橋梁預(yù)應(yīng)力智能張拉壓漿技術(shù)在高速鐵路施工中的應(yīng)用

楊宏偉

（中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

高速鐵路施工水平關(guān)系整個工程的質(zhì)量和安全運行。現(xiàn)階段預(yù)應(yīng)力張拉壓漿技術(shù)在橋梁建設(shè)中得到普遍應(yīng)用，而傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力張拉壓漿技術(shù)施工精度和技術(shù)水平不足，針對這一問題，從工程質(zhì)量問題分析、施工精確度、工程質(zhì)量等方面對橋梁預(yù)應(yīng)力智能張拉壓漿技術(shù)在高速鐵路建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，為高速鐵路建設(shè)施工提供技術(shù)支持。

1 威脅橋梁安全關(guān)鍵因素分析

經(jīng)過對因工程質(zhì)量問題而停用的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力是影響橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。在多起垮塌事故或因故障而停用的工程調(diào)查結(jié)果顯示，在工程施工操作中存在部分預(yù)應(yīng)力損失、各種因素導(dǎo)致管道壓漿不達(dá)標(biāo)等缺陷，在后期工程應(yīng)用過程中經(jīng)過超載超限車輛長期高頻次大壓力作用下，超過工程本身承載能力而造成垮塌、結(jié)構(gòu)損壞等事故。從事故成因分析，是內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果。作為施工方，最為關(guān)注的應(yīng)該是施工內(nèi)部因素。經(jīng)過調(diào)查和分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)主要存在以下幾項工程內(nèi)因[1]。

1.1 預(yù)應(yīng)力張拉不標(biāo)準(zhǔn)

該因素主要表現(xiàn)在應(yīng)用預(yù)應(yīng)力張拉施工的橋梁中，一部分箱梁在不同部位均出現(xiàn)大小不等裂縫，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)在箱梁底板處裂縫發(fā)生概率和嚴(yán)重性最高。并且，預(yù)應(yīng)力支梁板在實際使用中大量出現(xiàn)分布數(shù)量不等的裂縫，導(dǎo)致整個工程整體承載力下降。經(jīng)技術(shù)分析，造成此類問題的原因是：施工操作時，有效預(yù)應(yīng)力控制不夠精準(zhǔn)。當(dāng)有效預(yù)應(yīng)力偏小時，力度不足，會造成工程強(qiáng)度下降，工程結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)裂縫等改變；當(dāng)預(yù)應(yīng)力偏大時，會對工程結(jié)構(gòu)造成早期改變，甚至有可能造成內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)脆性損壞，損失不可估量。除有效預(yù)應(yīng)力過大或過小問題之外，還存在不均勻問題：工程內(nèi)單條孔道內(nèi)不同段受力不均和多條孔道同一位置受力不均。有效預(yù)應(yīng)力不均勻會導(dǎo)致工程設(shè)施內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼筋結(jié)構(gòu)壽命受到影響，雖然在外觀層面并無明顯差異，但會影響工程壽命[2]。

1.2 管道壓漿不緊實

在正常預(yù)應(yīng)力張拉壓漿施工中，將水泥灌入預(yù)應(yīng)力筋所在孔道，會使預(yù)應(yīng)力筋通過水泥和孔道壁融合起來，進(jìn)行高密度封閉，不但起到保護(hù)預(yù)應(yīng)力筋作用而且融為一體后的建筑結(jié)構(gòu)保證了工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在施工中如果灌入孔道水泥漿壓漿不夠緊實，留有空隙，會造成預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕，并不能和孔道壁黏合，從而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力原理失效，結(jié)構(gòu)內(nèi)部被破壞，產(chǎn)生裂縫，也可能發(fā)生突然斷裂垮塌。

1.3 預(yù)應(yīng)力施工通病

在預(yù)應(yīng)力張拉壓漿工程施工中，傳統(tǒng)施工方式會產(chǎn)生一些可見通病，包括斷絲、滑絲、絞線于孔道纏繞和鋼筋外露等情況。這也是傳統(tǒng)施工方式工程質(zhì)量難以控制的重要因素。

