成了沉管預(yù)制混凝土澆筑任務(wù)，也為未來(lái)高強(qiáng)度、大體積、空間結(jié)構(gòu)的海工混凝土澆筑提供了良好借鑒。

[1]易秀明，楊新華，戴獻(xiàn)軍.超高層混凝土泵送技術(shù)研究與應(yīng)用[J].建筑機(jī)械，2008（2）：94-98. YIXiu-ming，YANG Xin-hua，DAIXian-jun.Concrete pumping technology study and its application for super high building[J]. Construction Machinery,2008(2):94-98.

[2]JTG/T F50—2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S]. JTG/T F50—2011，Technical specification for construction of highwaybridgeand culverts[S].

[3]三一重工混凝土基礎(chǔ)知識(shí)手冊(cè)[K].2010. Sany handbook of concrete foundation knowledge[K].2010.

表1 擠密砂樁打設(shè)記錄Table1 The record of SCP

5 結(jié)語(yǔ)

港珠澳大橋西人工島及島隧結(jié)合部擠密砂樁技術(shù)的成功應(yīng)用，充分驗(yàn)證了海上SCP施工定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)越性。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、易操作，不受天氣、海流及潮汐等外界因素干擾。利用RTK-GPS測(cè)量方式獲得實(shí)時(shí)高精度三維數(shù)據(jù)，根據(jù)幾何關(guān)系實(shí)時(shí)確定樁管的三維空間位置，實(shí)時(shí)顯示實(shí)際樁位與設(shè)計(jì)值的偏差，有效指導(dǎo)施工。外海自動(dòng)潮位儀的兼容，能夠?qū)⒊蔽恢祵?shí)時(shí)輸入到系統(tǒng)中，有效提高擠密砂樁的成樁質(zhì)量。SCP施工定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在離岸深水條件下精確實(shí)施打樁定位，為后續(xù)地基處理等高質(zhì)量施工提供良好的條件。

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Construction technique of precast concrete pum ping for factory method of immersed tube

LIYang，YANGHong
（No.2 Eng.Co.,Ltd.ofCCCCSecond Harbor Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 401120,China）

In order tomeet the requirements of the precast concrete pouring of the immersed tube of the island-tunnel project of the HZMB,combined with theactualsite conditions,after a few plan comparisons,we selectedmultiple placing booms,chose the reasonable configuration for placing booms,trailer pump and other equipments，and adopted a targeted pipe cleaning method.From 2012 on since the formal production starts,the process and the equipments have successfully completed many precast concrete pouring tasks of immersed tubes,which forms a solid foundation for the construction of island-tunnel of the HZMB.The processand the equipments reflect characteristicsof strong pertinence,stable and reliable,efficientand convenient, which can providea good reference for thehigh strength,large volume,spatialstructuremarine concrete pouring.

factorymethod;immersed tube precast;placing boom;trailer pump;pumping

U445.4

B

2095-7874（2015）05-0056-06

10.7640/zggw js201505015

2015-01-15

李陽(yáng)（1981— ），男，重慶市人，工程師，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)。E-mail：754151048@qq.com