鋼管拱混凝土泵送頂升施工中產(chǎn)生堵管的原因及對(duì)策

吳志華，陳光昌

（1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，福州 350007；2.福州榕城港務(wù)發(fā)展有限公司，福州 350002）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，跨度大、結(jié)構(gòu)輕盈、造型美觀的鋼管混凝土拱橋在城市橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用［1］.鋼管混凝土拱橋的跨越能力及承載能力與其鋼管內(nèi)混凝土的密實(shí)程度有很大的關(guān)系.為了保證鋼管內(nèi)混凝土的密實(shí)性，提高鋼管混凝土拱橋的跨越能力及承載能力，在鋼管合攏后通常采用泵送頂升法灌注管內(nèi)混凝土.由于混凝土在凝固前是介于液體和固體之間的一種粘塑性體，且在混凝土泵送過程中，隨著泵送距離的增大，施工時(shí)間的延長(zhǎng)，有可能出現(xiàn)部分混凝土提前凝固的現(xiàn)象（特別是貼近管壁的部分），因此，混凝土在泵送過程中特別容易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象［2］.在鋼管混凝土泵送頂升施工過程中，一旦發(fā)生堵管現(xiàn)象，不但影響施工的進(jìn)展，也會(huì)產(chǎn)生工程質(zhì)量隱患，嚴(yán)重的甚至造成工程質(zhì)量事故.因此，本文以永安北大橋鋼管混凝土泵送頂升施工為例，對(duì)鋼管拱混凝土泵送頂升施工過程中可能產(chǎn)生堵管的諸多原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并制定出相應(yīng)的對(duì)策.

1 工程概況

永安北大橋位于永安市貯木場(chǎng)北偏東約150 m的燕江河面上，為國(guó)道205線永安市區(qū)過境線工程.大橋全長(zhǎng)257 m，上部結(jié)構(gòu)為3孔凈跨徑70.2 m、矢跨比1／3、矢高23.4 m的中承式鋼管混凝土拱.主拱圈為截面高2.3 m的雙肋啞鈴型等截面結(jié)構(gòu)，由上、下2根φ900×16 mm鋼管與厚δ=16 mm鋼板組成.鋼管拱內(nèi)的C50混凝土，采用泵送頂升法進(jìn)行灌注施工，頂升最大凈高約25 m.

2 泵送頂升法施工工藝原理

鋼管拱混凝土泵送頂升施工工藝原理是在鋼管拱拱腳管壁上開設(shè)進(jìn)料孔口，將混凝土輸送管的一端與孔口焊接相連，另一端與混凝土輸送泵的出口相連，混凝土利用足夠的泵機(jī)壓力，通過輸送管被連續(xù)地從兩端拱腳對(duì)稱注入鋼管拱內(nèi)，從鋼管拱腳一直頂升到拱頂，直至管內(nèi)灌滿混凝土，并利用管內(nèi)混凝土重力和泵機(jī)的壓力壓實(shí)混凝土，保證管內(nèi)混凝土充分密實(shí)，混凝土與管壁緊密結(jié)合［3］.

混凝土泵送頂升法與鋼管開孔人工澆筑混凝土相比，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）簡(jiǎn)化施工工序；（2）節(jié)省施工用地；（3）加快施工進(jìn)度；（4）操作安全；（5）工程質(zhì)量可靠.

3 泵送頂升施工過程中產(chǎn)生堵管的原因分析

鋼管拱C50高標(biāo)號(hào)混凝土泵送頂升法澆注，這在當(dāng)時(shí)的福建省內(nèi)尚屬首例，全國(guó)也是少有的，施工單位缺乏類似項(xiàng)目的施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).因此，在混凝土泵送頂升施工過程中，如何防止堵管現(xiàn)象的產(chǎn)生是施工方必須克服的一個(gè)重大難題.為了有效解決這個(gè)難題，項(xiàng)目經(jīng)理部選派技術(shù)骨干遠(yuǎn)赴上海、無(wú)錫等有類似項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)的地方進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)，并向輸送泵機(jī)生產(chǎn)廠家咨詢有關(guān)泵機(jī)的各種性能指標(biāo)、實(shí)地使用情況，與商品混凝土泵送公司進(jìn)行交流，同時(shí)查閱了大量的相關(guān)混凝土泵送資料.在這些工作基礎(chǔ)上，項(xiàng)目經(jīng)理部組織全體技術(shù)及管理人員進(jìn)行反復(fù)討論、研究，從人員、設(shè)備、材料、環(huán)境、施工工藝五個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)分析，列出各個(gè)環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生堵管現(xiàn)象的影響因素，繪制因果分析圖，如圖1所示，其中前面標(biāo)“△”的為要因.

