赤石大桥主体结构为165m+3×380m+165m4塔预应力混凝土双索面斜拉桥, 边塔支承、中塔塔梁墩固结体系, 主桥各塔均布置23对斜拉索, 斜拉索纵向呈扇形布置。斜拉桥主桥桥形结构如图1所示。

主7号墩索塔由上塔柱、中塔柱、下塔柱、塔座、A-D横梁、塔冠等组成。承台以上塔高为286.63m。其中塔座高6m, 索塔下塔柱高111.73m, 索塔中塔柱高60m, 上塔柱高103.9m。上半部分为斜拉索锚固区, 采用钢锚梁结构, 并在塔壁混凝土中张拉U形预应力束。索塔结构如图2所示。

高程泵送混凝土配合比设计目标为:通过实验室试配及现场模拟验证试验, 在保证强度的前提下, 寻找混凝土流动性和稳定性相对平衡的黏度, 同时延长坍落度和黏度的有效工作时间并控制经时损失, 降低泵送压力, 改善混凝土综合性能。结合本工程的实际情况, 采用分阶段配合比优化设计方案, 将整个塔柱的配合比设计分为4个阶段。即随着塔高每增加80m做一次配合比的优化调整, 以保证施工节奏及施工要求。同时, 在每个施工高度阶段, 根据原材料供应及质量波动情况及时进行调整。

由于本工程地处山区, 交通运输条件较差, 同时周边原材料产地相对匮乏, 厂家多、控制难、质量波动大就成为不可避免的问题。混凝土配合比中各原材料的适应性和稳定性尤为重要。

采用英德海螺52.5级普通硅酸盐水泥和苏仙南方42.5级普通硅酸盐水泥。

本工程在施工过程中应用了大掺量粉煤灰及双掺粉煤灰矿粉技术。粉煤灰选用湖南娄底金竹山电厂生产的F类Ⅰ级粉煤灰, 矿粉选用广东韶钢嘉羊S95级矿粉。

泵送混凝土细集料宜优先选用河砂, 河砂规格优先选用2区中粗砂, 且须严格控制泥块含量、含泥量。本工程细集料主要有广东韶关河砂、广东乐昌河砂、湖南岳阳河砂3种。

强度等级较高的泵送混凝土粗集料应选用碎石, 本工程碎石主要有宜章县汝郴碎石厂生产的5~5mm和5~20mm连续级配碎石、宜章县旺发碎石厂生产的5~20mm连续级配碎石、宜章县和发碎石厂生产的5~20mm连续级配碎石3种。

选用上海马贝SX-C18高性能减水剂。

选用湖南郴州宜章县赤石乡渔溪河水。

为保证混凝土实体强度满足设计要求, 配制混凝土要有足够的强度富余系数, 并控制混凝土的水胶 (灰) 比在一定范围内, 因此要适当增加水泥或胶凝材料的用量或降低单位用水量。

因泵送高度大、距离长, 且钢筋较密、间距较小, 要求混凝土具有良好的流动性, 甚至需要具备自密实混凝土的一些性能, 而且要求黏度较小以利于降低泵送压力。

保证混凝土经过高压泵送至施工现场后仍保持较好的流动性及和易性。混凝土配合比设计时要考虑混凝土原材料组成比例及相关原材料的稳定性。

混凝土耐久性是指结构在规定使用年限内, 在各种环境条件作用下, 无需额外的加固处理而保持安全性、正常使用和可接受的外观能力。

高性能混凝土水灰比低, 胶凝材料及细颗粒用量较多, 黏聚性较高, 在泵管内摩擦阻力大。垂直泵送高度大, 混凝土自重对拖泵产生的反压大。另外黏度较高也不利于混凝土的浇筑和密实。因此在混凝土配合比配制及施工过程中解决以下几个要素的平衡性, 是保证高程泵送混凝土施工顺利的关键:①黏度与和易性之间的矛盾;②满足泵送性与施工性能之间的矛盾;③大流动性混凝土强度的保证;④坍落度、扩展度经时变化的问题。

第1阶段为下塔柱及D横梁的施工 (0~58m) ;第2阶段指下塔柱上部、中塔柱一半及C横梁施工节段施工 (58~140m) ;第3阶段指中塔柱上半段、上塔柱前5节及B横梁施工节段施工 (140~210m) ;第4阶段指上塔柱至主塔封顶段及A横梁施工节段施工 (210~286.5m) 。

