高速铁路大跨度预应力砼箱梁预制施工工艺控制

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高速铁路大跨度预应力砼箱梁预制施工工艺控制摘要：预应力箱梁具有结构合理、整体预制、集中生产、造价低廉等特点,目前已经被广泛应用于桥梁的上部结构。本文作者结合多年施工经验及工程实例，对大型箱梁预制施工工艺控制中的一些重点和难点问题进行阐述。关键词：铁路；大跨度；预应力箱梁；关键工序；工艺控制引言目前国内高速铁路建设正如火如荼，取得了举世瞩目的成就。高速铁路的建设大大缩短了城市之间、人与人之间的距离，用速度换取了宝贵的时间，大大提高了国民的生活质量。笔者任中国铁建中铁株洲桥梁有限公司副总经理期间，有幸参与了国内第一批大型高速铁路的建设，并曾担任京津城际轨道交通工程、京沪高速铁路等900t铁路预应力砼箱梁预制项目的负责人，取得了一定的成绩，被铁道部授予火车头奖，京津城际轨道交通工程还获得了詹天佑奖。笔者结合自己多年施工经验，对大型铁路砼箱梁预制施工的技术难点、要点进行总结论述，希望对有关施工技术及管理人员有所帮助。一、箱梁预制梁场设计及建设15 高速铁路大跨度预应力砼箱梁预制施工工艺控制摘要：预应力箱梁具有结构合理、整体预制、集中生产、造价低廉等特点,目前已经被广泛应用于桥梁的上部结构。本文作者结合多年施工经验及工程实例，对大型箱梁预制施工工艺控制中的一些重点和难点问题进行阐述。关键词：铁路；大跨度；预应力箱梁；关键工序；工艺控制引言目前国内高速铁路建设正如火如荼，取得了举世瞩目的成就。高速铁路的建设大大缩短了城市之间、人与人之间的距离，用速度换取了宝贵的时间，大大提高了国民的生活质量。笔者任中国铁建中铁株洲桥梁有限公司副总经理期间，有幸参与了国内第一批大型高速铁路的建设，并曾担任京津城际轨道交通工程、京沪高速铁路等900t铁路预应力砼箱梁预制项目的负责人，取得了一定的成绩，被铁道部授予火车头奖，京津城际轨道交通工程还获得了詹天佑奖。笔者结合自己多年施工经验，对大型铁路砼箱梁预制施工的技术难点、要点进行总结论述，希望对有关施工技术及管理人员有所帮助。一、箱梁预制梁场设计及建设15 近几年高速铁路建设快速发展，各大型铁路施工单位关于箱梁预制技术之间的经验交流和探讨学习相当密切，大型铁路箱梁预制场的建设已经基本趋于标准化。梁场的基本布局、工艺流程等都非常相似，这也是我国高速铁路建设水平提高的一个重要表现。如下图所示，是一个具有代表性的标准化梁场的规划布局。办公生活区平面布置示例1、规划设计的原则以工艺流程的顺畅为第一原则，以场内物流运输的便捷为第二原则；2、梁场面积的确定梁场面积的大小要根据工期进度要求进行设计，与总制梁数量无太大关系。一般来说，一个月平均供梁数为50孔左右，最大供梁数不大于65孔的梁场，用地面积应控制在150亩以内。3、台座数量的确定15 一般来说一个制梁台座完成一个生产周期需要约4~6天，一般按照5天计算，即一个台座每个月可生产6孔箱梁。所以，制梁台座的数量一般按照月最大供梁数除以6计算。而存量台座的数量则需要根据混凝土强度增长速度和月供梁数的不平衡度来确定。一般来说，一孔箱梁放置在存量台座上的时间一般不小于一个月，所以，存量台座的数量至少应不小于月最大供梁数。同时，应在月最大供梁数的基础上增加20%~30%的富余量，以应对意外情况的发生。4、运梁设备的选择箱梁运输必须采用大型机械设备公司生产的900t砼箱梁专用运输设备。