高寒地區(qū)混凝土拌和站保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

曹軍龍，陳 林

中交第二航務(wù)工程局有限公司第五工程分公司，湖北 武漢 430000

1 工程概況

項(xiàng)目所處位置北倚內(nèi)蒙古草原，屬陰山山脈東段到大馬山群山支系和燕山余脈交接地帶，地貌屬壩上、壩下過(guò)渡型山區(qū)。該區(qū)域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候中溫帶亞干旱區(qū)，項(xiàng)目區(qū)域海拔超過(guò)1800m。夏季雨量大、次數(shù)多；冬季寒冷漫長(zhǎng)，降雪量較大。年均降水量約424mm，且分布不均。全年無(wú)霜期平均115.9d，平均氣溫5.5℃，施工期最低氣溫為-40℃，最大凍土深度為193cm。

2 拌和站加熱、保暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冬季施工難點(diǎn)：冬季施工期長(zhǎng)，每年有7 個(gè)月處于冬季施工期；極寒期長(zhǎng)，每年有3 個(gè)月平均溫度＜-20℃；施工強(qiáng)度高，全天候施工，且沒(méi)有施工休息期，每天混凝土方量接近800m3，對(duì)工作穩(wěn)定性需求高。由于有3 個(gè)月極寒天氣溫度＜-20℃，且最低溫度為-40℃，考慮到極寒低溫出現(xiàn)時(shí)間有限，為保證施工強(qiáng)度和避免設(shè)計(jì)富余值過(guò)大，拌和站極限運(yùn)轉(zhuǎn)溫度設(shè)計(jì)為-34℃[1]。

2.1 拌和站供熱系統(tǒng)

（1）拌和站供熱鍋爐系統(tǒng)選型。鍋爐房采用CWNS2.1-85/60-Q 型0.7MW+2.1MW 燃?xì)忮仩t，在攪拌站保溫棚內(nèi)布設(shè)熱力管道，確保攪拌站內(nèi)溫度≥10℃。封閉式料倉(cāng)面積為6000m2，料倉(cāng)棚內(nèi)需要的熱量按其散熱量計(jì)算見(jiàn)式（1）：

式中：F 為料倉(cāng)棚面積，取6000m2；ρ 為料倉(cāng)棚傳熱系數(shù)，取1/0.15；β 為料倉(cāng)棚透風(fēng)系數(shù)，取1.6；Qd為料倉(cāng)棚設(shè)計(jì)溫度，取10℃；Qa為室外氣溫，取-34℃。經(jīng)計(jì)算，Q1=226961.19kJ/h。

考慮料倉(cāng)棚開(kāi)啟時(shí)的熱量損失，則Q1=1.2Q1= 272353.43kJ/h。

鍋爐供熱時(shí)，其供熱量按式（2）計(jì)算：Q2=2μqw （2）式中：μ 為鍋爐效率，一般取95%；q 為燃料發(fā)熱量，取平均天然氣36000 ～40000kJ/m3；w 為燃料消耗量，一般取70m3/h。經(jīng)計(jì)算，Q2=5.3×106kJ/h。

而且在額定工況下（出水溫度為85℃，回水溫度為60℃），該供暖系統(tǒng)所采用的0.7MW+2.1MW 燃?xì)忮仩t每小時(shí)所產(chǎn)生的熱量Q3為6.3×106kJ/h，0.7MW+2.1MW 燃?xì)忮仩t滿足使料倉(cāng)棚溫度由-34℃升溫至10℃的要求。

（2）料倉(cāng)結(jié)構(gòu)及供熱系統(tǒng)。項(xiàng)目部在拌和站附近選取向陽(yáng)面設(shè)置了砂石料備料區(qū)，儲(chǔ)料量按照冬季施工混凝土需求保證3 個(gè)月的用量。根據(jù)砂石料用量提前將備料區(qū)的砂石料倒運(yùn)到料倉(cāng)棚內(nèi)進(jìn)行化凍處理。