几个阶段配合比优化后, 混凝土工作性能的测试结果发现, 采用复合双掺技术, 即在掺加粉煤灰的基础上又掺入矿粉, 可充分发挥二者的“优势互补效应”。使混凝土的坍落度增加的同时, 黏聚性及和易性得到改善, 混凝土经高压泵送后仍具有较好的抗泌水、抗离析稳定性。混凝土泵送性能得到良好的改善, 在索塔顶端施工及后期的主梁施工过程中已得到了实际论证。

混凝土施工过程中, 对配合比设计和优化进行动态分阶段管理, 针对不同高度调整配合比组分, 在泵送最困难的第4阶段采用复合双掺工艺来提高混凝土的工作性能, 有利于泵送和浇筑, 通过4个阶段的实施既达到了控制成本的目的, 又满足现场施工的需要。

JGJ/T10—2011《混凝土泵送技术规范》要求在超过100m高空泵送碎石混凝土时粗集料最大粒径与输送管径的比值应小于1∶5, 采用的连续级配碎石的最大粒径为25mm, 固输送泵管的直径不应小于125mm。结合以往工程经验及拖泵性能拟选用输送泵管内径为125mm, 通过对输送泵管薄壁圆筒模型的验算, 输送泵管壁厚选择7mm厚的高压输送管。

1) 管路布置应结合施工现场情况横平竖直, 减小输送距离, 同时管路布置应固定牢靠, 拆装更换方便。

2) 管路安装尽量减少弯管使用量, 在终端布置软管方便布料, 只允许在输送泵出口使用变径锥管, 新老泵管组合施工时应将磨损严重的老泵管布置在压力较小的出口侧。

3) 垂直向上布管时, 水平管长度应不小于垂直管长度的1/4, 且≥15m。

4) 泵管固定水平管的固定需有一定的离地高度;每根垂直管至少要有2个可靠的固定点;在墙体内设置预埋件焊接刚性支撑;垂直管下端的弯管不应作为支撑点使用, 应设置可靠的支撑结构;管卡应密封性好, 以防漏浆而导致堵管。

5) 输送高度过大时可结合现场情况实施接力泵方案。

混凝土泵送设备的选型应根据混凝土工程特点、浇筑工程量大小、最大输送距离、单位时间最大输出量、浇筑进度要求以及施工计划等因素综合考虑。

混凝土泵送压力损失的计算可根据实际配管情况, 查JGJ/T10—2011《混凝土泵送技术规范》相应要求, 根据不同类型泵管的换算压力损失计算出泵送管路的压力损失, 所选拖泵的出口压力必须大于管路的最大压力损失, 以此来为拖泵选型提供依据。

JGJ/T10—2011《根据混凝土泵送技术规范》附录B“混凝土泵送的换算压力损失”表可计算出一次送泵至顶情况下的最大压力损失为:P_max=19.3MPa。

综合施工现场生产情况、拖泵性能情况以及经济效益, 最终拟定的拖泵选型方案为:2台HBT80.18.132SC拖泵和2台HBT90.21.220S拖泵, 其中HBT80.18.132SC拖泵的出口压力为18MPa, HBT90.21.220S拖泵的出口压力为21MPa。

施工过程中具体的拖泵布置方案为:在0~150m使用2台HBT80.18.132SC拖泵能够满足施工现场需要, 并能够降低成本提高经济效益;在150~230m处采用2台HBT90.21.220S拖泵来提高泵送速度;在230~286m处采用2台HBT90.21.220S拖泵和2台HBT80.18.132SC拖泵进行拖泵接力, 2台HBT90.21.220S拖泵布置于地面上, 2台HBT80.18.132SC拖泵布置在180m高的桥面处。

施工至上塔柱上半部分时 (230m以上) , 采用HBT90.21.220S拖泵直接泵送至顶时, 由于泵送高度较大, 拖泵压力增大, 为保证泵管的安全需降低混凝土的输送速度即降低拖泵排放量来达到降低泵送压力的目的。在不超过控制压力20MPa的情况下, 混凝土的泵送速度已不能达到施工的要求, 平均浇筑10m³/h, 浇筑完成单幅塔柱需20~24h, 在此种情况下, 采取了拖泵接力泵送混凝土方案。具体布置方案为2台较大的HBT90.21.220S拖泵布置于地面, 泵送混凝土至桥面 (186m) 接力泵站位置, 桥面处安置2台HBT80.18.132SC稍小的拖泵, 泵送上塔柱100m高的混凝土。