目前国内用于梁场生产的箱梁运输设备主要有三种，分别是：轨道滑移、轮轨式提梁机运输、轮胎式提梁机运输，目前三种运输方式在国内都在普遍采用。轨道滑移方式操作复杂而耗时，安全性不高，运输速度慢，不适合于产量要求较高的项目，但其低廉的设备投资是一个较大的优点。轮轨式提梁机近两年已经很少生产了，随着轮胎式提梁机的不断成熟，轮轨式提梁机已经基本被淘汰。轮轨式提梁机最大的缺点是不够灵活，没有轨道的地方不能作业，而且转向时需要搬动和安装钢轨，非常麻烦。另外采用轮轨式提梁机还要在梁场铺设供其行走的钢轨，基础施工投资大，而且铺设的轨道给梁场内的物流带来很大障碍。轮胎式提梁机行走速度快，作业范围广，转向灵活，操作简单，是大型箱梁运输的最佳选择。但轮胎式提梁机的价格较高，设备投资较大。5、规划设计需要注意的几个问题（1）制梁台座之间一定要考虑足够的空间，以满足拖拔橡胶管和穿预应力钢绞线的需要；15 （2）在设计制梁台座和存梁台座时，要充分考虑到各种不同梁型的需要，可以设计部分复合台座或多用台座；（3）设计材料运输道路时，一定要考虑足够的地面承载力和转弯半径，必要的时候地面混凝土需要加入钢筋网，提高承载力；（4）各种材料的储存空间一定要考虑至少一倍以上的富余，以备材料供应不畅、道路不通、天气影响等各种不利因素；（5）选择办公生活区的位置时，需要考虑风向，防止搅拌站、砂石料场的灰尘对生活区造成影响。6、建厂施工中需要注意的几个问题（1）台座基础、提梁机道路基础、搅拌站基础、龙门吊基础的施工是重中之重，一定要严把质量关，基础施工完成后一定要按照相关要求进行承载力的检测，在基础使用之前还需要进行预压。（2）建厂施工要有计划、有先后、有主次。一般先进行土方平整，再进行主干道路的换填碾压施工，条件具备时尽早进行围墙施工，然后按照搅拌站、制梁台座、存量台座的顺序进行施工，如条件许可，也可以全面推进。（3）对排水系统的建设一定要高质量高标准，以防水患对生产造成影响。二、预应力箱梁主要原材料控制15 1、材料检测的要求预应力砼箱梁使用的主要原材料有：普通硅酸盐水泥、碎石、河沙、粉煤灰、矿粉、高效减水剂、水、钢筋、各种预埋件等。所有进入梁体的材料都要按规范进行严格的试验检测，在有效期内进行使用。对于水泥、粉煤灰、矿粉等储料罐储存的材料，必须在卸车前进行试验检测，合格后再打入储料罐。对于砂石料等检测周期长的原材料，进场后可先进行感官判断，认为合格后可暂存在待检区，待试验检测完毕确定合格后，再转入合格区，对于不合格的材料要坚决清除出场。2、减水剂检测的重要性高性能混凝土的施工性能很大程度上决定于减水剂的质量和用量，高性能混凝土的塌落度、和易性、泌水率、初凝时间等都与减水剂息息相关。近几年，高性能混凝土（包括部分非高性能混凝土）都采用聚羧酸减水剂，这种减水剂减水率高，用量小，效果好，但非常灵敏，减水剂的用量或质量有极微小的变化，都有可能使混凝土无法正常浇筑。所以，对减水剂的试验和检测一定要及时、准确，必要的时候要委托专业的检测机构进行检测。3、原材料因素引发的常见质量问题（1）混凝土强度太低15 一般来说对混凝土强度影响最大的因素是水泥的质量和搅拌用水量，以及减水剂的质量和用量。因此需要对水泥质量、减水剂固化物含量和减水率进行重点检测，同时要对搅拌站的称量系统进行校验，，以保证施工搅拌严格按照配合比进行。另外，对砂石的压碎指标、母岩强度及含泥量也要进行检测。