本工程T1塔楼建筑高度为568m, 塔楼地上113层, 地下5层, 为核心筒-外伸臂+外围巨型斜撑框架结构体系, 总建筑面积约34万m², 地上约32万m², 地下约2万m², 主要功能包括办公、金融、企业会所;混凝土结构最大高度为562m, 累计泵送约20万m³混凝土, 单层平均浇筑约1 900 m³, 混凝土强度等级及泵送高度分布如表1所示。

到目前为止, 全国已建成和在建的500m以上高楼分布于上海、广东、武汉、香港、台湾、辽宁等地, 武汉绿地中心采用了HBT90.48.572RS型的超高压混凝土输送泵, 其他7座大楼的建设则均采用了超高压混凝土输送设备。国内500m以上的主要超高层建筑混凝土输送泵配置情况如表2所示。

因此, 根据以上超高层施工经验, 本工程拟选用HBT9050CH-5M型的超高压混凝土输送泵, 该超高压混凝土输送泵在动力方面相比HBT90CH2150D有小幅提升, 其他参数基本保持不变。另外, 根据本工程混凝土浇筑量及进度计划需求, 拟配备3台超高压混凝土输送泵。输送泵参数如表3所示。

根据前述统计, T1塔楼C70, C35混凝土浇筑高度最高, 须达到562m。根据我国现行行业标准JGJ/T10—2011《超高层泵送施工技术规程》, 混凝土泵的额定工作压力应大于按如下公式计算的混凝土最大泵送阻力:

式中:P_max为混凝土最大泵送阻力 (MPa) ;ΔP_H为混凝土在水平输送管内流动每米产生的压力损失 (Pa/m) ;P_f为混凝土泵送系统附件及泵体内部压力损失, 当缺乏详细资料时, 按表4累加计算 (MPa) ;本工程每套管路安装2台截止阀, 则混凝土泵送系统附件及泵体内部压力损失P_f=1.4MPa。

L为各类布置状态下混凝土输送管路系统的累积水平换算距离, 根据JGJ10—2011《混凝土泵送施工技术规程》附录A表换算累加确定。本工程首层泵管水平距离及浇筑层水平距离均按200m计算, 垂直距离按562m计算, 则累积水平换算距离L=200+200+562×5=3 210m。r为混凝土输送管半径0.075m。K₁为黏着系数, 取K₁=300-S₁, S₁为混凝土坍落度, 本工程S₁=220mm, K₂为速度系数, 取K₂=400-S₁。

t₂/t₁为混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土时间之比, 当设备性能未知时可取0.3;V₂为混凝土在管道内的流速, 当排量达50m³/h时, 流速约0.812m/s。α₂为径向压力与轴向压力之比, 其值约0.95。计算得:P_max=16.04MPa。

按实际经验, 混凝土泵的最大出口压力比理论压力高10%~20%, 此处取20%, 多出的压力储备应对混凝土变化引起的异常现象, 避免堵管。因此, 混凝土出口压力为:16.04× (1+20%) =19.25MPa。所配备的输送泵最大压力为50MPa, 可满足本工程泵送需要。

本工程混凝土最高需泵送至562m高, 泵送压力大, 对泵管有非常高的性能要求。根据国内类似超高层工程的施工经验以及厂家的建议, 本工程的超高压耐磨泵管选型为内径150mm, 壁厚12mm, 硬度约HRC45-HRC50, 屈服强度为1 000MPa。所选用的超高压耐磨泵管, 可承载压力在50MPa以上, 可持续输送混凝土超过10万m³, 可保证抗爆能力和耐磨性能, 确保整个施工过程不会因管道磨损而更换。

根据现行国家标准GB/T8163—2008《输送流体用无缝钢管》复核验算超高压泵管厚度。计算公式为:

式中:P为试验压力 (MPa) , 本工程混凝土泵最大出口压力为P_max=50MPa;S为钢管的公称壁厚 (mm) ;D为钢管的工程外径 (mm) , 本工程混凝土输送泵管外径D=174mm;R为允许应力, 取规定下屈服强度的60% (MPa) , 本工程凝土输送泵管屈服强度为1 000MPa, 则R=1 000×60%=600MPa。计算得:S≥7.25mm。

为了保证管道的高可靠性, 增长耐磨时间, 减少更换拆装, 保证工程进度, 输送管厚度的安全系数k=1.5。则输送管的壁厚:t=k×S=10.875mm, 本次选用的输送管壁厚12mm, 安全系数为1.5, 可满足施工要求。

