嚴寒地區(qū)沉管預制的暖棚智能蒸汽養(yǎng)護

申昌洲

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

混凝土沉管隧道已在世界越江和跨海工程中得到了較廣的應用，沉管隧道在我國工程實例越來越多，其施工關鍵技術在不斷地完善和創(chuàng)新，預制方法從傳統的干塢法預制發(fā)展為工廠法預制。沉管管節(jié)的預制是沉管隧道施工的難點之一，在預制過程中，由于沉管管段體積大、結構形式復雜、施工工藝復雜，沉管結構容易因溫度、收縮以及約束等原因在預制階段就出現危害性裂縫。危害性裂縫的出現不僅會影響結構的外觀，還會促進有害物質侵蝕混凝土的速度，從而導致混凝土結構破壞，削弱沉管混凝土結構整體的耐久性。隨著大連灣海底隧道的開工，意味著沉管隧道技術在我國北方嚴寒地區(qū)首次得到了應用，如何確保沉管預制冬期施工質量成為了重中之重。

王志武[1]介紹了蒸汽養(yǎng)護自動控制系統的組成部分及作用，并結合長沙灣特大橋高性能混凝土箱梁的施工闡述了高性能水泥混凝土箱梁蒸汽養(yǎng)護制度的確定流程；羅衛(wèi)華等[2]針對當前冬季低溫環(huán)境混凝土蒸汽養(yǎng)護存在的諸多問題，引入了智能蒸汽養(yǎng)護系統用于預制混凝土梁的養(yǎng)護，著重闡述了智能蒸汽養(yǎng)護系統相比于傳統燃煤蒸汽養(yǎng)護在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢；高陽春等[3]為了提高混凝土構件質量、降低能耗，進行了混凝土預制構件低溫養(yǎng)護的試驗，介紹了安裝的ZEK蒸汽養(yǎng)護窯（坑）自動控制調節(jié)系統裝置；劉鵬[4]以哈爾濱西客運站工程嚴寒期冬期暖棚法施工為例，具體介紹了高寒地區(qū)冬期暖棚法施工；張武華等[5]結合沈陽地區(qū)成功的案例，對暖棚室內溫度與混凝土強度增長兩者之間的關系進行分析，比較和探討混凝土防凍保護和養(yǎng)護各種方法的適用條件。汪東東等[6]提出高溫（70℃）蒸汽養(yǎng)護對混凝土的抗氯離子滲透性和抗凍性產生一定不利影響，在混凝土中摻礦粉可以減小蒸養(yǎng)對混凝土微觀結構和耐久性的負作用[4]。沉管為自防水結構，防滲要求高，冬期暖棚常溫[5]蒸汽養(yǎng)護技術成為首選，然而對于巨大的沉管結構，傳統的暖棚搭設難度大，蒸汽養(yǎng)護設備簡單，棚內溫度難以控制，易產生溫度裂縫。

本文結合大連灣海底隧道沉管預制冬期施工，開發(fā)了針對大型混凝土沉管預制的暖棚智能蒸汽養(yǎng)護關鍵技術，并以大連灣海底隧道沉管E8S6節(jié)段冬期施工為工程應用實踐，為今后類似工程施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

大連灣海底隧道全線長約5098 m，北起梭魚灣規(guī)劃20號路，向南通過隧道北岸接地點，隧道以沉管的形式下穿大連灣并在大連港三、四號碼頭之間登陸。其中，沉管隧道長3035 m，由1節(jié)135 m、12節(jié)180 m和5節(jié)145 m長的管節(jié)構成。直線形180 m標準管節(jié)由8個22.5 m長節(jié)段構成。沉管結構斷面寬33.4 m，高9.7 m，底板及頂板厚1.4 m，側墻厚1.25 m，中隔墻厚0.6 m。管節(jié)采用干塢法預制，全斷面澆筑工藝，單次澆筑1個22.5 m節(jié)段，混凝土方量約2700 m3，混凝土強度等級為C45（28 d），C50（56 d）。根據項目工期安排，項目施工將歷經3個冬期，約38個節(jié)段需進行冬期施工[7]。