（2）混凝土强度增长慢通常都是由于减水剂的减水率太低或搅拌用水较多造成，需要检测减水剂的质量性能，适当减少搅拌水用量。另外，养护是否符合要求也很重要。（3）混凝土容易开裂一是减水剂的用量可能过大，二是水泥用量偏大，三是原材料碱含量超标。三、箱梁施工关键工序控制及冬季施工1、关键工序的控制箱梁施工的关键工序主要有：砼浇筑、预应力张拉、预应力管道压浆。（1）砼浇筑15 浇筑混凝土前，应针对工程特点、施工环境条件与施工条件事先设计浇筑方案，包括浇筑起点、浇筑进展方向和浇筑厚度等；混凝土入模前，应测定混凝土的温度、坍落度和含气量等工作性能；只有拌和物性能符合要求的混凝土方可入模浇筑。混凝土的入模温度不宜大于30℃。当混凝土有抗冻性设计要求时，混凝土的入模含气量应根据配合比规定的0.5h含气量进行控制，控制偏差应取为±1.0%。含气量不合格的混凝土不得入模浇筑。塑性混凝土的入模坍落度应按工艺设计的规定值进行控制，控制偏差应取为±20mm。混凝土的浇筑应采用分层连续推移的方式进行，间隙时间不得超过90min，不得随意留置施工缝。混凝土的一次摊铺厚度不宜大于600mm（当采用泵送混凝土时）或400mm（当采用非泵送混凝土时）。浇筑竖向结构的混凝土前，底部应先浇入50～100mm厚的水泥砂浆（水灰比略小于混凝土）。在炎热季节浇筑混凝土时，应避免模板和新浇混凝土直接受阳光照射，保证混凝土入模前模板和钢筋的温度以及附近的局部气温均不超过40℃。应尽可能安排在傍晚而避开炎热的白天浇筑混凝土。在低温条件下（当昼夜平均气温低于5℃或最低气温低于－3℃时）浇筑混凝土时，应采取适当的保温防冻措施，防止混凝土提前受冻。在相对湿度较小、风速较大的环境下浇筑混凝土时，应采取适当挡风等措施，防止混凝土失水过快，此时应避免浇筑有较大暴露面积的构件。预应力混凝土预制梁应采用快速、稳定、连续、可靠的浇筑方式一次浇筑成型。每片梁的浇筑时间不宜超过6h，最长不超过混凝土的初凝时间。预应力混凝土梁宜采用侧振并辅以插入式振捣器振捣。混凝土振捣应按事先规定的工艺路线和方式进行，应在混凝土浇筑过程中及时将浇筑的混凝土均匀振捣密实，不得随意加密振点或漏振，每点的振捣时间以表面泛浆或不冒大气泡为准，一般不宜超过30s，避免过振。采用插入式高频振捣器振捣混凝土时，宜采用垂直点振方式振捣。若需变换振捣棒在混凝土拌和物中的水平位置，应首先竖向缓慢将振捣棒拔出，然后再将振捣棒移至新的位置，不得将振捣棒放在拌和物内平拖，也不得用插入式振捣棒平拖驱赶下料口处堆积的拌和物。（2）预应力张拉本文探讨的为后张法预应力施工技术，其预施应力施工宜按预张拉、初张拉和终张拉三个阶段进行。预张拉在松脱内模前进行，旨在对梁体早期裂纹进行控制；初张拉应在梁体混凝土强度达到设计值约80％（具体以设计图纸为准）和箱内模板拆除后，按设计要求进行。初张拉后，梁体方可吊出台位。终张拉应在梁体混凝土强度及弹性模量达到设计值后、龄期一般不少于14d时进行。预应力施工应采用两端同步张拉，并符合设计张拉顺序。预施应力过程中应保持两端的伸长量基本一致。下表为某梁场张拉数据通知单示例。预应力张拉所用应力及油表读数通知单示例（3）管道压浆15 后张法预制梁终拉完成后，应在48h内进行管道真空辅助压浆。压浆时及压浆后3d内，梁体及环境温度不得低于5℃。浆体水胶比不应超过0.34，水泥浆不得泌水，0.14MPa压力下泌水率不得大于2.5％；浆体流动度不大于25s，30min后不大于35s；压入管道的浆体不得含未搅匀的水泥团块，终凝时间不宜大于12h。