4 施工對(duì)策

針對(duì)圖1泵送產(chǎn)生堵管的因果分析圖中的各種影響因素，尤其是要因，施工單位根據(jù)自身?xiàng)l件和現(xiàn)場(chǎng)情況，經(jīng)過參觀學(xué)習(xí)、調(diào)查，認(rèn)真分析其他單位在鋼管拱內(nèi)混凝土頂升施工的成功經(jīng)驗(yàn)，從人員、設(shè)備、材料、環(huán)境、施工工藝五個(gè)方面制定了相應(yīng)的施工對(duì)策，防止堵管現(xiàn)象的發(fā)生.

圖1 泵送產(chǎn)生堵管的因果分析圖

4.1 人員

（1）由于拱內(nèi)C50混凝土頂升施工在省內(nèi)尚無(wú)先例，施工單位的技術(shù)管理人員及現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)工人均缺乏類似施工經(jīng)驗(yàn).項(xiàng)目部決定由總工帶隊(duì)，選派技術(shù)骨干赴上海、無(wú)錫等地參觀學(xué)習(xí).

（2）查閱有關(guān)混凝土泵送資料，結(jié)合本工程的具體情況，組織全體技術(shù)及管理人員進(jìn)行反復(fù)討論、研究，制定合理的泵送頂升混凝土施工工藝流程.

（3）在公司范圍內(nèi)選派有豐富混凝土泵送施工經(jīng)驗(yàn)的人員到現(xiàn)場(chǎng)承擔(dān)施工任務(wù)，在第一次泵送頂升施工時(shí)，聘請(qǐng)有混凝土泵送頂升施工經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)專家到場(chǎng)指導(dǎo)施工.

（4）在泵送施工前，由項(xiàng)目部總工對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行詳細(xì)的施工技術(shù)培訓(xùn)，確保施工人員熟悉混凝土頂升施工工藝流程及施工中的注意事項(xiàng).

4.2 設(shè)備

針對(duì)泵送施工過程中可能出現(xiàn)的設(shè)備不配套、性能不佳、機(jī)械故障、電路故障等造成堵管的影響因素，采取以下應(yīng)對(duì)措施：

（1）泵送設(shè)備的選擇.①根據(jù)設(shè)計(jì)要求，永安北大橋每孔鋼管拱內(nèi)混凝土采用兩端一次性集中對(duì)稱泵送，故選擇拖式泵，以保證混凝土頂升能夠順利完成.②永安北大橋?yàn)? m×70.2 m鋼管拱橋，共有6條鋼管拱肋，分為6次澆筑.每條拱肋的C50混凝土量接近60 m3，故一次泵送量最大約60 m3.經(jīng)過測(cè)算，選擇最大輸送量67.5 m3，最大泵送壓力6.3 MPa的三一牌HBT 60A型閘門板式混凝土輸送泵，性能可靠且故障率低，能滿足施工要求.

（2）混凝土拌和設(shè)備的選擇.考慮到一次澆筑一條拱肋的C50混凝土量接近60 m3，混凝土拌和設(shè)備選用40 m3/h的混凝土拌和站，另配備一臺(tái)500 L/h的移動(dòng)式混凝土攪拌機(jī)備用.

4.3 材料

永安北大橋主拱圈內(nèi)為C50高標(biāo)號(hào)混凝土，使用的材料主要有水泥、碎石、砂、外加劑等.針對(duì)泵送施工過程中可能出現(xiàn)的水泥性能不佳、砂石料不合格、石子粒徑偏大等可能造成堵管的影響因素，采取以下應(yīng)對(duì)措施：

（1）水泥選用福建水泥廠生產(chǎn)的建福牌42.5#普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，性能可靠.

（2）細(xì)骨料采用級(jí)配良好的中（粗）砂，細(xì)度模數(shù)不小于2.6，砂率宜為40～50%之間.

（3）粗骨料使用堅(jiān)硬、級(jí)配良好的碎石，進(jìn)場(chǎng)前進(jìn)行嚴(yán)格篩分，確保針片狀含量小于10%，碎石粒徑不大于4 cm，且不宜超過輸送管徑的1/3.

（4）選用適量高效緩凝的FDN-2型泵送劑及UEA膨脹劑，提高泵送混凝土的流動(dòng)性.

（5）所有材料在進(jìn)場(chǎng)后、使用前，必須由試驗(yàn)室進(jìn)行抽檢，確保質(zhì)量滿足使用要求.

