朔州隧道冬期混凝土施工熱工計算

高恢軍

【摘 要】本文結(jié)合準(zhǔn)池鐵路朔州隧道施工實(shí)際，介紹冬期混凝土施工拌和物熱工計算原理及操作要點(diǎn)。對類似工程有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】冬期施工；混凝土；溫度控制；熱工計算

1 工程概況

神華準(zhǔn)池鐵路朔州隧道位于山西省朔州市境內(nèi)，全長11299m，隧道里程DK128+656～DK139+955，為雙線特長隧道。除出口段位于1200m半徑的曲線上，曲線進(jìn)入隧道352.6m余均位于直線段上。洞內(nèi)縱坡為3.0‰/5488m、-7.0‰/5800m、3.0‰/5m，基本呈對稱的人字坡，共設(shè)計進(jìn)、出口和5個斜井輔助施工，合同工期574d。工期緊，安全風(fēng)險大。全隧設(shè)有4座斜井和進(jìn)、出口6個作業(yè)工區(qū)掘進(jìn)施工，朔州隧道地處雁北高寒區(qū)，施工期經(jīng)歷兩個冬期，每年冬期從11月到次年4月初，歷時5個月。

2 冬期施工溫度控制要求

1）當(dāng)環(huán)境晝夜平均氣溫連續(xù)3天低于5℃或最低氣溫低于-3℃時，混凝土工程按照冬期施工方案組織施工；

2）混凝土拌合站環(huán)境溫度要在10℃以上；

3）混凝土入模溫度不低于5℃，攪拌時間較常溫延長50%，水加熱不應(yīng)超過80℃；

4）噴射混凝土?xí)r環(huán)境溫度、材料溫度不應(yīng)低于5℃。

3 混凝土熱工計算標(biāo)準(zhǔn)

按照《鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》（TZ204-2008），《鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南》，《關(guān)于進(jìn)一步明確軟弱圍巖及不良地質(zhì)鐵路隧道設(shè)計施工有關(guān)技術(shù)規(guī)定的通知》（鐵道部鐵建設(shè)[2010]120號文）對混凝土的各項要求，確定在不同環(huán)境溫度下的入模溫度：

1）根據(jù)確定的入模溫度，利用混凝土運(yùn)輸溫度損失計算公式，計算對應(yīng)于某一環(huán)境的混凝土拌和物的出機(jī)溫度；

2）然后利用混凝土拌和物出機(jī)溫度計算公式，計算混凝土拌和物溫度；

3）利用混凝土拌和物溫度計算公式，計算在混凝土原材料所能達(dá)到的溫度條件下混凝土拌和物溫度，混凝土拌和物溫度應(yīng)大于通過環(huán)境溫度計算得出的結(jié)果。否則，就應(yīng)加強(qiáng)混凝土原材料溫度保證措施，使混凝土拌和物溫度滿足要求。

4 熱工計算

4.1 混凝土運(yùn)輸溫度計算

根據(jù)朔州地區(qū)歷年氣象資料，冬期11月到次年3月份日平均氣溫，選擇環(huán)境溫度0℃和-15℃兩種情況，進(jìn)行混凝土拌和物熱工計算。混凝土采用灌車運(yùn)輸，先計算環(huán)境溫度為-15℃時，混凝土在運(yùn)輸過程中的溫度損失：