水泥浆28d抗压强度不小于35MPa，抗折强度不小于7.0MPa；24h内最大自由收缩率不大于1.5％，28d浆体膨胀率为0～0.1％。预应力管道压浆应采用真空辅助压浆工艺；压浆设备应采用连续式泵；同一管道压浆应连续进行，一次完成。管道出浆口应装有三通管，必需确认出浆浓度与进浆浓度一致时，方可封闭保压。压浆前管道真空度应稳定在-0.09～-0.10MPa之间；浆体注满管道后，应在0.50～0.60MPa下持压2min；压浆最大压力不宜超过0.60MPa。水泥浆搅拌结束至压入管道的时间间隔不应超过40min。2、冬季施工在北方地域冬季施工有时是不可避免的。冬季施工由于气温较低，有时低至-5℃以下，则常温施工方法就不适应了，无论在材料、设备选择、施工方法确定等方面都需要一些特殊的措施。大型预应力砼箱梁的冬季施工国内尚处于摸索阶段，没有非常成熟的经验可借鉴。（1）冬季施工的弊端15 冬季施工由于施工条件及环境不利，施工事故易发出现的多发季节。质量事故出现的隐蔽性、滞后性。冬季施工的计划性和准备工作的时间性强。这是由于准备工作时间短，技术要求复杂。（2）冬季施工适应温度范围当环境昼夜平均气温（最高和最低气温的平均值或当地时间6时、14时及21时室外气温的平均值）连续3d低于5℃或最低气温低于-3℃。如果气温低于-15℃，不得进行混凝土施工。（3）冬季施工混凝土原材料的质量保证①水泥水泥的水化反应与化学反应一样，随着温度的降低而减慢，为了较早的获得抵抗早期冻害的强度，应该选择活性高、水化热大的水泥品种，在冬季施工中要根据环境温度测定其凝结时间，与原设计的混凝土配合比进行比较。②骨料冬季施工时，对骨料除要求没有冰块、雪团外，不应含有易被冻坏的矿物，冬季混凝土使用的骨料的储存地点应选择地势较高，且不容易积水的地方。温度低于零下10摄氏度时，对骨料也要进行适当加热。③外加剂对外加剂的储存装置要进行覆盖或者包裹保温，使外加剂的温度不低于5摄氏度。15 ④搅拌用水冬季施工时，需要对搅拌用水进行加热。加热的温度根据热工计算确定，但不得超过下表数值。如果将热水到最高温度还不能满足混凝土温度的要求，再考虑加热骨料。在自然气温不低于－8℃时，为减少加热工作量，只加热拌和用水，就能满足拌和物的温度要求。自然温度较低时，只加热水不能满足拌和物出机温度要求时，对于骨料首先是砂，其次是石子也要加热。拌和用水及骨料加热的最高温度（4）混凝土的搅拌搅拌设备应采取保温措施，在温度不低于10℃棚内进行施工。根据冬季施工的需要，为防止温度过高的水影响拌合物性能，混凝土搅拌时，拌合站调整混凝土搅拌的投料顺序，先投入砂石，再投水、外加剂，拌合均匀，温度一致后，投入水泥、矿粉、粉煤灰，充分搅拌。同时根据具体情况调整外加剂中引气剂用量，使混凝土的含气量增加，保证混凝土的耐久性。（5）混凝土输送15 混凝土输送泵固定在拌合站一层封闭供暖的空间，减少混凝土的热量散失，混凝土输送泵管分节用石棉包裹保温；混凝土输送时用活动保温罩遮盖输送泵管沟，减少冷风带走热量。（6）混凝土浇筑为保证混凝土的浇筑质量，固定箱梁混凝土浇筑作业时间在白天9至16时之间，环境温度低于-15℃，不进行混凝土浇筑作业。当环境温度处于-15℃以上，混凝土浇筑在封闭的保温棚内进行，保温棚采用分体式，侧面用彩钢板固定封闭，顶面采用活动保温罩，保温罩采用轻型钢结构，上顶及周边用彩杠房板封闭，将布料机上部罩于棚内，布料机外露管道用石棉包裹保温。