4.4 環(huán)境

針對(duì)泵送施工過程中可能出現(xiàn)的施工場(chǎng)地限制、天氣炎熱、洪水影響、突然停電等造成堵管的影響因素，采取以下應(yīng)對(duì)措施：

（1）合理布置施工場(chǎng)地，做好人員和機(jī)械的施工安排，必要時(shí)搭設(shè)水上平臺(tái)拓寬場(chǎng)地.

（2）夏季天氣炎熱時(shí)，混凝土選擇在早晚溫度相對(duì)較低時(shí)進(jìn)行澆筑.

（3）第二孔位于水面上方的拱圈混凝土，安排在非洪水季節(jié)進(jìn)行施工，避免受到洪水影響.

（4）在施工現(xiàn)場(chǎng)配備一臺(tái)大功率發(fā)電機(jī)，預(yù)防現(xiàn)場(chǎng)突然停電對(duì)施工造成影響.

4.5 施工工藝

在可能產(chǎn)生堵管現(xiàn)象的諸多影響因素中，施工工藝是最關(guān)鍵的一類因素.針對(duì)泵送施工過程中可能出現(xiàn)的泵送口設(shè)計(jì)不合理、混凝土配合比不太合理、施工流程控制不當(dāng)?shù)仍斐啥鹿艿挠绊懸蛩?，采取以下?yīng)對(duì)措施：

4.5.1 泵送進(jìn)料口的設(shè)計(jì)

泵送頂升法澆筑鋼管拱混凝土是從拱腳往拱頂頂升，進(jìn)料口的開設(shè)及設(shè)計(jì)是整個(gè)泵送施工工藝中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié).由于泵送頂升壓力大，在泵送過程中，拱腳段鋼板容易產(chǎn)生外鼓變形，隨之在焊縫處破裂，因此拱腳段一般采用16Mn鋼，拱腳腹板在泵送前還需進(jìn)行加固.

（1）選定泵送進(jìn)料口位置.由于拱腳設(shè)計(jì)時(shí)，為了拱座與拱腳段鋼管連接牢固，拱座預(yù)埋鋼筋伸入拱腳鋼管內(nèi)2.5 m，且數(shù)量多，若把進(jìn)料口設(shè)在拱腳的最低處，混凝土泵送會(huì)因管內(nèi)壓力的減少，易造成堵管.因此，進(jìn)料口理想位置的選定應(yīng)在拱腳預(yù)埋筋的頂部，距離拱腳約3 m，如圖2所示.

圖2 進(jìn)料口位置示意圖

（2）設(shè)計(jì)泵送進(jìn)料口.為了保證混凝土從輸送管順暢通過進(jìn)料口，進(jìn)入鋼管內(nèi)，且頂升完成后，進(jìn)料口能封住管內(nèi)混凝土，需要對(duì)進(jìn)料口進(jìn)行精心設(shè)計(jì).進(jìn)料管選用與混凝土輸送管內(nèi)徑一樣大的無(wú)縫鋼管，伸入鋼管內(nèi)約10 cm，并與拱軸線成45°向上斜角.進(jìn)料管與輸送管之間用方形法蘭盤連結(jié)，中間加墊密封圈，確保不漏氣、不漏漿.鋼管拱混凝土泵送完成后，關(guān)閉布置在進(jìn)料管附近的閥門，便于泵送設(shè)備及時(shí)撤離.若沒有設(shè)計(jì)專門的閥門，在法蘭盤之間插入一塊鋼板鎖緊法蘭盤即可［4］.

4.5.2 增壓管的設(shè)計(jì)

鋼管拱內(nèi)的混凝土，主要依靠輸送泵泵送壓力與混凝土的重力，不用振搗即可自身密實(shí).但鋼管拱頂部的混凝土無(wú)法利用泵送壓力，也沒有足夠的重力進(jìn)行自身密實(shí)，因此需要在拱頂處開設(shè)一個(gè)增壓管.增壓管選用高1.8 m的鋼管，內(nèi)徑小于輸送管口徑，如圖3所示.當(dāng)從增壓管頂升出來(lái)的混凝土沒有泌水時(shí)，靜壓10 min后再泵送加壓，直到增壓管中的混凝土表面不再沉降為止，抽出增壓管并將開口封閉，以保證鋼管拱管內(nèi)混凝土完全飽滿、密實(shí).