超高压泵管爆破压力核算P_b=2.3×δ_b×lg ( (D+2δ) /D) =148.25MPa>50MPa, 满足施工要求。

综上, 本方案所选用12mm厚超高压耐磨输送管满足本工程一次到顶的泵送要求。

1) 超高层建筑核心筒一般采用模架平台体系, 布料机可以固定在模架平台上, 并随模架体系同步爬升, 布料机的选型要与模架构造体系相匹配, 避免设备工艺相互间碰撞, 如动臂塔、施工电梯轨道等。布料机的臂架形式、回转方式、回转半径等结构本身的性能应满足整个浇筑面的工作需要。

2) 超高层建筑核心筒一次浇筑方量大, 选择现代化的高性能遥控布料机能够有效缩短混凝土浇筑时间并节省劳动力。

本工程核心筒墙体混凝土由布置在核心筒内的2套管道连接顶模平台的2台HGY24型布料机进行浇筑, 该布料机臂长24m, 自重约12t, 固定于顶模平台上并随顶模系统上升。布料机布置及参数如图1所示。

国内超高层泵送系统的清洗一般采用水洗的方式, 模架平台上需使用料斗收集泵送系统清洗后的废渣废水, 然后再利用塔式起重机吊至沉淀池过滤沉淀后排走, 但超高层泵送系统管路长、清洗用水量大, 水洗以及利用料斗收集废水废渣的方式都会影响施工效率, 而且会浪费大量资源。

本工程T1塔楼高568m, 结合类似工程施工经验, 300m以下采用水洗方式泵送, 结束后进行清理, 管清洗系统采用竖向回水管与三级沉淀池结合的方式, 由自上而下的一趟回水管和与之相连的三级沉淀池组成, 回水管采用直径为325mm, 壁厚6mm的螺旋焊管, 螺旋焊管通过角钢与超高泵送竖向泵管固定装置焊接固定。清洗时将布料机软管对准螺纹焊管管口, 深入300~500mm, 然后对泵管进行清洗工作, 泵管内残留的混凝土随水流淌到回水管内, 顺着回水管排入到首层的三级沉淀池中, 经过三级沉淀、分级处理后排入指定位置。300m以上结构施工期间, 拟采用“水气联洗”工艺对混凝土管线进行清洗。流程如下:混凝土回收装置准备→泵管混凝土回收→气洗装置准备→气洗并回收残余混凝土→水洗。

水气联洗装置由气洗装置和混凝土回收装置组成。混凝土泵送结束后, 先进行泵管气洗, 气洗即压缩空气吹洗, 是把浸透水的清洗球先塞进气洗接头, 再变径管相接的第1根直管相接, 并在管道的末端接上安全盖, 安全盖的孔口要朝下。控制压缩空气的压力≤0.8MPa, 气阀要缓慢开启, 当混凝土能顺利流出时才可开大气阀。气洗完毕后, 马上关闭气阀。气洗结束后再进行传统的水洗施工。气洗过程可将泵管内大量混凝土回收至搅拌车内, 减少泵管内混凝土量, 使水洗过程中大幅节约洗管用水量, 同时使泵压不至过大, 避免高压水对密封圈及界面处混凝土的冲蚀而导致洗泵失败。

超高层建筑一般位于城市核心区, 交通运输组织困难、施工场地狭小、同时施工的专业较多, 混凝土泵送设备的布置方法需要多方面综合考虑。

1) 混凝土超高压输送泵需要设置在混凝土供应方便和便于配管处, 对于1台混凝土泵要便于停放多辆混凝土搅拌运输车, 满足混凝土搅拌运输车的转弯半径需求。

2) 超高压输送泵在工作时噪声较大, 需要安装降噪棚, 尤其气温较高时, 需要打开输送泵侧门散热, 降噪棚尺寸较大, 因此输送泵的布置间距需考虑降噪棚尺寸。另外, 超高层高压输送泵管线路长, 管内混凝土方量大, 需要在管道入口处安装回料管, 输送泵后面必须保证3m的空间。

3) 超高压输送泵尽量布置在塔式起重机覆盖范围之外, 这样可以为需要吊运的材料、设备节省场地。

4) 布置位置应便于清洗, 选择好供水和排水措施。

1) 输送管道应根据混凝土的浇筑方案设置, 并应尽量缩短管线长度, 少用弯管和软管, 布置水平管或向下的垂直管时, 宜使混凝土浇筑方向与泵送方向相反。布置向上的垂直管时宜使混凝土浇筑方向与泵送方向相同。