（3）上料臺(tái)供熱系統(tǒng)。在上料臺(tái)周邊布設(shè)暖通管道，利用暖通水管對(duì)上料倉(cāng)內(nèi)砂石料進(jìn)行保溫，暖通水管采用φ50mm 鋼管，間距為50cm，單面共布設(shè)4 根。

（4）皮帶機(jī)供熱系統(tǒng)。主要采用彩鋼板對(duì)四周進(jìn)行覆蓋，下部采用鋼梁支撐，防止砂石熱量散失，內(nèi)側(cè)兩邊安裝暖氣管道進(jìn)行加熱保溫。

（5）攪拌主機(jī)供熱系統(tǒng)。根據(jù)攪拌站的特點(diǎn)攪拌主機(jī)位于攪拌樓內(nèi)，攪拌樓四周需封閉嚴(yán)實(shí)，出料口加彩鋼板封閉，內(nèi)部采用暖通水管加熱，每次開(kāi)盤(pán)前先加熱機(jī)身。

2.2 冬季施工第一階段

第一階段冬季施工，根據(jù)項(xiàng)目計(jì)算和實(shí)測(cè)情況統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在外界環(huán)境-5℃的情況下，拌和站封閉環(huán)境下內(nèi)部氣溫為3℃左右，這時(shí)砂石料經(jīng)過(guò)3d 左右的堆放溫度可以控制在1℃右左。為保證混凝土入模溫度不低于5℃，需要確保混凝土出料溫度＞10℃（根據(jù)運(yùn)輸過(guò)程中熱損計(jì)算），此時(shí)僅需要對(duì)拌和用水進(jìn)行加熱，熱工計(jì)算如下。

（1）為保證混凝土入模溫度不得低于5℃，按下式求得出機(jī)溫度：

式中：T2為混凝土入模溫，℃；T1為混凝土出機(jī)溫度，℃；a 為溫度損失系數(shù)，當(dāng)用混凝土攪拌輸送車時(shí)，a=0.25；t 為混凝土自動(dòng)運(yùn)輸至澆筑成型完成的時(shí)間，h；n 為混凝土運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)，不二次裝車則為1；Tm為運(yùn)輸時(shí)的環(huán)境氣溫，℃。

取值：入模溫度T2取5℃；一般一車混凝土施工完畢需耗費(fèi)0.5h，則t 取經(jīng)驗(yàn)值為0.5h；n=1；Tm取最高溫度，Tm=-5℃；a=0.25。經(jīng)計(jì)算，出機(jī)溫度T1=6.9℃。出機(jī)溫度要求≥10℃，因此T1取值10℃。

（2）根據(jù)出機(jī)溫度可反算混凝土拌和溫度，見(jiàn)式（4）：

式中：T0為混凝土拌和溫度，℃；Tp為攪拌機(jī)棚內(nèi)溫度，℃。

取值：T1=10℃；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，當(dāng)外界環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，此時(shí)不對(duì)攪拌機(jī)棚和料倉(cāng)棚內(nèi)進(jìn)行加熱，棚內(nèi)溫度為4℃，故Tp=4℃。經(jīng)計(jì)算，混凝土拌和溫度T0=11.1℃。

（3）拌和站控制水溫。根據(jù)混凝土出機(jī)溫度反算拌和水溫，見(jiàn)式（5）：

式中：mw、mce、msa、mg分別為每立方米混凝土水、水泥、砂、石的用量，kg；c1為水的比熱容，kJ/（kg·K）；c2為冰的溶解熱，kJ/kg，當(dāng)骨料溫度＞0℃時(shí)，c1=4.2×c2= 0kJ/kg，當(dāng)骨料溫度≤0℃時(shí)，c1=2.1×c2=335kJ/kg；Tw、Tce、Tsa、Tg分別為水、水泥、砂、石的溫度，℃；wsa、wg分別為砂、石含水率，取值分別為2%、0%。

