拉林鐵路鋼管拱橋管內(nèi)混凝土頂升技術(shù)研究

龔 虹

（中鐵廣州工程局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511400）

1 工程概況

拉林鐵路藏木雅魯藏布江雙線特大橋位于西藏自治區(qū)加查縣藏木水電站上游1.2km處，橋位海拔3350m，全橋孔跨布置為（39+32）m連續(xù)梁+384m主跨現(xiàn)澆梁+（28+34）m連續(xù)梁。藏木雅魯藏布江雙線特大橋設(shè)計行車速度160km/h，單向行駛，設(shè)計使用壽命100a。大橋位于桑加峽谷內(nèi)，最大風(fēng)力可達(dá)12級，晝夜溫差大。

大橋采用中承式鋼管混凝土拱，主跨430m，矢高112m，矢跨比為1∶3.84。主拱采用懸鏈線方程形式，拱軸系數(shù)2.1、內(nèi)傾角為4.6091°的提籃拱結(jié)構(gòu)，主弦管采用變管徑設(shè)計，拱腳鋼管直徑1.8m，其余鋼管直徑1.6m，中間設(shè)2m過渡段。拱肋采用四肢桁式截面，左右鋼管橫橋向中心距均為3m，每隔8m設(shè)置直徑1.1m的平聯(lián)桿進(jìn)行連接，上下鋼管通過H型或箱型桿件和整體節(jié)點板栓接對拼連接。鋼管節(jié)段之間采用內(nèi)法蘭連接，管內(nèi)設(shè)計在對應(yīng)上下鋼管連接桿件位置布置了6排剪力釘。鋼管拱內(nèi)混凝土為C60自密實補償收縮混凝土，單根主鋼管最大設(shè)計混凝土頂升量為1022m。

2 關(guān)鍵技術(shù)

鋼管拱拱內(nèi)混凝土頂升的首要任務(wù)是選用合格的原材料，配制滿足設(shè)計要求的高性能混凝土。其次是優(yōu)化施工工藝，配備適合高原氣候特點的工裝設(shè)備，確保施工過程順利。1）進(jìn)行鋼管拱足尺寸模型頂升試驗，驗證混凝土在高原地區(qū)的性能變化，研究拱內(nèi)混凝土頂升參數(shù)和泵管布置，掌握高原鋼管內(nèi)混凝土強度形成和溫度場變化規(guī)律，優(yōu)化施工組織管理，為拱內(nèi)混凝土正式頂升提拱理論依據(jù)。2）自密實、無收縮高性能混凝土制備及核心性能指標(biāo)控制檢測技術(shù)。綜合分析鋼管拱橋橋型特點、連續(xù)泵送頂升施工工藝、現(xiàn)場施工條件和環(huán)境氣候條件等多方面的信息，研究自密實補償收縮混凝土拌和物工作性、體積穩(wěn)定性與鋼管內(nèi)充填密實性的關(guān)系。3）采用新型氧化鎂復(fù)合膨脹劑，配置適合于高原地區(qū)環(huán)境下的施工時間長、晝夜溫差大等不利工況下補償收縮性能穩(wěn)定的C60管內(nèi)混凝土。4）根據(jù)輸入泵管設(shè)置位置的拱肋上弧度變化，采用進(jìn)入角度變化的專用輸灰泵管，泵管尾部伸到拱肋中心且?guī)в行毕蛏蠌澒?，大大減少混凝土泵送阻力。5）采用“九級接力、十段泵送、抽真空對稱頂升技術(shù)”進(jìn)行兩岸拱肋混凝土灌注，接力換管采用泵車潤管劑加快施工速度。6）針對高原地區(qū)機(jī)械降效嚴(yán)重的情況，采用超高壓地泵泵送拱內(nèi)混凝土，電腦監(jiān)控泵壓變化，自行動態(tài)調(diào)整泵機(jī)泵送檔位，防止堵管。

3 主要設(shè)計參數(shù)及工程量統(tǒng)計

鋼管拱主弦管管徑為1.6m~1.8m，中間設(shè)2m過渡段，鋼管混凝土為C60自密實補償收縮混凝土，填充在左右幅8根主弦管和下弦拱肋吊桿平聯(lián)桿中，頂升高度約110m，單根主鋼管最大設(shè)計混凝土頂升量為1022m。管內(nèi)混凝土工程量見表1。