2 傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力壓漿技術(shù)的不足之處

2.1 傳統(tǒng)施工張拉精度不夠

傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力張拉壓漿工程施工中主要裝備由機(jī)械油泵、千斤頂?shù)冉M成，在施工中受到工人施工習(xí)慣、施工熟練程度、施工技巧等影響較多，從而造成工程誤差難以精確掌控。首先，壓力和位移控制需要手工調(diào)整油泵，無具體參數(shù)設(shè)置，完全依賴壓力表并不精確的讀數(shù)，從而造成張拉力度不夠精確；其次，在工程持荷時間段內(nèi)施加荷載控制難度大，該施工方式不具備張拉自動補(bǔ)償功能，如果出現(xiàn)欠張情況，會對整體工程造成極大隱患；最后，鋼絞線需要的伸長量需要人工進(jìn)行測量和記錄，數(shù)據(jù)精確度、測量是否及時和數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確可靠都難以絕對保障。

2.2 傳統(tǒng)施工壓漿工藝缺陷

傳統(tǒng)壓漿工藝自身存在可預(yù)見缺陷，其中比較突出的是壓漿密度不夠。如果壓漿密度不夠，孔道中預(yù)應(yīng)力筋與孔壁之間就會存在空隙或黏結(jié)比較疏松，致使預(yù)應(yīng)力鋼筋過量暴露在空氣中，會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋銹蝕、強(qiáng)度降低，并與孔壁之間無法構(gòu)成高強(qiáng)度整體結(jié)構(gòu)，使整個工程承載力大幅下降，給工程埋下隱患。同時，壓漿密度不夠還會派生出鋼筋錨頭應(yīng)力過于集中的現(xiàn)象，整體結(jié)構(gòu)受力不均勻，達(dá)不到整體負(fù)荷強(qiáng)度要求[3]。

2.3 傳統(tǒng)施工通病無法避免

如果使用傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力壓漿工藝進(jìn)行施工，在工程中可能發(fā)生鋼筋外露、應(yīng)力鋼筋錨頭下開裂、斷絲等問題，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量。經(jīng)過對傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力壓漿技術(shù)施工進(jìn)行全面分析，其中有受限于施工技術(shù)的各種缺陷存在，如果將這種傳統(tǒng)落后技術(shù)應(yīng)用于高速鐵路建設(shè)中，除了建設(shè)速度會受到較大影響之外，還會造成較大安全隱患，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量。

3 橋梁預(yù)應(yīng)力智能張拉壓漿技術(shù)施工分析

高速鐵路因其特殊地位，安全指數(shù)要求必須達(dá)標(biāo)，面對當(dāng)前建設(shè)需求，將智能預(yù)應(yīng)力張拉壓漿施工技術(shù)引入高速鐵路施工中迫在眉睫。智能預(yù)應(yīng)力張拉壓漿施工技術(shù)不但可以精準(zhǔn)控制預(yù)應(yīng)力值，精確控制誤差在允許范圍內(nèi)，還能夠提高施工效率、節(jié)約人力資源、降低施工成本。通過比較，在高速鐵路建設(shè)中引進(jìn)橋梁預(yù)應(yīng)力智能張拉壓漿技術(shù)符合工程建設(shè)需求，高速鐵路施工質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性均可以得到可靠保障。