由于承台塔座、下塔柱、中塔柱单次浇筑量较大 (1 500~4 000m³) , 所以混凝土的拌制采用2台90m³/h的搅拌站拌制, 以满足现场的施工需要。混凝土运输采用9m³的水泥混凝土罐车运输至现场。

开盘润管是泵送混凝土施工开始的关键工序, 包括采用水、砂浆和大坍落度混凝土润管3步, 3步间需衔接紧密以防堵管, 其中在水和砂浆之间拖泵切忌抽反泵, 防止砂浆离析导致堵管。

混凝土泵送过程中要常观测混凝土的和易性情况, 特别是高温雨水天气下, 根据天气情况采取相应措施来保证混凝土的泵送性及和易性。另外需时刻监控拖泵的泵送压力, 压力过大时 (超过控制压力20MPa) 需对混凝土性能进行分析, 找出原因并对混凝土的施工配合比进行相应的调整。

混凝土的布料主要有2种方法:拆接泵管前端软管配合的方法;采用布料杆布料。无论采取何种方式布料, 操作过程中均需以节约时间为原则, 防止拖泵堵塞。

由于混凝土泵送高度较高, 洗管时采用了泄压倒洗的方法。在拖泵出口处的水平管上安装阀门, 混凝土浇筑完成后拆除泵管出料口处的所有水平管至立管处, 塞进管内2个与管径相当的棉塞球, 打开底部阀门同时在顶端向管内注入高压水, 管内混凝土在自身压力和水压力的作用下全部洗出, 棉塞球保证管内清洗干净。与常用的在泵管内注入砂浆和水采用高压清洗的办法相比, 可以减少对泵管的冲击振动, 因为砂浆和水与混凝土相比容重较小, 在泵管内高压情况下产生的冲击力较大, 泵管的振动、晃动较大, 泵管支撑容易被破坏。

①重复进行反泵和正泵, 吸出混凝土至料斗中, 重新搅拌后泵送;②用锤子锤击查明堵塞部位, 将堵塞混凝土振松后, 重复进行反泵和正泵排除堵塞部位;③上述方法无法排除堵管时, 需泄压后拆除泵管、清洗泵管, 冲洗干净, 重新润管后再次泵送。

1) 要确保泵送混凝土质量, 优选原材料是关键, 是保证工程质量的物质基础。随着原材料的波动及变化, 要及时做好配合比的优化和调整。

2) 对常规原材料进行相容性试验, 使胶凝材料与外加剂之间保持良好的相容性, 对于配制超高泵送混凝土极为重要。

3) 外加剂选用时尽量选择高性能减水剂, 高性能减水剂以其较高的减水率使混凝土单位用水量明显下降, 对整个混凝土的强度及耐久性有较大提升;较好的保坍塌性, 为混凝土在高温情况下的施工提供了保障;和易性的改善及优秀的缓凝效果为高塔泵送及早期水化抑制提供了帮助。

4) 采用复合双掺矿物掺和料技术, 在掺加粉煤灰的同时添加矿粉, 经检测复合双掺矿物掺和料的混凝土可充分发挥二者的“优势互补效应”。使混凝土的坍落度增加的同时, 黏聚性及和易性得到改善, 混凝土经高压泵送后仍然具有较好的抗泌水、抗离析稳定性。同时掺加矿粉使混凝土密实度提高, 耐久性和界面结构得到改善。高性能减水剂及Ⅰ级粉煤灰、矿粉的使用同时使水泥用量降低, 提高了混凝土的经济性。

5) 配管设计及布置方案尤为关键, 需严格按照规范要求进行配管, 施工过程中泵管的检查及更换可以避免爆管现象的出现。拖泵的选型合理与否直接影响到项目部的经济效益, 另外拖泵操作人员需对拖泵性能及泵管情况较熟悉, 并且具有高程泵送的经验, 与施工技术人员良好的配合沟通能够达到事半功倍的效果。

超高塔泵送混凝土施工时, 只要严格控制及优选原材料、优选合理的阶段混凝土配合比、加强施工过程管理并采取有效的技术控制措施, 就能确保泵送混凝土的工程质量, 产生显著的技术、经济及社会效益。