表1 鋼管內(nèi)混凝土工程量表

4 鋼管拱管內(nèi)混凝土概況

在泵送鋼管內(nèi)混凝土泵送過程中，須遵循“縱橋向兩岸對稱、橫橋向上下游均衡”的原則。具體施工要點如下。1）根據(jù)類似鋼管拱和本橋試驗拱施工經(jīng)驗，鋼管內(nèi)混凝土采用超高壓泵進(jìn)行泵送，縱橋向單岸采用“九級接力十段泵送”的方式進(jìn)行灌注。2）在設(shè)計鋼管拱管內(nèi)混凝土配合比思路時，重點關(guān)注以下性能：①自密實性。②補償收縮性能。③良好工作性能。④硬化后體積穩(wěn)定性。3）在配置C60鋼管拱內(nèi)混凝土?xí)r，采用新型氧化鎂復(fù)合膨脹劑。由于鋼管拱內(nèi)混凝土強度等級達(dá)C60，存在管內(nèi)混凝土脫黏脫空風(fēng)險。而鎂類膨脹劑因具有膨脹歷程較長、溫度敏感性較低、通過調(diào)整煅燒溫度實現(xiàn)活性可控等優(yōu)點，因此可有效解決管內(nèi)混凝土收縮問題。4）C60管內(nèi)混凝土選用高穩(wěn)健性聚羧酸減水劑，從減水、降黏、保坍方面提升管內(nèi)自密實混凝土工作性能的穩(wěn)定性?；炷僚浜媳燃捌渲饕阅苤笜?biāo)見表2、見表3。

表2 管內(nèi)自密實、無收縮混凝土配合比

表3 管內(nèi)自密實、無收縮混凝土主要性能控制指標(biāo)

5 管內(nèi)混凝土頂升試驗

混凝土與鋼管拱管壁是否緊密結(jié)合是施工質(zhì)量關(guān)鍵所在。為了使試驗數(shù)據(jù)更具代表性，我們選取頂升最容易發(fā)生脫黏脫空的拱頂至邊跨75m段作為鋼管拱混凝土頂升試驗段，試驗段線形與實橋線形相同，直徑采用實橋最小直徑φ1600mm，壁厚16mm，各節(jié)段鋼管對接處設(shè)置法蘭。適當(dāng)增加試驗拱內(nèi)法蘭數(shù)量（實橋4個，試驗拱9個）和內(nèi)加勁環(huán)板。試驗拱鋼管節(jié)段間內(nèi)法蘭布置如圖1所示：1）為評估管內(nèi)混凝土在實橋施工條件下的泵送性能，研究管內(nèi)混凝土在泵送過程中的泵壓沿程損失情況，采取加長泵管水平段長度的方式來模擬實橋遠(yuǎn)距離傾斜向上的工況。根據(jù)JGJT10—2011《混凝土泵送技術(shù)規(guī)程》給出了向上管與水平直管換算關(guān)系，對直徑125mm的泵管水平換算垂直長度比為4∶1。因此泵管水平設(shè)置550m長。2）為了模擬實橋頂升工況，分兩級泵送，檢驗拆裝泵管效率。3）采用輔助真空技術(shù)。待混凝土邊界面距離一級泵管2m高的位置，啟動真空系統(tǒng)，泵機(jī)暫停，真空度達(dá)到-0.04MPa~-0.05MPa時，繼續(xù)泵送混凝土。4）頂升完成。當(dāng)二級管內(nèi)混凝土泵送至拱頂，拱頂出漿管開始出漿時，暫停泵機(jī)，拆除真空系統(tǒng)與主弦管的連接，真空系統(tǒng)退出工作，然后繼續(xù)泵送混凝土，拱頂浮漿不斷排出，直至出現(xiàn)正?；炷?。完成試驗拱混凝土頂升如圖2所示。

