□ 陆涛 王超 刘佳

(中国新兴建设开发总公司,北京 100039)

 

        [摘要]泵送混凝土顶升回流施工技术是基于传统泵送混凝土顶升施工工艺，在泵管系统中加入若干个分流器，与需要注入混凝土的钢管柱一一对应。分流器由高压泵管同等材料制成，类似给排水系统中的“三通”。每个分流器设有三个管口，每个管口设有一片刀闸阀，控制混凝土流出和流入。通过控制分流器的三片刀闸阀的开闭位置可以控制混凝土在“三通”中的流向或起到分流作用。

 [关键词]泵送混凝土；顶升；回流；钢管混凝土

1.背景介绍

       传统泵送混凝土顶升施工工艺应用于工程建筑施工中。该工艺是在钢管柱的下部管壁上开一个与输送管尺寸相似的孔洞，用泵管将混凝土泵与该孔连接。混凝土在泵压作用下通过泵管被连续地自下而上注入钢管柱内，直至钢管柱内注满混凝土为止。

       这种传统的施工方法被应用于人民日报社报刊综合业务楼工程中。该工程主楼为带支撑的超高层钢框架结构，外框柱共有14根大直径圆形钢管柱,每根钢管柱分为11节，每节长度13.5米。钢管柱内浇注C60自密实无收缩混凝土，采用顶升法施工，顶升混凝土工程量约为1950m³。在泵管布置时,水平管道和垂直管道连接采取法兰连接形式。为便于装拆，楼层水平管道采取外箍式连接形式，采用普通密封圈封闭管道缝隙。顶升作业初期,单个施工段可顶升7个钢管柱,即每次顶升一根钢管柱的1节,单次顶升高度为13.5米。单个施工段耗时8小时。单段施工流程见图1。

图 1 单段顶升施工流程图

在实际施工中发现如下问题:

       1）在拆、接楼层水平管及清理被拆下后的泵管时，整管的混凝土被清除且不可再使用，造成浪费；

       2）清理泵管所遗留下来的混凝土被废弃在施工作业面上,待凝固后由人工清除破碎,成为建筑垃圾，带来垃圾清运及环境污染等问题。

       3）拆、接楼层水平管的时间十分有限。如果该过程操作的时间过长，极易引起混凝土在泵管中凝固或者造成混凝土流动性下降，从而导致泵管阻塞，造成巨大损失。

       4）拆、接楼层水平管时，工人需求数量较多,而混凝土顶升施工时，工人又处于闲置状态。劳动力使用效率较低，延缓了整体施工的时间。 

 2.设计和实施

       为解决上述问题，泵送混凝土顶升回流施工技术开始研发并得到应用。该技术已经获得国家级实用新型专利，发明专利申请已通过初审^[1]。

       泵送顶升回流系统是在现有顶升泵管系统中加入若干个带有刀闸阀的分流器，分流器由与高压泵管相同的材料制成，类似给排水系统中的“三通”。每个分流器设有三个管口，每个管口设有一片刀闸阀。施工中通过刀闸阀的开闭组合可以控制混凝土的流向，同时在施工楼层上安置一台以上空气压缩机推动泵管中的混凝土。由此，传统顶升施工中被废弃的混凝土可以通过合理的施工流程安排回流至钢管柱中。

       图2 显示的是一个带有刀闸阀的分流器。分流器的各个部分采用高强螺栓将其装配成形。分流器的水平管口用外箍卡连接泵管，竖直方向的管口通过泵管连接吹球管。刀闸阀由方板制成，其一端开有与管口大小相仿的圆口。值得注意的是回流口配备的刀闸阀称作接球阀。该阀板两侧开有两个圆口，其中一个设有一个截球横档，用于拦截海绵球。

图2分流器

    图三所示为吹球管剖面图，吹球管设置在分流器与钢管柱之间，在混凝土顶升时不发挥作用。仅在回流时，该管可以回吹海绵球。其优点是海绵球的安装操作方便。与传统施工方法相比较，该方法有效防止了安装海绵球时混凝土从泵管中溢出。

图3吹球管剖面图

    现在以三根钢管柱重组成的某施工面为例，介绍混凝土顶升回流施工方法。如图4所示，泵管系统中已连接了两台分流器和三台吹球管，最右侧的吹球管连接了一台空气压缩机。泵管系统在地面层上连接了一台高压混凝土泵。

图4泵送混凝土顶升回流管路示意图

施工按下列步骤进行（如图5所示）:

       1）进行常规的顶升作业，地面上的混凝土泵将混凝土顶升至钢管柱1#。

       2）当钢管柱1#顶升完毕之后，调整各个分流器上的刀闸阀以控制混凝土的流向。将海绵球装入吹球管中，并将空气压缩机与吹球管相链接。按照步骤2中混凝土流向所示，将1#钢管柱对应的一段水平管中的混凝土回流至钢管柱2#中。

       3）当海绵球被分流器中回流口一侧的截球阀拦截后，可以停止回流作业，再次调整刀闸阀的位置，然后对钢管柱2#进行常规的顶升作业。在进行顶升作业的同时，可以将多余的管路进行拆除。

       4）当顶升作业完毕之后，再次调整各个刀闸阀的位置，并将海绵球放入钢管柱2#边的吹球管中。再次连接空气压缩机后，可以进行第二次回流作业。

       5）当第二次回流作业完成后，可以对钢管柱3#进行顶升作业。顶升完毕之后，再将海绵球装入钢管柱3#边的吹球管，使用空气压缩机将整个管路中的混凝土回流至地面，进行回收利用。至此整个施工段的作业完成。

      

步骤1                                               步骤2

      

步骤 3                                            步骤4

 

                                                            