3.1 智能張拉機(jī)構(gòu)操作原理

智能張拉機(jī)構(gòu)的組成主要有三部分：智能化主機(jī)、千斤頂、油泵。在系統(tǒng)進(jìn)行張拉預(yù)應(yīng)力控制過程中，智能化主機(jī)是整個機(jī)構(gòu)的核心，起到關(guān)鍵作用。通過信息聯(lián)通，與油泵和千斤頂三者之間協(xié)同工作，不需要人為手工協(xié)調(diào)，可以最大化發(fā)揮其功能。該系統(tǒng)人機(jī)交互設(shè)計智能化，操作界面友好，上手難度低。在具體操作時，僅需要應(yīng)用計算機(jī)把張拉控制力、伸長量誤差等常數(shù)輸入智能主機(jī)，因為這些數(shù)值以常量形式存儲于智能主機(jī)中，并且顯示對應(yīng)數(shù)值變化，可以為操作人員適時調(diào)整提供動態(tài)指標(biāo)。在張拉預(yù)應(yīng)力數(shù)值輸入計算機(jī)系統(tǒng)后，主機(jī)通過總線接收到施工數(shù)據(jù)和參數(shù)，進(jìn)行智能數(shù)據(jù)分析，通過計算自動確定力和伸長量變化。智能主機(jī)對設(shè)備發(fā)出操作指令信號，開始進(jìn)行張拉操作。智能系統(tǒng)通過對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行線性調(diào)整，實現(xiàn)實時張拉補(bǔ)償功能。智能主機(jī)精確計算，通過系統(tǒng)指令精確控制油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而將張拉預(yù)應(yīng)力控制在精準(zhǔn)范圍內(nèi)。

在整個張拉施工過程中，依靠智能主機(jī)AI 計算指令控制，對張拉過程實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測，各種參數(shù)調(diào)整在自動化模式下進(jìn)行，實現(xiàn)自動化工程控制。此外，智能張拉系統(tǒng)還具備漏壓補(bǔ)償和斷電記憶功能，不會因為斷電等極端情況影響工程質(zhì)量。

3.2 智能張拉機(jī)構(gòu)施工優(yōu)勢

智能張拉機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行連續(xù)張拉施工操作。在進(jìn)行連續(xù)張拉施工之前，工程技術(shù)人員輸入工程相關(guān)機(jī)構(gòu)信息，包括承建單位信息、施工方信息、監(jiān)理單位信息等。在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉操作過程中，通過互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，為上述工程相關(guān)單位提供工程實時監(jiān)控功能，可以協(xié)調(diào)各方加強(qiáng)對工程質(zhì)量監(jiān)控。

例如，監(jiān)理單位責(zé)任工程師可以應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，對實時回傳數(shù)據(jù)報表進(jìn)行審核和簽字確認(rèn)?，F(xiàn)場工程技術(shù)人員在施工過程中可對張拉全過程進(jìn)行實時監(jiān)控，甚至具體到每一個單位預(yù)應(yīng)力數(shù)值都可以進(jìn)行精確控制，對壓力控制精度達(dá)到0.1MPa，對位移控制精度達(dá)到1mm，智能計算機(jī)系統(tǒng)實時分析反饋數(shù)據(jù)，實現(xiàn)絕對動態(tài)精準(zhǔn)控制。另外，智能張拉機(jī)構(gòu)具備漏壓補(bǔ)償功能，在應(yīng)急狀態(tài)下可以持久保持壓力，同時基于計算機(jī)內(nèi)部存儲技術(shù)，智能張拉機(jī)構(gòu)具備斷電記憶功能，如發(fā)生意外斷電情況，各種參數(shù)數(shù)據(jù)能夠得到保持，這種功能設(shè)計在張拉操作遇到緊急突發(fā)情況時，可以爭取處理問題時間，待問題解決之后繼續(xù)進(jìn)行施工操作。智能張拉系統(tǒng)在內(nèi)部計算機(jī)幫助下，具備張拉日志儲存和導(dǎo)出功能，會實時記錄張拉系統(tǒng)工作狀態(tài)、各個點位參數(shù)，在張拉系統(tǒng)施工完畢后，工程技術(shù)人員可以通過其中的智能計算機(jī)導(dǎo)出張拉日志記錄，可以從相關(guān)日志記載中獲得施工具體完成情況，客觀反映施工數(shù)據(jù)，使整個施工過程做到數(shù)據(jù)真實、可溯源。