取值原則為考慮最不利因素。出機(jī)溫度T0取11.1℃，同時(shí)也滿足了出機(jī)溫度不得＜10℃的要求。水、水泥、砂、石的用量分別為160kg、345kg、754kg、1086kg；水泥運(yùn)進(jìn)平均溫度為45℃，每1.5d 運(yùn)進(jìn)一罐水泥，水泥出罐溫度為10℃左右，考慮天氣過(guò)冷不利因素，水泥溫度取5℃；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，當(dāng)外界環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，若不對(duì)砂石料進(jìn)行加熱，則砂石料溫度為1℃；砂、石實(shí)測(cè)最高含水率分別為4%、0%。將上述數(shù)據(jù)代入式（5），求得拌和水溫為47.6℃，可滿足出機(jī)溫度為10℃的要求。

2.3 冬季施工第二階段

當(dāng)溫度低于-5℃時(shí)，料倉(cāng)內(nèi)溫度下降，砂石料存在結(jié)塊情況，會(huì)影響混凝土拌和均勻性和施工性能，此時(shí)需要在加熱水的基礎(chǔ)上，加熱砂石料；當(dāng)溫度降低到拌和站設(shè)計(jì)的極限情況-34℃時(shí)，鍋爐房出水溫度將接近60℃，此時(shí)砂石料經(jīng)過(guò)加熱后的保溫溫度會(huì)＞0℃，拌和用水的計(jì)算和具體實(shí)施情況與第一階段一樣。以最低溫度-34℃為例，此時(shí)根據(jù)料倉(cāng)內(nèi)溫度檢測(cè)，隔間底板溫度為35℃，料倉(cāng)內(nèi)空氣溫度為10℃，初步估算將-34℃砂石料加熱到2℃需要的時(shí)間為1d，＜3d，符合要求。

實(shí)際施工過(guò)程中，由于料倉(cāng)內(nèi)車輛進(jìn)出和密閉性不嚴(yán)等問(wèn)題造成空氣流通較快熱損失較多，因此在砂石料加熱化凍過(guò)程中還需使用裝載機(jī)翻晾2 次，一般需要2d 才能使砂石料全部化凍，使其溫度達(dá)到2℃。石子的計(jì)算方式同砂，也滿足要求。

2.4 結(jié)論

對(duì)冬季施工期間的環(huán)境溫度和水溫等情況進(jìn)行驗(yàn)算，具體情況如表1 所示。當(dāng)外界環(huán)境溫度＞-5℃時(shí)處于冬季施工第一階段，此時(shí)拌和站內(nèi)溫度為4℃，砂石料溫度為1℃，只需要對(duì)拌和用水采用電加熱棒加熱到47.6℃即可滿足施工要求；當(dāng)外界環(huán)境溫度＜-5℃時(shí)處于冬季施工第二階段，此時(shí)需要采用鍋爐同時(shí)對(duì)拌和用水和砂石料進(jìn)行加熱，將砂石料加熱到2℃，拌和用水加熱到55℃，才能滿足混凝土的溫度要求。

表1 混凝土環(huán)境溫度所需水溫對(duì)照表 單位：℃

3 信息管理技術(shù)應(yīng)用

引入簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)集成和信息化手段，對(duì)拌和站工作區(qū)域和生活區(qū)域進(jìn)行溫度集中監(jiān)控和調(diào)整，顯著降低了冬季維護(hù)保養(yǎng)工作量，并能通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控提高管理效率，高效保證了冬季施工的穩(wěn)定性。

4 效果分析

混凝土拌和站冬季施工的順利完工，有力地保證了棋盤(pán)梁特長(zhǎng)隧道冬季的進(jìn)一步施工。棋盤(pán)梁特長(zhǎng)隧道及時(shí)順利貫通，保障了延崇高速（河北段）項(xiàng)目順利通車，獲得了各級(jí)政府和媒體的廣泛關(guān)注和好評(píng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

棋盤(pán)梁特長(zhǎng)隧道冬季施工的成功是拌和站加熱、保溫設(shè)計(jì)和措施到位的結(jié)果，整體系統(tǒng)內(nèi)容包括環(huán)境調(diào)查、數(shù)據(jù)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和信息化應(yīng)用等方面，為其他類似隧道施工提供了借鑒。