2) 垂直向上配管时, 垂直管长度方向越高, 管内混凝土的重力势能越大, 因此应在混凝土泵与垂直管之间铺设一定长度的水平管道, 以保证有足够的阻力阻止混凝土回流。根据JGJ/T10—2011《混凝土泵送施工技术规程》要求地面水平管长度不小于垂直管长度的1/5, 且宜≥15m, 所以本工程±0.000水平管按177, 134, 127, 113m进行布设。

3) 对于泵管的固定, 选用特制固定卡具, 在管道连接处固定牢固。

4) 泵管所有转弯处必须予以适当加固, 沿管道振动方向加设支托。距泵最近的弯管受冲击力最大, 要用比较牢固的支托紧紧固定, 以减轻振动。

5) 立管的设置需仔细审阅图纸, 考虑墙体内收、上下是否通畅等因素, 宜设置在便于埋设埋件的位置, 并尽量避开管道井及电梯井。

6) 宜设置2套截止阀, 一般在输送泵出口10m处设置1套, 另外1套在竖向第1根垂直管上设置截止阀, 另外液压截止阀离地面的高度控制在1.8m内, 以方便操作。

输送管的固定对超高层泵送的效果及安全起重要的作用, 水平和垂直输送管布置均要求沿地面和墙面铺设, 并全程做可靠的固定。

1) 预埋件安装 (见图3) 在输送管线对应的地面和墙面上采用预埋的方式将约300mm×300mm, 厚度≥16mm的高强钢板 (塞焊420铆筋, 长约300mm) 植于地面和墙面, 铺设管道时将输送管固定装置配焊到预埋钢板上固定输送管。

2) 水平泵管直管布置部分 (见图4) 每根标准3m输送管在距连接处0.5m处用2个输送管固定装置固定 (在水泥墩中或地面预埋高强度钢板, 输送管固定装置焊接于钢板上) , 防止管道因振动而松脱。其他较短的输送管采用1个输送管固定装置固定。

3) 水平弯管布置 (见图5) 90°弯管在距连接处0.5m处用2个输送管固定装置固定 (在水泥墩中或地面预埋高强度钢板, 输送管固定装置焊接于钢板上) , 防止管道因振动而松脱。

4) 水平转垂直处弯管布置 (见图6) 水平管与立管转接处采用水泥墩支撑。

5) 垂直泵管布置 (见图7) 输送管沿墙面爬升, 在墙壁对应位置处预埋高强度钢板, 混凝土管固定装置焊接在钢板上。每根3m, 90°弯管用2个混凝土管固定装置牢固固定。

6) 超高压管道密封 (见图8) 密封超高压和高压耐磨管道, 采用密封性能可靠的O形圈端面密封形式, 可耐100MPa的高压。普通输送管采用管卡进行连接。

本工程采用合理的泵管及对应的泵管布置方案, 不仅满足竖向不同结构部位的施工, 还解决了泵送高度高、泵送出口压力大、单位时间的泵送量大的问题。该布置方案不仅方便了不同工作面处水平泵管的连接情况, 而且减少了对其他专业施工的影响。

合理的泵管选型, 满足了泵送过程中最大高度泵送压力;泵管的合理布置及加固, 增强了泵管的稳定性, 增大了泵管内混凝土的流动性, 极大地减小了堵管、爆管的可能性。

通过对泵管进行受力核算, 合理地对泵管进行选择, 避免造成材料的浪费, 产生多余的费用;通过分析泵管布置, 全面地分析了泵管排布过程中可能遇到的问题, 合理地布置泵管, 不仅为项目节省了费用, 也增大了泵送系统的稳定性, 降低了施工难度和风险, 为项目带来了较大的经济价值。

沈阳宝能环球金融中心工程超高压泵送泵管的选择和布置, 实际应用中效果优良、泵送稳定, 并且在此基础上做了进一步的探索和研究, 在保证泵送系统稳定可靠性的前提下, 以突出可循环回收利用为主的绿色施工理念。该泵管的选择和布置不仅加快了施工速度、增加了整体的稳定性, 还能够降低施工难度和施工风险, 解决超高层混凝土泵送困难等一系列问题。