大連地處歐亞大陸東岸、東北遼東半島最南端，屬典型的北方寒冷氣候區(qū)域，最冷月為11月份到次年的3月份，月平均溫度為-4.2℃，年極端最低氣溫為-21.1℃。在工期緊迫的條件下，如何確保沉管預制冬期施工質量成為了項目的重中之重。

根據項目設計及相關規(guī)范[7]要求，大連灣沉管預制混凝土溫度控制標準為：

1）澆筑前與澆筑期間，暖棚內溫度≥5℃；

2）暖棚升溫及降溫速度≤10℃/h；

3）混凝土終凝后開始蒸汽養(yǎng)護，在混凝土溫峰前保持棚內溫度在20℃±2℃；

4）混凝土內表溫差≤20℃，拆模前表環(huán)溫差≤20℃，拆模后表環(huán)溫差≤15℃。

2 暖棚構造設計

管節(jié)各節(jié)段采用流水施工，全斷面一次性澆筑工藝?？紤]到暖棚需容納模板結構，暖棚寬度應大于42 m、高度不小于12 m，且具備沿管節(jié)縱向移動功能。如此大體量移動暖棚若采用常規(guī)鋼結構暖棚，結構非常復雜，搭設所需人力資源和時間成本較高。本工程暖棚結構依托沉管側模板，利用模板自身的承載能力及抗風能力抵御暖棚帶來的額外荷載，暖棚的體積可大大減小，且借助側模自身的移動功能，便于拆裝、移動作業(yè)。

2.1 暖棚結構

沉管側模為片模結構，懸掛在側模門架上，門架部分由2榀橫向主桁架梁及其支腿立柱、聯接桁架組裝而成。其主要結構采用H250/H200/[32a/[25a型鋼及F100×6方鋼管組焊成型，見圖1。

圖1 原側模門架結構圖（mm）Fig.1 Original side form of door frame structure(mm)

為滿足暖棚搭設條件，在模板門架主桁架上增設7組縱向桁架（主要材料為H140×80及F50×4型鋼），5組橫向連接桿（主要材料為F50×4型鋼）及9列檁條（主要材料為Z180×70×20型鋼）作為暖棚頂部支撐結構，如圖2所示。

圖2 暖棚增加部分結構圖Fig.2 Increased part of the structure of the greenhouse

暖棚頂部的保溫材料為聚碳酸酯中空板，單塊尺寸6 m×3 m，安裝時在檁條間按2～3 m間距焊接F40×4方管作為支撐。暖棚4個側面保溫材料為雙層阻燃被，其結構為雙層阻燃帆布，并在中間填充巖棉。單條阻燃被寬度2 m、長度12.5 m，采用鋼絲固定在模板結構上，阻燃被之間采用螺栓及魔術貼連接。暖棚結構如圖3所示。

圖3 暖棚斷面結構圖Fig.3 Sectional structure of the greenhouse

2.2 澆筑構造設計

管節(jié)采用汽車泵澆筑，為滿足墻體及頂板澆筑時汽車泵管穿過暖棚頂部的要求，在暖棚頂部開設了62個澆筑窗口，窗口寬度為0.8～1 m、長度為1.5～4 m。澆筑窗口采用框-蓋結構設計，在非澆筑期間可關閉，以減小暖棚內溫度損失，如圖4所示。

圖4 暖棚頂部澆筑窗口布置及大樣圖（mm）Fig.4 Arrangement and detail drawing of pouring windows on the top of the greenhouse(mm)