圖1 試驗拱鋼管節(jié)段間內(nèi)法蘭布置圖（單位：mm）

圖2 試驗拱混凝土頂升完成示意圖

6 試驗拱頂升混凝土參數(shù)研究

試驗段頂升混凝土研究參數(shù)主要包括實測頂升阻力系數(shù)及硬化后的各項綜合指標(biāo)。

6.1 管內(nèi)阻力系數(shù)研究

試驗鋼管拱和泵管上各布置3個壓力傳感器，實時、連續(xù)采集參數(shù)，結(jié)合鋼管壁對管內(nèi)混凝土流動的摩擦系數(shù)等參數(shù)，不僅可以測試并計算鋼管壁對管內(nèi)混凝土流動的黏著阻力，還可以監(jiān)測、評估內(nèi)環(huán)板、內(nèi)法蘭、鉚釘?shù)茸璧K對混凝土流動阻力的影響。

6.2 檢測管內(nèi)混凝土密實度

分別在3d、7d、28d和90d齡期，通過“人工敲擊+超聲波”相結(jié)合的方式來檢測管內(nèi)混凝土的填充密實度。

6.3 管內(nèi)混凝土強度指標(biāo)檢驗

采用2個直徑1.6m鋼管內(nèi)混凝土柱用于強度發(fā)展試驗測試，施工和養(yǎng)護(hù)方法與實橋一致，再根據(jù)3d、7d、28d和90d齡期鉆芯取樣，進(jìn)行強度測試。

6.4 鋼管內(nèi)混凝土溫度、應(yīng)變歷程監(jiān)測

根據(jù)以往施工經(jīng)驗，拱內(nèi)混凝土溫度會在頂升完成約12h后迅速上升，3d后水化熱大部分釋放完成，溫度逐步下降。從頂升完成后即開始實時記錄溫度變化情況，每隔30min記錄一次，同步測量外界大氣溫度。

7 鋼管管內(nèi)混凝土的施工準(zhǔn)備

7.1 原材料準(zhǔn)備

本著就地取材、擇優(yōu)選用的原則，經(jīng)過反復(fù)比選，選用以下材料：1）水泥。甘肅恒亞水泥有限公司P.O52.5。2）砂子。加查縣民發(fā)砂石廠，級配良好、質(zhì)地堅硬的中粗砂，砂子的含泥量不超過2%。3）碎石。加查縣采石廠，5mm~20mm碎石，壓碎指標(biāo)應(yīng)小于12%，針片狀小于5%。4）粉煤灰。寧夏錦鑫環(huán)?？萍加邢薰綟類I級粉煤灰。5）礦渣粉。甘肅立之林建材有限公司S95礦渣粉。6）膨脹劑。江蘇蘇博特HME@-Ⅱ復(fù)合膨脹劑。7）外加劑。江蘇蘇博特PCA-Ⅰ緩凝高效減水劑。

7.2 機(jī)械設(shè)備準(zhǔn)備

機(jī)械設(shè)備準(zhǔn)備包括以下3點：1）攪拌站。3套拌和站（兩套HZS120自建，一套HZS90租用）。2）輸送泵。兩岸各采用2臺高壓輸送泵，其理論混凝土輸送壓力為28MPa以上，理論混凝土最大輸送量為105m/h，最大輸送距離1200m，最大輸送高度260m。布置于兩岸拱腳處。3）拌合站設(shè)可加熱的備用儲水池，以備低溫時使用。

8 鋼管拱管內(nèi)混凝土施工方法及拱肋鋼管內(nèi)混凝土灌注順序圖

8.1 鋼管拱管內(nèi)混凝土施工方法

按照設(shè)計要求，結(jié)合試驗拱的試驗情況，采取以下步驟進(jìn)行現(xiàn)場灌注：1）根據(jù)設(shè)計要求，按照“下弦內(nèi)管→上弦內(nèi)管→下弦外管→上弦外管→探傷檢查→壓漿→驗收”的順序就進(jìn)行頂升施工。2）根據(jù)頂升試驗，在高原低壓環(huán)境下，每次換管控制在2h內(nèi)以確?；炷梁鸵仔裕侄我圆怀^25m為宜，因此采用九級接力分十段抽真空對稱頂升灌注，并遵循縱橋向兩岸基本對稱、橫橋向上下游均衡的原則。拱肋鋼管內(nèi)混凝土灌注順序圖如圖3所示。3）運輸混凝土至現(xiàn)場后，對每車的混凝土擴(kuò)展度、坍落度、含氣量等工作性能均應(yīng)進(jìn)行檢測，滿足相關(guān)要求后方可泵送。4）針對高原地區(qū)機(jī)械降效嚴(yán)重，采用超高壓地泵泵送拱內(nèi)混凝土，自行動態(tài)調(diào)整泵機(jī)泵送檔位，以確保泵送壓力線型穩(wěn)定增長，防止堵管。5）為防止泵管堵塞和爆裂，現(xiàn)場配備一套同規(guī)格的泵管備用。