3.3 智能壓漿系統(tǒng)操作原理

智能壓漿系統(tǒng)基本系統(tǒng)構(gòu)成與智能張拉系統(tǒng)類似，由智能計算機(jī)主機(jī)、測控系統(tǒng)和循環(huán)壓漿機(jī)構(gòu)三大部分構(gòu)成。智能壓漿系統(tǒng)中的智能計算機(jī)為整個系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，對其中參數(shù)預(yù)置和調(diào)節(jié)是整個系統(tǒng)協(xié)同工作的關(guān)鍵，要求操作人員具有較強(qiáng)計算機(jī)操作能力。智能計算機(jī)通過系統(tǒng)軟件和外設(shè)進(jìn)行連接，進(jìn)行壓漿流程控制，可確保水泥漿液在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)不間斷，同時通過壓力沖孔把孔道內(nèi)部空氣和其他雜質(zhì)通過物理方式排出。若水泥漿液在內(nèi)部循環(huán)中發(fā)生阻塞，主機(jī)則自動開啟報警裝置對操作人員進(jìn)行緊急提示。該系統(tǒng)在預(yù)應(yīng)力孔道出口位置安裝有高精度傳感器，操作人員通過傳感器獲取漿液水膠比、孔道壓力、流量等參數(shù)，及時將參數(shù)回傳給計算機(jī)主機(jī)。計算機(jī)主機(jī)對回傳參數(shù)進(jìn)行分析和比對，再對分支系統(tǒng)進(jìn)行施工參數(shù)調(diào)整，保障整個壓漿施工過程在合理參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行。智能壓漿系統(tǒng)可以通過計算機(jī)實時調(diào)整參數(shù)，保證孔道內(nèi)部漿液緊密程度，盡可能減少內(nèi)部空隙，并且對壓力的調(diào)整是線性的，具體應(yīng)用時可以結(jié)合工程需求進(jìn)行孔道內(nèi)持壓。智能壓漿系統(tǒng)配備自動漿液加水裝置，根據(jù)參數(shù)變化準(zhǔn)確加水，動態(tài)精確控制水膠比，改變了以往人工分時段儀器測量需要人工觀察并加水的操作方式。

3.4 智能壓漿系統(tǒng)施工優(yōu)勢

壓漿施工操作主要目的是保證預(yù)應(yīng)力鋼筋通過混凝土與孔道壁融合，使預(yù)應(yīng)力鋼筋、混凝土結(jié)構(gòu)成為整體，將預(yù)應(yīng)力分布至施工對象整體，同時也對預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行包裹和保護(hù)，防止其發(fā)生腐蝕而影響強(qiáng)度。如果預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)壓漿緊實度不夠，存在較多空隙，那么對預(yù)應(yīng)力鋼筋的保護(hù)就會出現(xiàn)瑕疵，而且預(yù)應(yīng)力鋼筋與整體結(jié)構(gòu)之間錨固不夠緊密，影響整體工程承載力。智能壓漿系統(tǒng)應(yīng)用解決了傳統(tǒng)壓漿技術(shù)可能存在的問題，施工中保持漿液循環(huán)不中斷，將預(yù)應(yīng)力孔道出口漿液導(dǎo)入儲漿桶并再次進(jìn)入漿液孔道循環(huán)。該系統(tǒng)為了保證孔道壓漿緊實度，能夠做到實時排空壓漿孔道內(nèi)部空氣，并且采用持續(xù)循環(huán)壓漿灌輸施工方式，在出漿口與進(jìn)漿口均安裝高靈敏傳感器，實時監(jiān)測水膠比，在整個施工過程中保證參數(shù)誤差在規(guī)定范圍。在整個壓漿施工操作中，形成智能主機(jī)—施工單元—傳感器—智能主機(jī)—施工單元循環(huán)工作模式，以機(jī)構(gòu)中智能主機(jī)為核心，動態(tài)調(diào)整施工參數(shù)數(shù)據(jù)，保持施工嚴(yán)謹(jǐn)性，工程質(zhì)量得以保證。與以往傳統(tǒng)壓漿施工方式相比較，智能壓漿系統(tǒng)實現(xiàn)全自動化、智能化，避免人為操作產(chǎn)生的過大誤差和誤操作現(xiàn)象，各項工程指標(biāo)控制更加準(zhǔn)確。智能壓漿系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 智能壓漿系統(tǒng)工作原理