2.3 暖棚耗能分析

暖棚寬42 m，長24 m，高13 m，暖棚體積為42×24×13=13104 m3；暖棚頂部采用聚碳酸酯中空板，側部采用雙層阻燃被作為保溫材料，經加權計算其平均傳熱系數為4.34 W/（m2·K）；暖棚內溫度按20℃，環(huán)境溫度按-10℃考慮，根據暖棚熱工計算公式[8]：

式中：Q為暖棚的耗熱量；Mb為表面系數，即暖棚冷卻面積與外部度量暖棚的體積之比，m-1；K為暖棚圍護結構的平均傳熱系數，W/（m2·K）；tb為棚內溫度，℃；td為棚外環(huán)境溫度，℃；α為暖棚散熱系數，當風速大于5 m/s時，α=1.5～2.0，本處取2.0；V為暖棚體積。

擬采用2個4.0 t/h鍋爐，蒸汽供應壓力約為0.4 MPa，則單個鍋爐提供的蒸汽熱功率為：

式中：Ia為蒸汽含熱量，kJ/h，查表得Ia=2738kJ/h；W為每小時蒸汽供應量，kg。經核算，6個暖棚采用2臺鍋爐供應蒸汽，蒸汽供應量滿足要求。

3 智能蒸汽養(yǎng)護系統

3.1 蒸汽管道布置

鍋爐產生蒸汽后通過預埋管道經智能蒸汽養(yǎng)護系統輸入暖棚。9組蒸汽管道主要布置在暖棚底部及行車道內模板上，均采用電磁閥控制，同時為了監(jiān)控棚內不同區(qū)域的溫濕度，在暖棚內側墻、頂部、行車道內共布置了6組溫濕度傳感器，所監(jiān)測到的溫濕度數據可無線傳輸至蒸汽控制系統，見圖5。蒸汽管道采用不銹鋼材質，在蒸汽管道上按照1.5～2 m間距、遠端間距小、近端間距大的原則布置蒸汽噴頭，確保蒸汽噴射均勻。

圖5 蒸汽系統布置圖Fig.5 Arrangement of the steam system

3.2 蒸汽養(yǎng)護智能控制系統

為實現蒸汽養(yǎng)護過程中精準智能控制棚內溫濕度，在升溫期控制升溫量及升溫速度，恒溫期保持溫度穩(wěn)定，降溫期安全、快速降溫，盡早達到拆模條件，設置了一套專用蒸汽養(yǎng)護控制系統。該系統主要由PLC（可編程控制器）、HMI（人機界面）、傳感器、云平臺、監(jiān)控平臺、電磁閥、手機APP構成，其硬件連接組成如圖6所示。

圖6 蒸汽養(yǎng)護智能控制系統設備組成圖Fig.6 Equipment composition of steam curing intelligent control system

結合圖5、圖6可知，養(yǎng)護智能控制系統工作原理為：由溫濕度傳感器測得的暖棚不同區(qū)域的溫濕度傳輸至PLC，PLC根據相應養(yǎng)護階段設定的參數相比較，判定溫度高低或升降快慢后由控制系統發(fā)出信號驅動相應區(qū)域蒸汽管上的電磁閥控制相應區(qū)域蒸汽量，從而達到控制暖棚內不同區(qū)域溫濕度的目的。同時通過無線傳輸系統，可在遠程監(jiān)控平臺或手機APP查看溫控相關數據及輸入養(yǎng)護控制參數。整個溫控過程由PLC自動控制，有效地提升了養(yǎng)護施工效率和質量。

3.3 養(yǎng)護步驟與措施

1）準備工作

在鋼筋籠內部埋設溫度傳感器，配備無線發(fā)射設備，便于實時觀測混凝土內表溫度。對暖棚及蒸養(yǎng)系統進行試運行，確保蒸養(yǎng)系統可正常工作。

2）澆筑前與澆筑期溫度控制

澆筑前棚內采用75 kW暖風機升溫，根據施工經驗，外界環(huán)境溫度在-15℃以上時，采用10臺75 kW暖風機可使暖棚內溫度上升速度達到約1.5℃/h。棚內溫度到達5℃后，開始混凝土澆筑，混凝土澆筑期間采用5臺75 kW暖風機保持棚內溫度在5℃以上。