圖3 增壓管設(shè)計(jì)示意圖

4.5.3 高標(biāo)號(hào)自密實(shí)混凝土配合比的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，鋼管拱內(nèi)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50，每一孔鋼管內(nèi)混凝土必須一次性澆筑完成，且混凝土終凝后與鋼管壁結(jié)合緊密.因此，混凝土配合比的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循低水灰比、低砂率、高骨膠比的原則，并需在混凝土中摻用緩凝的FDN-2型泵送劑和UEA膨脹劑.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，混凝土配合比經(jīng)過試配及項(xiàng)目部?jī)奢喌腜DAC循環(huán)攻關(guān)，最終確定配合比如表1所示.使用多輪調(diào)整后的配合比，混凝土和易性良好，泵送頂升施工實(shí)施非常順利，全橋泵送混凝土均未出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，有效地克服了高標(biāo)號(hào)混凝土配合比配制的難題，可為同類工程提供寶貴的經(jīng)驗(yàn).

表1 C50混凝土配合比

4.5.4 泵送施工工藝要求

（1）在每一孔鋼管拱混凝土泵送頂升施工時(shí)，兩端拱腳泵送混凝土要同步、對(duì)稱進(jìn)行，并且兩端高度相差不大于1 m［5］.為了便于檢查混凝土對(duì)稱頂升的進(jìn)度，在每根鋼管上方每隔1 m開設(shè)一個(gè)直徑10 cm的小孔，待混凝土頂升到位后用木塞堵緊，以防漏漿，也減少泵送壓力的損失.

（2）布設(shè)撓度觀測(cè)點(diǎn).因鋼管拱橋的加載要求對(duì)稱，因此在混凝土頂升施工過程中，不但要求兩端拱腳混凝土頂升速度要一致，同時(shí)對(duì)鋼管拱的變形情況也要進(jìn)行觀測(cè).每條拱肋至少在跨中l(wèi)／4跨和3／4跨處布置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn).若鋼管拱變形量偏大，應(yīng)調(diào)整兩端頂升速度，保持受力平衡［6］.

（3）做好施工受力驗(yàn)算.因泵送砼是一種流態(tài)混凝土，具有液體性質(zhì)，泵送時(shí)混凝土自重將對(duì)鋼管拱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的荷載作用，因此施工前必須按鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算鋼管拱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性.

（4）合理布置混凝土輸送管道，盡量縮短管道長(zhǎng)度和減少?gòu)濐^，特別是減少90°的直角彎頭.

（5）混凝土泵送頂升施工應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，如混凝土運(yùn)輸跟不上，可適當(dāng)降低泵送速度，保持連續(xù)泵送.如果混凝土拌和站出現(xiàn)故障，混凝土短時(shí)間內(nèi)供應(yīng)中斷時(shí)，可每隔5 min開泵一次，使輸送泵正反轉(zhuǎn)，同時(shí)開動(dòng)料斗攪拌器，防止管內(nèi)混凝土泌水堵塞和斗中混凝土產(chǎn)生離析［7］.

5 結(jié)語(yǔ)

在永安北大橋三跨鋼管拱混凝土澆筑施工過程中，經(jīng)過對(duì)混凝土泵送頂升過程中可能產(chǎn)生堵管現(xiàn)象的各種因素進(jìn)行詳細(xì)分析，并在施工前及施工過程中采取相應(yīng)的對(duì)策，有效地防止了混凝土堵管現(xiàn)象的發(fā)生，頂升法施工進(jìn)程非常順利，保證了工程施工工期、質(zhì)量和安全，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.總結(jié)永安北大橋的混凝土泵送頂升施工經(jīng)驗(yàn)，要避免混凝土堵管現(xiàn)象的發(fā)生，關(guān)鍵要做好以下幾點(diǎn)：

（1）在混凝土泵送頂升施工前，在人、材、機(jī)三個(gè)方面要做好充分的準(zhǔn)備，確保滿足施工需要.

（2）要合理選定泵送進(jìn)料口位置，并對(duì)進(jìn)料口精心設(shè)計(jì)，以保證進(jìn)料管與混凝土輸送管連結(jié)良好.

（3）在C50高標(biāo)號(hào)混凝土中摻加適量高效緩凝的FDN-2型泵送劑、UEA膨脹劑及粉煤灰，提高泵送混凝土的流動(dòng)性，可有效克服高標(biāo)號(hào)混凝土配合比配制難題；在施工過程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣候等施工情況對(duì)配合比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保持混凝土和易性良好，能有效防止混凝土堵管現(xiàn)象的發(fā)生.

（4）在混凝土泵送頂升施工過程中，兩端拱腳混凝土頂升速度要一致，保持鋼管拱兩側(cè)受力平衡，并對(duì)鋼管拱變形情況進(jìn)行測(cè)量監(jiān)控.