（7）混凝土养护在冬季施工中，混凝土使用蒸汽养护，当混凝土浇筑完成后，及时覆盖保温篷布通入少量的蒸汽，保证棚罩内的温度不低于5℃。混凝土恒温时间控制在4-6小时左右，升温速度不得大于10℃/h，恒温期间主要控制混凝土的内部（芯部）的温度不宜超过60℃，最大温度不得超过65℃，降温速度不能过快，降温速度不宜大于10℃/h，直到混凝土的温度和环境温度小于15℃后才能拆模。养护棚拆除前顶面立即喷涂养护剂；其余部分拆模时边拆边涂养护剂；内腔端部用棚布遮盖。（8）钢筋工程15 钢筋闪光对焊区搭设防风保暖棚罩，采用暖气片取暖，确保工作环境尽可能的良好，保证对焊作业区温度在5℃以上。钢筋温度过低时要进行预热。（9）预应力施工预制箱梁预应力工程施工时，锚具、钢绞线的使用应随用随领取，保证其使用时自身的温度不宜过低，避免由于温度过低其受力受到影响。张拉作业时段固定在白天8至17时之间，气温低于-10℃，停止张拉作业，（10）压浆作业控制冬季压浆作业均在保温棚内进行。压浆用水泥、灌浆剂于压浆前10小时转入保温棚内，进行升温；棚内设储水箱，压浆用水用蒸汽进行加热，温度保证60～70℃之间；压浆完成前三天，箱梁继续在保温棚内保温养护，棚内持续通蒸汽供暖；同时增加制作两组强度控制试件，于压浆至少三天试压，强度达30MPa方可停止棚内养护，吊离压浆保温棚。四、提高箱梁施工水平的发展方向随着近几年高速铁路的快速发展，预应力箱梁的施工水平也有了长足的进步。可以预见，大型铁路预应力砼箱梁的施工水平还会沿着现有的发展方向继续前进。这种方向和趋势将主要表现在以下几个方面：1、新材料的使用15 高性能混凝土的原材料将有可能革新，一些人工合成的高分子材料有可能加入到混凝土中，大大提高混凝土的各种技术指标。而且新材料的出现也将改变混凝土的施工性能，使得高性能混凝土在满足强度、耐久性等要求后，塌落度可以更大，和易性可以更好，浇筑更快更轻松，质量更有保障。2、新设备的使用如自动张拉机、自动穿束机、自动压浆机等新设备将会被开发出来，并逐步完善和优化，最终代替人工，提高效率。3、新工艺的出现上世纪八九十年代相比，现在箱梁的施工工艺已经取得了翻天覆地的变化，这种变化将会一直继续下去，带给我们的将是更高效、更经济、更实用的新工艺、新方法。4、新的管理模式的出现随着大型预应力砼箱梁的市场不断开拓，势必将出现一些专业的制梁企业或者团队，拥有专业的设备和人才。这就必定会催生一种与现在完全不同的施工管理模式，那就是铁路工程中箱梁预制工作将由中标单位全部分包给专门的制梁单位。结束语15 大型预应力砼箱梁算不上高科技的产品，其施工工艺也并不复杂。但是，要把一个制梁项目管理好，能把各项关键工序控制到位，把费效比做到最小，也不是一件容易的事情。而且，无论哪个方面的任何一点小小的进步，都需要大量经验的积累，经验则都实实在在的来自于现场，来自于施工一线。最近，一些城市发生桥梁整体垮塌事故，造成巨大损失，多数都是因为施工过程质量把控不严所致，因此，作为桥梁施工企业有义务、有责任在施工全过程全方位有效控制工艺过程、确保施工质量，建一项工程，树一座丰碑。当然，工艺改进、质量管控是一个永无止境的课题，笔者也没有高深的见解，只是把自己多年来的现场施工经验拿出来与大家分享，希望能够抛砖引玉。注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。15