圖3 拱肋鋼管內(nèi)混凝土灌注順序圖

8.2 鋼管內(nèi)混凝土密實性檢測及監(jiān)測監(jiān)控

鋼管拱拱內(nèi)混凝土頂升前應(yīng)測量拱肋線形原始數(shù)據(jù)，每根鋼管拱頂升完成后及時進(jìn)行線形偏位數(shù)據(jù)測量，用以指導(dǎo)后續(xù)施工。灌注后的3d、7d、28d和90d齡期檢查混凝土填充密實情況。1）在規(guī)定齡期，采用人工敲擊檢查的方法從拱腳到拱頂進(jìn)行檢查，當(dāng)敲擊結(jié)果異常時，應(yīng)加大檢測密度，確定超聲波檢測范圍。2）通過超聲波檢測，準(zhǔn)確評價混凝土填充效果，定性判別內(nèi)部裂縫、空洞及脫空等缺陷。經(jīng)檢測，管內(nèi)混凝土合格率均大于98%，滿足規(guī)范和設(shè)計要求。3）鋼管拱進(jìn)行頂升前，測量拱肋線型數(shù)據(jù)，每根鋼管拱頂升后，及時進(jìn)行線型偏位數(shù)據(jù)測量，并與監(jiān)控理論數(shù)據(jù)對比，以指導(dǎo)后續(xù)施工。4）拱肋線形監(jiān)測采用全站儀配合單棱鏡進(jìn)行。采用單棱鏡在拱肋上弦管頂部1/4跨徑、跨中及3/4跨徑位置設(shè)置測點，采用全站儀跟蹤監(jiān)測拱肋混凝土灌注施工過程的位移變化。5）拱肋共設(shè)置5個應(yīng)力監(jiān)測截面，分別位于拱腳、1/4跨徑及跨中，單截面設(shè)置8個應(yīng)力測點，拱肋共設(shè)置應(yīng)力測點40個，配套投入5套8通道應(yīng)力自動采集設(shè)備。拱肋應(yīng)力監(jiān)測截面分布如圖4所示。

圖4 拱肋應(yīng)力監(jiān)測截面分布圖

上述5個應(yīng)力監(jiān)測截面布設(shè)溫度應(yīng)力傳感器，測點布置在法蘭盤連接處附近，鋼管內(nèi)壁焊接扣環(huán)，鋼絲繩裝在對稱的扣環(huán)上，沿鋼絲繩布置溫度傳感器。截面選擇拱肋溫度測點布置如圖5所示?？刂平孛鎽?yīng)力傳感器布設(shè)圖如圖6所示。

圖5 截面選擇拱肋溫度測點布置圖

圖6 控制截面應(yīng)力傳感器布設(shè)圖

9 結(jié)語

藏木雅魯藏布江雙線特大橋采用高原鋼管拱肋大直徑管內(nèi)高強度混凝土頂升技術(shù)，2019年5月開始鋼管拱管內(nèi)混凝土頂升，于2019年7月26日順利完成8根管頂升作業(yè)。高原鋼管拱肋大直徑管內(nèi)高強度混凝土頂升技術(shù)解決了大管徑大方量一次頂升難度大、高原環(huán)境溫差大施工場地狹小等問題，實現(xiàn)了8根拱肋管內(nèi)混凝土一次性頂升成功。該技術(shù)不但實現(xiàn)了高原河谷地區(qū)鋼管拱橋首次管內(nèi)混凝土頂升，同時提高了施工質(zhì)量和速度，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)及社會效益，為高原同類拱橋的施工提供了可借鑒的范本，具有廣闊的推廣前景。