4 橋梁智能預(yù)應(yīng)力張拉壓漿技術(shù)應(yīng)用前景

在高速鐵路施工過程中，可充分體現(xiàn)智能預(yù)應(yīng)力張拉壓漿技術(shù)的優(yōu)點。從技術(shù)參數(shù)方面進(jìn)行系統(tǒng)分析，采用智能張拉系統(tǒng)，當(dāng)張拉力產(chǎn)生1%波動時，在進(jìn)行錨固之前系統(tǒng)就會啟動自動張拉功能，并且將拉力自動修正，實現(xiàn)真正意義上的雙向自動控制。系統(tǒng)自動獲取施工數(shù)據(jù)并且根據(jù)規(guī)范進(jìn)行調(diào)整，與張拉力調(diào)整實現(xiàn)高度同步。在實際應(yīng)用中，二者同步精度達(dá)到±2%。應(yīng)用智能化張拉系統(tǒng)，按照技術(shù)人員設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行自動施工，最大限度地避免人為誤操作和人為誤差過大造成的質(zhì)量問題。另外，在工程質(zhì)量監(jiān)督方面，施工過程中能夠通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時遠(yuǎn)程監(jiān)控，對施工人員、工程主體安全進(jìn)行充分保護(hù)，提高管理水平和工程質(zhì)量。

高速鐵路建設(shè)施工中智能壓漿系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在通過系統(tǒng)自動參數(shù)調(diào)整和精確控制，可以將預(yù)應(yīng)力孔道中空氣和雜質(zhì)接近完全排出，整體提高壓漿密度和均勻度，避免人工壓漿操作所可能造成的工程質(zhì)量問題。另外，智能壓漿系統(tǒng)在高速鐵路建設(shè)中應(yīng)用，工程監(jiān)管單位可以通過系統(tǒng)日志功能將施工過程和參數(shù)進(jìn)行導(dǎo)出備案，掌握施工數(shù)據(jù)，做到施工操作可溯源，提高整個工程質(zhì)量監(jiān)管水平。

上述是橋梁智能預(yù)應(yīng)力張拉壓漿技術(shù)在工程質(zhì)量保證和管理水平提升上的優(yōu)勢，從經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)，會更加直觀地體驗到采用此項技術(shù)的優(yōu)勢。如傳統(tǒng)張拉系統(tǒng)操作至少需要6 名技術(shù)人員參與工作，分別負(fù)責(zé)張拉、測繪、記錄數(shù)據(jù)。反觀智能張拉系統(tǒng)，則僅需要兩人，分別負(fù)責(zé)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和調(diào)整以及施工現(xiàn)場監(jiān)管。智能壓漿系統(tǒng)能夠同時進(jìn)行雙孔道壓漿操作，而傳統(tǒng)人工壓漿只能單孔操作。智能系統(tǒng)不僅節(jié)約人力資源而且施工效率高，同傳統(tǒng)操作相比較經(jīng)濟(jì)效益也是無法比擬的。

5 結(jié)語

經(jīng)過上述案例分析、技術(shù)對比、施工優(yōu)勢分析等研究，智能預(yù)應(yīng)力張拉壓漿技術(shù)在保證工程質(zhì)量、提高工作效率、節(jié)約施工成本方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，所以此種技術(shù)在橋梁施工中得到廣泛應(yīng)用。在高速鐵路施工中，該技術(shù)具有很好的可移植性，同樣可以擁有很廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過適應(yīng)性發(fā)展與改進(jìn)，橋梁智能預(yù)應(yīng)力張拉壓漿技術(shù)在高速鐵路施工中將很快體現(xiàn)出實用價值。