ts=（at1+0.032n）（T1-Ta）

式中ts——運(yùn)輸過程溫度損失；

a——溫度損失系數(shù)（hm-1），當(dāng)混凝土攪拌輸送車時，a=0.25；

t1——混凝土自運(yùn)輸至澆筑現(xiàn)場的時間（h）取0.3h；

n——混凝土運(yùn)輸次數(shù)，取2；

T1——混凝土拌和物的出機(jī)溫度（℃），按10℃時；

T2——混凝土拌和物經(jīng)運(yùn)輸至成形完成時的溫度（℃）即入模溫度；

Ta——運(yùn)輸時的環(huán)境溫度（℃），取-15℃。

所以，ts=（0.25×0.3+0.032×2）（T1+15℃）=0.139T1+2.085℃=3.475℃

按照施工實(shí)際，混凝土澆筑時入模溫度要求（10℃），T2≤T1-ts

（T2≤10℃-3.475℃=6.525 入模溫度要求 5℃≤出機(jī)溫度-損失溫度后6.525℃）

即：T1-0.139T1-2.085℃≥10℃（14.04-0.139×14.04-2.085=10.003反算而得）

所以0.861 T1≥12.085℃

T1≥14.04℃

取T1=14.04℃

如果按氣溫-20℃計算時，溫度損失為ts=0.139T1+2.78℃=5.85℃

出機(jī)溫度T1-0.139 T1-2.78℃≥10℃，（15-0.139×15-2.78=10.135反算而得）

T1≥15℃

取T1=15℃

4.2 混凝土拌和物出機(jī)溫度計算

根據(jù)以上計算，取T1=14.04℃

由公式：T1=T0-0.16（T0-Tb）

得：T0=（T1-0.16Tb）÷0.84=14.81℃

式中：T0——混凝土拌和物溫度（℃）

T1——混凝土出機(jī)溫度（℃），由第一步計算，取14.04

Tb——拌和機(jī)棚內(nèi)溫度（℃）應(yīng)采取保溫措施，取10℃

4.3 混凝土拌和物溫度計算

水加熱按60℃，水泥、砂石料溫度5℃，根據(jù)配合比每方混凝土用水泥、水、砂、石用量分別為417kg、143kg、616kg、1197kg，砂石料設(shè)保溫棚，實(shí)測含水量，砂子2%，石子1%，根據(jù)公式：

T0=[0.9（WCTC+WSTS+WgTg）+4.2TW（WW-PSWS-PgWg）+C1（PSWSTS+PgWgTg）-C2（PSWS+PgWg）]÷[4.2WW+0.9（WC+WS+Wg）]得T0=15.52℃>14.81℃（能滿足要求）

式中：T0——混凝土拌和物溫度；

WW、WC、WS、Wg——水、水泥、砂、石的用量（kg）

TW、TC、TS、Tg——水、水泥、砂、石的溫度（℃）

PS Pg——砂、石的含水率（%）

C1——水的比熱容（kJ/（kg·k ））

C2——冰的溶解熱（kJ/kg）

當(dāng)骨料溫度>0℃時，C1=4.2，C2=0

當(dāng)骨料溫度≤0℃時，C1=2.1，C1=335

同以上計算，當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時，T0應(yīng)大于11.92℃，

1）按照-水、水泥、砂石料的溫度分別為45℃、5℃、5℃，根據(jù)以上公式計算，得：T0=12.6℃>11.92℃，滿足要求。

2）按照-水、水泥、砂石料的溫度分別為80℃、0℃、0℃，根據(jù)以上公式計算，得：T0=12.18℃>11.92℃，滿足要求。

5 計算中的關(guān)鍵溫度

1）規(guī)定性溫度：混凝土進(jìn)入冬期施工的溫度要求，混凝土入模要求；

2）環(huán)境類溫度：當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度、攪拌棚溫度；

3）混凝土原材料溫度：水溫、水泥、砂石料溫度，采取什么保溫措施。

6 結(jié)束語

由以上計算可知，混凝土攪拌時所需水溫均滿足《鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南》要求拌和水的加熱溫度不宜高于80℃的條件，當(dāng)環(huán)境溫度在零度這一臨界點(diǎn)時，水泥、砂石料的溫度為5℃，水溫≥45℃就能滿足冬季施工混凝土的要求，水泥、砂石料的溫度為0℃，水溫要達(dá)到80℃才能滿足冬季施工混凝土的要求。當(dāng)環(huán)境溫度在-15℃，水泥、砂石料的溫度為5℃，水溫要達(dá)到60℃才能滿足冬季施工混凝土的要求?？梢姳ＷC水溫在45～80℃，水泥、砂石料的溫度在0～5℃這一范圍是保證混凝土拌和物溫度的一個關(guān)鍵。一般氣溫在-15℃的情況很少，現(xiàn)場對入模溫度進(jìn)行監(jiān)控量測，確保在10℃以上澆筑混凝土。隧道進(jìn)洞200m以后洞內(nèi)溫度在10℃以上。

準(zhǔn)池鐵路朔州隧道經(jīng)過2個冬期的混凝土施工，設(shè)有3個混凝土集中攪拌站，通過現(xiàn)場熱工計算，采取搭建保溫棚，確保了冬期混凝土施工質(zhì)量。

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[責(zé)任編輯：湯靜]