3）升溫與恒溫期

在混凝土終凝后開啟蒸汽養(yǎng)護系統，設定棚內養(yǎng)護溫度為20℃。觀測混凝土內部溫度，監(jiān)測混凝土內部溫峰的達到時間。

4）降溫期

混凝土溫峰后，暖棚內溫度也進入降溫階段，降溫階段的溫度控制原則是在保持棚內溫度與該處混凝土表面溫度之差不超過20℃的基礎上逐步降低該區(qū)域暖棚溫度，以盡快達到拆模要求。施工時，操作人員每4 h通過計算機遠程觀測混凝土表面溫度并按照溫控原則遠程輸入暖棚控制溫度。

因本階段混凝土水化熱持續(xù)散發(fā)，實際降溫較為緩慢，考慮到暖空氣上升富集于頂部，可在保持棚內與混凝土表面安全溫差的情況下通過打開澆筑窗口、采用風機向暖棚底部傳輸熱空氣等方式加快棚內降溫速度。

在此階段，蒸汽養(yǎng)護系統對棚內蒸汽是通過溫度變化調控，因頂部通常溫度較高，若長時間關閉蒸汽，應及時往頂板表面噴灑與混凝土表面溫差小于15℃的溫水并覆蓋薄膜保濕。

5）拆模與后期養(yǎng)護

因拆模需掀開暖棚兩端篷布，將進一步降低暖棚溫度。因此在混凝土表面溫度下降至與外界溫度差值小于15℃時進行拆模工作（此時混凝土強度一般已達到70%抗凍強度以上），拆模時嚴禁同時掀開兩端篷布。內模拆除后立即恢復兩端篷布，在暖棚內繼續(xù)安裝溫控標準養(yǎng)護滿14 d方可拆除側模板及暖棚。

4 智能蒸汽養(yǎng)護實踐

以應用該技術的大連灣海底隧道沉管E8S6節(jié)段冬期施工為例，該節(jié)段混凝土澆筑在2021年1月3日開展，持續(xù)約37 h，室外溫度為-15～-6℃，在澆筑后52～60 h到達溫峰后降溫，在216 h達到拆模條件開始拆除模板，拆模后無危害裂縫，強度符合要求，如圖7所示。

圖7 E8S6節(jié)段冬期施工溫度及混凝土強度圖（以頂板為例）Fig.7 Winter construction temperature and concrete strength of section E8S6(take the roof as an example)

5 結語

依據側模門架式結構架設暖棚頂部支撐結構及保溫結構，充分利用了模板自身的承載能力及抗風能力，減小了暖棚體積，并依靠側模暖棚移動功能，在滿足暖棚使用功能的情況下大大減小了暖棚的搭設工作量及蒸汽耗用量。建立了智能蒸汽養(yǎng)護系統，系統通過傳感器、溫控PLC、電磁閥等裝置可自動監(jiān)控與調節(jié)暖棚內溫度，保證了混凝土水化熱的平穩(wěn)釋放，防止了冬季溫度驟降等冷沖擊影響，減少了溫差裂縫、收縮裂縫的出現，保證了混凝土的強度與耐久性。結合大連灣海底隧道沉管預制冬期施工暖棚智能蒸汽養(yǎng)護技術，提出了適用于大型沉管管節(jié)冬期施工方法。暖棚蒸汽養(yǎng)護法在大連灣海底隧道沉管預制冬期施工的應用實踐表明，該施工技術在大型暖棚搭設使用、棚內溫度控制和混凝土強度增長方面均達到了預期目的，混凝土表面無裂縫，養(yǎng)護效果良好，對嚴寒地區(qū)混凝土施工，特別是對大型沉管混凝土冬期施工具有借鑒與指導意義。