                     步骤5                                                                         

图5施工过程示意图

3.理论分析

       由于现行技术规范中并没有针对泵送混凝土顶升的专项规范^[2]，所以在顶升施工之前采用较为普遍的计算方法，即使用《混凝土泵送施工技术规程》进行理论分析。

       但是，《混凝土泵送施工技术规程》^[3]中并没有针对本施工方法中三通分流器压力折损的具体计算方式。如果牵强使用该技术规程中对于90°弯头的换算方式计算，则计算的结果超出可接受的范围。因此，该项目委托东南大学交通学院桥梁工程系对混凝土在分流器中流动的压力损失进行实验和模拟仿真分析^[6]。

试验从以下三个角度去考虑变量的影响：

1）同一标号，同一坍落度的泵送混凝土，其流速与压力损失的关系，考察流速对压力损失的影响；

2）同一坍落度下，不同强度泵送混凝土其流速与压力损失的关系，考察强度对压力损失的影响；

3）同一标号混凝土，不同坍落度下流速与压力损失的关系，考察坍落度对压力损失的影响。

       该试验以混凝土的流速、粘滞性和强度作为试验变量进行多组针对分流器的试验，测得混凝土在分流器中流动后得到的压力损失^[4][5]。

       有限元计算模型采用Laminar（层流）模型，混凝土采用herschel-bulkley材料模型，用以模拟一般宾哈姆体。入口边界条件选择velocity-inlet（速度入口），其值根据泵送混凝土在管道中的平均流速确定，出口边界条件选择pressure-outlet（压力出口），其值定为0。经过100次迭代计算出结果。

       通过有限元模型计算并对照试验结果发现，同一坍落度及同一流速下，随着混凝土强度的增加，压力损失将逐渐增大；同一混凝土强度等级，同一混凝土坍落度下，随着混凝土的流速增加，压力损失逐渐增大；同一混凝土强度等级，同一流速下，随着坍落度的增加，压力损失逐渐减小。

       以C60混凝土流经三通分流器的压力损失为例，其压力损失和流速的关系如图5所示：

图6C60混凝土压力折损线性分析

由图6所示，当C60混凝土流经分流器时，其压力折损最小值为35.1kPa(流速0.468m/s),其最大压力折损为93.3kPa(流速1.124m/s)。其余各点压力折损基本上线性分布在该两点之间。对于高强混凝土，由于水灰比小，使用胶凝材料量多，使得混凝土的粘性非常大。混凝土的粘滞性对折损压力的影响可以用常数表示，因此可以推导线性公式如下:

P?=74489.3V-5238.16                (1）

式中：PΔ为压力折损，V为混凝土的流速。

4.讨论分析

实验结果与《混凝土泵送施工技术规程》中90°弯头的换算压力损失（100kPa）差距较大。如果在施工中直接采用规程中对于90°弯头的压力换算值，虽然施工仍然安全，但是过于保守。实测结果表明，只有当C60混凝土的流速达到1.4m/s，时压力折损才接近100kPa。也就是说，相对于直径125mm的泵管而言，当混凝土流量达到61m³/h时，分流器对C60混凝土的压力折损才相当于《混凝土泵送施工技术规程》中90°弯头的换算压力损失。

人民日报社报刊综合业务楼工程采用顶升回流施工技术后发现，顶升过程中，分流器对于泵送压力的折损较小。由于混凝土顶升过程中经过的分流器数量较少，而且混凝土泵可以提供强大的泵送压力，因此分流器中90°弯头的压力损失对整体施工影响较小。

在回流过程中，由于空气压缩机提供的气压较小，所以需要合理布置回流的路线。空气压缩机所需要的最小压强，可以由公式（1）计算得到。

从经济角度分析，以人民日报社报刊综合业务楼工程为例。如果该工程从施工之初就使用该技术，可得到如表1所示明显的经济收益。

表1　新技术资金回收分析

Table 1Benefit Analysis of New Technique

 

人民日报社项目采用顶升回流术后相当于每1万平米节约资金6235元。假设全国城镇民用建筑的年混凝土用量约为70亿m³，而全国每年新建筑面积1.8亿㎡。估算每年使用约600万m³泵送高强高性能混凝土，相当于154万㎡新建筑使用泵送顶升技术。如按人民日报社项目施工比例，每年使用泵送顶升回流技术后可直接节约资金96万元，该金额未包括相应产生的环保效益。

5.结论

泵送混凝土顶升回流施工技术实施后，已经在人民日报社报刊综合业务楼项目施工中得到以下显著成效：

       1）泵管堵塞的发生次数明显降低。

       2）减少了传统混凝土顶升过程中因拆管及清理造成的混凝土浪费；

       3）缩短了单段混凝土顶升施工时间；

       4）减少了高空垃圾运输，降低了工程垃圾对环境的污染；

       5）劳动力使用效率提高，劳动力使用数量和劳动时间缩短。

       现阶段，分流器的使用已被拓展到除混凝土顶升施工以外的其他领域。混凝土施工的分流技术和多柱顶升多柱回流技术，也在开发之中。

参考文献：

       [1]陆涛.混凝土顶升回流系统及其施工方法:中国,201310131783.8[P]. 2012,05.

       [2]赵志缙. 泵送混凝土[M].中国建筑工业出版社, 1985,09.

       [3]JGJ/T 10-2011,混凝土泵送技术规程[S].

       [4]吴斌兴.高强高性能混凝土泵送粘阻力的现场检测 [J].建设机械技术与管理，2011.01：153-155.

       [5]吴斌兴.高强高性能混凝土泵送压力损失规律分析[J].混凝土，2011.01：142-144.

       [6]蔡超、黄辉.高层建筑泵送混凝土顶升回流工艺的开发与应用课题报告[R],东南大学,2013.3