为研究如何减小钢管混凝土拱桥管内混凝土脱空问题，依托主跨530m的合江长江一桥，设计并完成了两条长达50m的大型钢管模型对比试验，试验中分别采用常规和真空辅助灌注工艺完成钢管混凝土的灌注。通过对试验管的超声波检测结果对比分析和将试验管剖开直观对比观察管内混凝土，证明了真空辅助工艺的有效性,摸清了其工作机理,发现了原设计真空辅助工艺的不足和改进方法。将改进后的真空辅助灌注工艺应用于依托工程，真正实现了全过程真空辅助灌注施工。

该工艺保证了管内混凝土灌注阶段的密实性，并大大减少后期脱空范围、显著减小后期脱空深度，效果良好，获得了发明专利，已推广应用于3座特大桥。

脱 空 问 题 的 困 扰

钢管混凝土拱桥管内混凝土脱空问题一直困扰着人们，并在一定程度上影响了钢管混凝土拱桥的继续发展。因此，如何解决和减少脱空成为十分重要和迫切的问题。脱空的主要原因有：施工工艺、混凝土材料性能、温度影响、混凝土收缩徐变等，其中施工工艺是首要原因。目前，钢管混凝土灌注施工工艺主要为顶升法，钢管内混凝土顶升至一定高度后，在钢管倾角小于空气临界逃逸角的范围内，当混凝土自由表面离钢管内顶面很近时，空气容易被混凝土自由表面波浪或涌浪封住而形成气腔;当混凝土泵送完成以后，混凝土泌水上升汇集，占据气腔空间，而气泡排开泌水继续向拱顶方向运动汇集，这些泌水空间和气腔空间使得钢管混凝土脱空，这是施工工艺导致脱空的首要原因。因此，要减少或杜绝脱空，首要目标是减少或去掉钢管中的空气，所以产生了真空辅助灌注施工理念。

图1 合江长江一桥

合江长江一桥位于四川省泸州市合江县境内，主桥为跨径530m的钢管混凝土拱桥，为目前世界最大跨度钢管混凝土拱桥，其主弦管直径达1.3m，每根拱肋钢管内混凝土约800m3，见图1。如何确保管内混凝土顺利灌注施工完成并灌注密实、减小后期脱空，是该桥建设、也是500m跨度级别钢管混凝土拱桥建设，必须考虑和解决的核心技术问题之一。

对 比 试 验 方 案

图2 试验拱肋钢管模型尺寸（单位：m）

图3 真空辅助灌注试验设备布置图

目前，特大跨径钢管混凝土拱桥在拱肋吊装阶段常常采用内法兰接头来实现拱肋吊段的快速连接，而内法兰带来便利的情况下，也带来了弊端。经验表明，钢管混凝土拱桥的拱顶段和内法兰位置灌注后最容易出现脱空，所以本试验的目的就是观察此两处在常规顶升灌注法和真空辅助顶升灌注法施工下结果的异同，通过超声波、敲击法和剖开钢管量测法判断真空辅助是否比常规灌注更加有效。故试验采用直径Φ700mm钢管模拟实桥拱肋的一岸拱顶段，长度50m，并分别设置了3个法兰盘，试验钢管布设见图2。抽真空设备采用预应力混凝土真空压浆设备，输送泵采用实际施工用90高压泵，试验设备布置见图3。工艺试验中真空度取值为-0.07Mpa～-0.09Mpa。试验采用与实桥同样的C60混凝土配比。试验前制定了详细的实施方案，确保了现场试验操作及灌注进度情况与实际施工完全一致。

试 验 结 果 分 析

超 声 波 检 测 分 析

图4 超生波检测通道

图5 1＃常压试验管各通道超声波检测结果

图6 2＃真空试验管各通道超声波检测结果

根据文献，管内混凝土填充密实度检测可采用人工敲击与超声波检测相结合的办法。

完成灌注试验后，在不同混凝土龄期情况下，对钢管混凝土进行了超声波检测，检测截面设定见图2，同一截面检测通道的设定见图4。

检测结果显示，1#常压管试验检测结果见图5，2#真空辅助管试验检测结果见图6，通道2、4情况介于通道1、3之间。超声波检测钢管混凝土时，波速越高，表明越密贴、浇筑质量越好。

1.总体情况

对比图5和图6中各相应通道情况，可见：2#管数据明显好于1#管数据，特别是通道3(水平方向)，因其不受重力影响，结果对比更加直观，其各龄期各测点波速基本保持4000m/s以上，证明真空辅助灌注效果明显好于常压灌注。数据统计方面，以17d龄期时为例，各截面通道测试波速大于4000m/s的，真空辅助灌注管为73%，常压管为18%，也证明真空辅助灌注质量相对较好。

