解析寒区隧道二衬混凝土冬季施工温控技术

中国科技期刊数据库 工业C
2015年23期 183
解析寒区隧道二衬混凝土冬季施工温控技术
张刚强
中铁十六局集团第三工程有限公司，江苏 苏州 215100
摘要：隧道二次衬砌施工是隧道工程的一项非常重要的工序。

寒区隧道二衬混凝土在冬季施工时，如果没有采取有效的温控措施，存在低温水泥水分不均匀、不充分的情况，则容易导致表面出现贯穿性裂缝、强度不达标等问题，为了保证建设进度和工程质量，必须解决工程在冬季施工可能遇到的问题。

文章研究了寒区隧道二衬混凝土施工温控技术。

关键词：寒区隧道；二衬混凝土；冬季施工；温控技术 中图分类号：U455.91 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)23-0183-02
1 工程概况
以某隧道为例，该隧道为一座左右线分离的四车道高速公路隧道，右线起止里程为K65+930～K67+335，总长度为1406m ；左线起止里程为ZK65+940～ZK67+335，总长度为1396m 。

隧道的长度较长，途经的地形非常复杂，山脉交错，且隧道区域的地下水类型为裂隙水和潜水。

2 高寒地区隧道工程冬季施工存在的问题
隧址区冬季漫长（一般情况下从本年11月初至来年3月31日），为满足工程进度要求，冬季必须进行隧道开挖、支护和衬砌混凝土施工。

在冬季进行隧道施工时，主要是对建筑材料、施工机械、施工场地以及施工人员等进行有效的防寒保温，尤其是混凝土的防寒保温，具体有以下几个方面：混凝土的防寒保温；洞外供水、排水管路防寒保温；钢材加工的防寒保温；空压机的防寒保温；施工机械防寒保温；生活区防寒保温；施工人员进出洞防寒保温。

3 混凝土冬季施工温控技术 3.1 围岩与衬砌的热传导机制
寒区隧道的围岩通常由空气、冰、孔隙水和岩石骨颗粒等组成，假设围岩为饱和状态，不考虑水分的蒸发作用，在冻融环境中，低温岩土介质热传导问题的控制方程为：
式（1）中：Q T 为混凝土水化热、外部热源；λef 为岩体等效导热系数；θL 为液态水的体积含量；L 为单位质量的水变成冰时释放的潜热值；ρL 为液态水的密度；T 为温度；C ef 为等效比热容。

围岩的孔隙率是恒定值，不随空间、时间和温度等的变化而变化；围岩由冰、水和骨架组成，且为均质，符合混合物理论的基本要求。

3.2 有限元计算
由于受到山体地热等众多因素的影响，隧道围岩受环境温度影响的区域通常集中在隧道口。

因此，有限元计算选择距洞口10m 左右的位置，同时，由于隧道温度场主要受壁面温度的影响较大，所以，选用平面二维模型代替三维模型。

3.3 边界条件和计算参数
隧道二衬混凝土施工时，隧道并没有贯通，隧道内的空气流动主要依靠射流风机，由于该风机的风力较小，所有，不考虑气体流速、糙率、流程和气量对流换热系数的影响。

岩石与空气的对流换热系数为15.0W/m 2
·K ，按照中交第二公路设计研究院提供的工程勘察报告，围岩骨架、混凝土、
冰和水的密度分别为2300kg/m 3、2500kg/m 3、917kg/m 3
、
1000kg/m 3
；围岩骨架、混凝土、冰和水的比热容分别为850J/
（m 3·K ）、950J/（m 3·K ）、2090J/（m 3·K ）、4180J/（m 3·K ）；围岩骨架、混凝土、冰、水的导热系数分别为3.00W/（m ·K ）、2.33W/（m ·K ）、2.24W/（m ·K ）、0.56W/（m ·K ）；温度垂直变化规律表现为每升高100m ，温度降低0.74℃。

混凝土放热的持续时间相对较长，但大部分热量集中在早期，尤其是在最初的3d 内放出，因此，以混凝土绝热温升的温度为混凝土的初始温度。

根据施工现场的具体状况，混凝土入膜温度为5℃，水泥的发热量Q 为330kJ/kg ，边界条件为隧道施工时洞内的温度为－10℃。

3.4 计算结果
计算结果包括以下3方面：①环境温度对加温时间的影响。

当环境温度为－20℃时，加温20h 能够满足二衬混凝土的养护要求；当环境温度为－15℃时，加温15h 能够满足二衬混凝土的养护要求；当环境温度为－10℃时，加温10h 能够满足二衬混凝土的养护要求；当环境温度为－5℃时，加温5h 能够满足二衬混凝土的养护要求。

②加温时间对围岩温度变化的影响。

隧道在－10℃的条件下开挖、暴露1个月后，围岩表面的温度发生了很大的变化，因此，在隧道二衬混凝土浇筑施工前，必须对围岩进行加热处理。

如果混凝土浇筑施工时的温度低于5℃，则会影响施工质量。

当围岩被加温一段时间后，围岩表面和内部的温度会升高，但在中间位置会形成低温层，这是因为对隧道表面加热后，热量迅速向围岩深处传递，形成“中间冷、两端热”的状况。

③确定合理的加温时间。

建筑混凝土前，对围岩加温的时间越长，围岩与二衬混凝土在施工后1个月内的最高温度也相对较高。

经实践证明，在混凝土浇筑施工前，对隧道表面加温10h ，能保证混凝土在24h 内的最低温度保持在5.3℃左右，这表明对隧道表面加温10h 就可满足混凝土浇筑施工的相关要求。