由图6中,2#真空管6d龄期时的测试结果来看(1#因故未测6d龄期)，所有截面各通道方向超声波检测值大于4000m/s的超过90%，证明采用真空辅助工艺是能保证钢管混凝土灌注密实性的，也就是说灌注施工时是完全灌满的。此后，随时间的推移而逐渐产生脱空或脱粘，应是混凝土的收缩等影响造成的。

2.法兰位置情况

从2条管检测结果可以看出：2条试验管20米处(此处设置有1个内法兰)灌注总体质量均较其他位置差。尽管真空管灌注6d后检测波速各通道都达到4000m/s以上，证明真空灌注是能够将法兰位置灌满的，但在56d龄期时各通道波速都降到2000m/s，也证明内法兰确实对混凝土存在不利影响，施工中需高度重视，并增加辅助震动等措施。

剖 开 试 验 钢 管 检 查

图7 1-38分段局部脱空

图8 2-26分段明显水气通道

1.检查结果简要介绍

1#常压管。剖开钢管后，由于搬动而致使管内混凝土断裂，所以按断裂段进行分段编号，共39分段。剖开直观观察代表性分段如下：1-9分段，位于9m(其与试验管最低点水平距离，下同)位置，局部有小蜂窝;1-20分段，位于21m位置，有麻面，局部有水气通道;1-36分段，位于38m位置，无缺陷;1-37分段，38.5m位置，局部松散;1-38分段，位于42.5m位置，局部脱空，脱空范围：长70cm、宽10cm，见图7;1-39分段，位于44.7m位置，为最后一段，局部松散。

2#真空管。共38分段。剖开直观观察代表性分段情况如下：2-9分段，位于10m位置，有水气通道：宽10mm、深1mm;2-26分段，为典型节段，位于30m位置，水气通道变宽：宽10～20mm、深1mm，见图8;2-33分段，位于38m位置，有水气通道：宽20mm、深4mm;2-37分段，位于47.4m位置，有水气通道：宽85-160mm、深10mm;2-38分段，位于49m位置，最后一段，有水气通道：宽180mm、深10mm。

2.真空辅助灌注效用机理分析

总体上来说，对比1#(常压管)和2#(真空管)破开检查情况可知：0～38m范围内(试验管总长50m，对于1#管相当于从1-1到1-36分段范围内，对于2#管相当于从2-1到2-33分段范围内)，2#管管内混凝土外观明显好于1#管;38～50m范围内，各有不足：1#管出现局部脱空1处(1-38分段)，表面明显松散现象2处(1-37和1-39分段)，而2#管水气通道的宽度和深度都比1#管大。

2#(真空管)拱顶段存在明显贯通水气通道，从2-23分段(27m位置)开始，常压管存在部分水气通道但未贯通。这就能解释为何真空辅助灌注效果较好。水气通道的出现可以将常规压力灌浆中被关闭在管壁上部的空气抽走，从而避免了局部水气聚集现象导致的难以处理的局部缺陷，如小蜂窝(见1-9分段)、局部脱空(见1-38分段)，甚至局部明显松散(见1-39分段)等。这样，可以明确如下真空辅助灌注机理：管内空气逃逸角足够时，空气自然排出，不形成水气通道;空气逃逸角不足时，沿钢管内壁最高点，在混凝土和管壁之间产生水气通道，空气顺水气通道由真空泵抽走，从而避免脱空产生。

3.真空辅助灌注试验不足

通过剖开对比1#、2#管，发现采用真空辅助灌注存在不足之处，即2#管末端水气通道较宽。经过分析施工过程发现：2#管在灌注接近完成时，必须打开出浆管与真空泵之间的联管排出废浆，否则水泥浆等会被吸进真空泵致使其损坏。可见，实际上2#管非但没有实现全过程真空灌注，反而在出浆管即将出浆、最难灌满也最需要真空辅助的阶段被打开排浆管排浆，从而失去真空辅助，不但使得之前形成的水气通道断掉，还使得前端水气通道在负压状态下吸气，致使出浆管附近脱空反而比常规压浆工艺要大。因此，应在出浆管和真空泵之间增加一个大的储浆桶，使前端浮浆等废混凝土在保持负压状态下直接排完到储浆桶中，从而实现全过程真空辅助灌注施工。

实桥真空辅助灌注施工

 实 施 方 案 

图9 真空辅助三级连续泵送施工布置图

图10 合江长江一桥主弦管管内砼灌注顺序图

图11 实桥拱顶抽真空系统

根据每根管灌注方量、现场拌合能力、输送泵泵送能力等综合分析，最后采用了全过程真空辅助三级连续泵送施工工艺，见图9。灌注顺序见图10。

1.抽真空情况

以1#拱肋重庆岸一级泵送时抽真空为例，抽真空方量约为370m3，从正常大气压抽至-0.08Mpa负压状态，总共花费时间为24′4″，抽真空后可达到指定的-0.08Mpa真空度。随着灌注施工进行，真空度有所下降，当其低于-0.06Mpa时即开动真空泵进行补抽真空，使真空度基本保持在-0.08Mpa。

2.对试验工艺的改进措施

针对试验中未真正实现全过程真空灌注致使出浆管位置水气通道较宽较深的不足，在实桥灌注施工中采取了改进措施：在拱顶用空钢管作为储浆桶，可以储存4m3浮浆，它的应用，不必在灌注过程中打开排浆管口向外排浆，可以在保持负压的情况下直接将浮浆等排入储浆桶储存，从而保证了全过程真空辅助灌注混凝土工艺的真正实现。抽真空系统见图11(图片中拱顶横向钢管为储浆桶)。

储浆桶在灌注实桥第3条主管时开始使用，实践证明效果很好，这也是国际上第一次真正实现了全过程真空辅助灌注管内混凝土施工。

3.灌注情况

合江长江一桥共用42天完成了8根主弦管的混凝土灌注施工，均一次成功，最长用时19小时，最短用时13小时。

实 桥 施 工 效 果

表1 合江长江一桥超声检测钢管混凝土密实性综合判定标准

图12 1号主弦管龄期为2d时检测结果

1.评判标准及检测截面布设

①评判标准

依据已有的研究及该桥管径比，综合评判标准如表1所示。

②检测截面

测试截面号对应位置见图12，其中截面0为重庆岸拱脚截面(该处钢管内部无法兰只有混凝土，其他各测试截面因位于吊装节段间，钢管内部存在钢法兰)，截面1位于重庆岸第1吊装节段和第2吊装节段之间，截面9为拱顶合龙段跨中截面，截面17位于宜宾岸第1吊装节段和第2吊装节段之间。截面通道号设置和试验一致：1为竖直方向，3为水平方向，2和4为45°斜向。其中1#拱肋检测了所有截面，其余拱肋则抽检重庆岸拱顶附近的6～9截面外加其余一个截面(3号或1号)。

图13 1号主弦管龄期为49d时检测结果

图14 6号主弦管龄期为2d时检测结果

图15 6号主弦管龄期为25d时检测结果

2.检测结果

①敲击检查

灌注完成初凝后敲击检查，结果表明：主弦管管内混凝土全部灌注密实，以前难以灌注密实的法兰盘和拱顶部位没有发现脱空，与传统工艺相比有很大改善。

②超声波检测

1号主弦管(号数即为其灌注顺序)为未设置拱顶储浆桶时情况，当拱肋混凝土龄期为2d时，大多数截面各检测通道的超声波值在4500～4800m/s之间，灌注效果良好;而拱顶附近截面的竖直方向通道超声波检测数值偏低，结合敲击发现存在脱粘现象，见图12。当混凝土龄期超过49d后，大多数截面各通道的超声波检测值下降到3300～4000m/s之间，结合现场其他情况，初步推断应是钢管和混凝土之间出现了脱粘;脱粘后超声波检测值没有进一步降低，证明虽然出现脱粘，但并未进一步发展出现脱空现象，见图13。设置储浆桶之后，实现全过程真空辅助灌注，效果大大改善，如6号主弦管，其2d龄期检测波速均在3900m/s以上，25d均在3300m/s以上，见图14、15。

 经 济 性 能 

抽真空设备能很好地进行周转利用。合江长江一桥购置设备又相继用于两座特大桥的钢管混凝土灌注施工中，摊销下来，每方混凝土仅增加费用14.2元，投入较小，但混凝土质量获得了显著提升。

确 保 长 期 耐 久 性 能

图16 六景郁江大桥典型截面超声波检测结果

该工艺在合江长江一桥首次成功应用，获得了发明专利，并推广应用于云桂高速铁路南盘江特大桥(主跨416m劲性骨架钢筋混凝土拱桥)等，均保证了管内混凝土灌注密实。在此基础上，结合不收缩混凝土技术研究成果，将不收缩混凝土和真空辅助灌注技术结合起来，在广西六景郁江大桥(主跨280m钢管混凝土拱桥)和广西南宁至柳州改扩建来宾红水河大桥(主跨336m钢管混凝土拱桥)上应用，见图16，基本解决了管内混凝土脱空问题，确保了钢管混凝土拱桥的长期耐久性能。

全过程真空辅助泵送工艺在常规压力灌注管内混凝土的基础上，只添加了少量可周转应用的抽真空等设备，增加了少量工序，就保证了管内混凝土灌注阶段的密实性，对钢管混凝土拱桥的继续发展意义重大。

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