通过计算，该隧道二衬混凝土冬季施工的最佳施工温度为10℃，加温时间为10h ，能满足二衬混凝土现场施工的相关要求。

4 冬季施工防寒、保温措施
施工前，应预先收集当地历年气象资料，及时分析掌握天气预报的气象变化趋势及动态，便于提前安排施工，做好各种准备工作。

并根据本工程的具体情况，制定相应的冬季施工方案和防护措施，并在冬季来临前完成对相关管理和作业人员的冬季施工技术交底、质量控制措施交底及相关安全知识培训。

4.1 混凝土防寒、保温 4.1.1 混凝土保温
冬季混凝土施工主要是做好保温工作，而要做好保温工作，则必须确定保温方法。

本工程保温分洞外保温和洞内保温。

洞外主要是对拌合站进行保温，洞内主要是确保二衬浇筑工作面的温度。

4.1.2 洞外保温
对整个拌和站搭设暖棚进行包封，暖棚骨架为钢结构，棚顶及四周安设保温板及保温墙，并覆盖棚布密封，保证不漏风。

整个保温棚共设两个进出口（砂石料及混凝土罐车进出口），砂石料进出口采用活动推拉门，罐车进出口采用电动卷帘门（门外均加设长大门帘），并安排专人负责推拉和开启，最大限度减少棚内热量的散发。

棚内采用蒸汽锅炉与干式热风炉加热骨料及配料机，配料机四周用保温板进行包封，保证砂石料加热到10℃以上，暖棚内温度不低于5℃（当棚内温度低于5℃时采用加设电暖气满足要求）。

通过热工计算和对高原地区设备功效降低的综合考虑，
搅拌站暖棚配备的2t 蒸汽锅炉与热风炉供热能力为3000m 2
，搅拌用水加热亦采用2t 蒸汽锅炉。

4.1.3 洞内保温
要采取在洞口挂保温门帘，洞口段200m 范围内每50m
加设临时火炉进行加热，安排专人看管，并安装排烟管道将
混凝土工程
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烟雾排出洞外。

洞内浇筑工作面用电暖炉加热，台车面板上挂设电暖片，保证洞内温度不低于5℃。

为防止洞内输水管路受洞外的影响导致堵塞或不畅通，保证掌子面正常施钻，洞外输水主管路均采用保温材料包裹，高压水池亦采取覆盖保暖措施。

4.2 洞外供水、排水管路防寒、保温
为了防止冬季供水管道冻坏，影响洞内供水，需设高位水池的洞室，对高位水池顶部覆盖保温材料，洞外供水管线一律选用防寒海绵包裹，并用草绳缠绕，最后涂刷沥青保温，确保冬季施工要求。

另外，隧道下坡段具备洞内供水的施工集水坑做为高位水池，由洞内供水。

4.3 钢材加工防寒、保温
由于在负温条件下，钢筋及型钢的力学性能发生变化，屈服点和抗拉强度增加，伸长率和抗冲击韧性降低，脆性增加，加工性能下降。

为确保工程质量，钢筋及型钢加工采取以下方案：搭建钢材加工棚，设置保温门或保温门帘，棚内设火炉。

钢筋及型钢存放于加工棚内并进行覆盖，加工在棚
内进行。

且钢筋及型钢正式焊接前，先进行试焊，经检验合格后，再进行成批焊接。

焊接后的钢筋及型钢要垫高放置，使焊缝和热影响区缓慢冷却，焊接完毕后的钢筋及型钢待完全冷却后才能搬运往室外。

综上所述，寒区隧道二衬混凝土施工是一项复杂的系统工程，尤其是在冬季施工时，如果不能采取有效的温控措施，势必会影响二衬混凝土的施工质量，本文是在借鉴其他类似工程相关的成功经验基础上，根据工程实际，提出了较为全面地有关隧道冬季施工相关的方案保温措施，希望能对高寒地区其他隧道施工提供参考。

参考文献
[1]陶汉忠，白芬荷.简论寒冷地区隧道渗漏水施工处理[J].科技信息，2012(35).
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工现场的温度在不断地变化，施工的结果也很有可能受到温差的影响而不能达到预期的效果。

在温度较高时，应该用低温的水进行水泥的拌和，以降低水泥的温度；在低温时，应该做好预应力结构的保温措施，加强对预应力的防冷措施，延长拆除摸板的时间，以减少温差对预应力带来的负面影响。

第二，在预制构件与台座之间，应该按照规定填土隔离剂，防止在施工的过程中，两者之间发生粘结，不便于进行后续工作。

除此之外，隔离剂容易在浇筑时受到结构的破坏而失去原有的功能，所以在浇筑时，应该格外注意对隔离剂的保护，防止粘结。

4 结语
由于预应力技术在我国公路桥梁施工具体应用的时间
较短，但对于公路桥梁跨径的增大及施工中混凝土裂缝的产生都起到了积极的作用，而且在近年来预应力技术不断发展过程中也日益完善，已形成了一个较为完整的体系，在施工材料、设备及施工工艺等方面都取得了较好的效果。

参考文献
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