嚴(yán)寒地區(qū)沉管預(yù)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(yīng)用，沉管隧道在我國工程實例越來越多，其施工關(guān)鍵技術(shù)在不斷地完善和創(chuàng)新，預(yù)制方法從傳統(tǒng)的干塢法預(yù)制發(fā)展為工廠法預(yù)制。沉管管節(jié)的預(yù)制是沉管隧道施工的難點之一，在預(yù)制過程中，由于沉管管段體積大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、施工工藝復(fù)雜，沉管結(jié)構(gòu)容易因溫度、收縮以及約束等原因在預(yù)制階段就出現(xiàn)危害性裂縫。危害性裂縫的出現(xiàn)不僅會影響結(jié)構(gòu)的外觀，還會促進有害物質(zhì)侵蝕混凝土的速度，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞，削弱沉管混凝土結(jié)構(gòu)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(shù)在我國北方嚴(yán)寒地區(qū)首次得到了應(yīng)用，如何確保沉管預(yù)制冬期施工質(zhì)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(tǒng)的組成部分及作用，并結(jié)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(dāng)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(tǒng)用于預(yù)制混凝土梁的養(yǎng)護，著重闡述了智能蒸汽養(yǎng)護系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)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(gòu)件質(zhì)量、降低能耗，進行了混凝土預(yù)制構(gòu)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(diào)節(jié)系統(tǒng)裝置；劉鵬[4]以哈爾濱西客運站工程嚴(yán)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(jié)合沈陽地區(qū)成功的案例，對暖棚室內(nèi)溫度與混凝土強度增長兩者之間的關(guān)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(chǎn)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(jié)構(gòu)和耐久性的負(fù)作用[4]。沉管為自防水結(jié)構(gòu)，防滲要求高，冬期暖棚常溫[5]蒸汽養(yǎng)護技術(shù)成為首選，然而對于巨大的沉管結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的暖棚搭設(shè)難度大，蒸汽養(yǎng)護設(shè)備簡單，棚內(nèi)溫度難以控制，易產(chǎn)生溫度裂縫。

本文結(jié)合大連灣海底隧道沉管預(yù)制冬期施工，開發(fā)了針對大型混凝土沉管預(yù)制的暖棚智能蒸汽養(yǎng)護關(guān)鍵技術(shù)，并以大連灣海底隧道沉管E8S6節(jié)段冬期施工為工程應(yīng)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(gòu)成。直線形180 m標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)由8個22.5 m長節(jié)段構(gòu)成。沉管結(jié)構(gòu)斷面寬33.4 m，高9.7 m，底板及頂板厚1.4 m，側(cè)墻厚1.25 m，中隔墻厚0.6 m。管節(jié)采用干塢法預(yù)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(jù)項目工期安排，項目施工將歷經(jīng)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(yù)制冬期施工質(zhì)量成為了項目的重中之重。

根據(jù)項目設(shè)計及相關(guān)規(guī)范[7]要求，大連灣沉管預(yù)制混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)為：

1）澆筑前與澆筑期間，暖棚內(nèi)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(nèi)溫度在20℃±2℃；

4）混凝土內(nèi)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(gòu)造設(shè)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(jié)構(gòu)，暖棚寬度應(yīng)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(jié)構(gòu)暖棚，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，搭設(shè)所需人力資源和時間成本較高。本工程暖棚結(jié)構(gòu)依托沉管側(cè)模板，利用模板自身的承載能力及抗風(fēng)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(cè)模自身的移動功能，便于拆裝、移動作業(yè)。

2.1 暖棚結(jié)構(gòu)

沉管側(cè)模為片模結(jié)構(gòu)，懸掛在側(cè)模門架上，門架部分由2榀橫向主桁架梁及其支腿立柱、聯(lián)接桁架組裝而成。其主要結(jié)構(gòu)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(cè)模門架結(jié)構(gòu)圖（mm）Fig.1 Original side form of door frame structure(mm)

為滿足暖棚搭設(shè)條件，在模板門架主桁架上增設(shè)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(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 暖棚增加部分結(jié)構(gòu)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(cè)面保溫材料為雙層阻燃被，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上，阻燃被之間采用螺栓及魔術(shù)貼連接。暖棚結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 暖棚斷面結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Sectional structure of the greenhouse

2.2 澆筑構(gòu)造設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計，在非澆筑期間可關(guān)閉，以減小暖棚內(nèi)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(cè)部采用雙層阻燃被作為保溫材料，經(jīng)加權(quán)計算其平均傳熱系數(shù)為4.34 W/（m2·K）；暖棚內(nèi)溫度按20℃，環(huán)境溫度按-10℃考慮，根據(jù)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(shù)，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(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；tb為棚內(nèi)溫度，℃；td為棚外環(huán)境溫度，℃；α為暖棚散熱系數(shù)，當(dāng)風(fēng)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(yīng)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(yīng)量，kg。經(jīng)核算，6個暖棚采用2臺鍋爐供應(yīng)蒸汽，蒸汽供應(yīng)量滿足要求。

3 智能蒸汽養(yǎng)護系統(tǒng)

3.1 蒸汽管道布置

鍋爐產(chǎn)生蒸汽后通過預(yù)埋管道經(jīng)智能蒸汽養(yǎng)護系統(tǒng)輸入暖棚。9組蒸汽管道主要布置在暖棚底部及行車道內(nèi)模板上，均采用電磁閥控制，同時為了監(jiān)控棚內(nèi)不同區(qū)域的溫濕度，在暖棚內(nèi)側(cè)墻、頂部、行車道內(nèi)共布置了6組溫濕度傳感器，所監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)可無線傳輸至蒸汽控制系統(tǒng)，見圖5。蒸汽管道采用不銹鋼材質(zhì)，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(tǒng)布置圖Fig.5 Arrangement of the steam system

3.2 蒸汽養(yǎng)護智能控制系統(tǒng)

為實現(xiàn)蒸汽養(yǎng)護過程中精準(zhǔn)智能控制棚內(nèi)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(shè)置了一套專用蒸汽養(yǎng)護控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(gòu)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(tǒng)設(shè)備組成圖Fig.6 Equipment composition of steam curing intelligent control system

結(jié)合圖5、圖6可知，養(yǎng)護智能控制系統(tǒng)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(jù)相應(yīng)養(yǎng)護階段設(shè)定的參數(shù)相比較，判定溫度高低或升降快慢后由控制系統(tǒng)發(fā)出信號驅(qū)動相應(yīng)區(qū)域蒸汽管上的電磁閥控制相應(yīng)區(qū)域蒸汽量，從而達到控制暖棚內(nèi)不同區(qū)域溫濕度的目的。同時通過無線傳輸系統(tǒng)，可在遠程監(jiān)控平臺或手機APP查看溫控相關(guān)數(shù)據(jù)及輸入養(yǎng)護控制參數(shù)。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(zhì)量。

3.3 養(yǎng)護步驟與措施

1）準(zhǔn)備工作

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

2）澆筑前與澆筑期溫度控制

澆筑前棚內(nèi)采用75 kW暖風(fēng)機升溫，根據(jù)施工經(jīng)驗，外界環(huán)境溫度在-15℃以上時，采用10臺75 kW暖風(fēng)機可使暖棚內(nèi)溫度上升速度達到約1.5℃/h。棚內(nèi)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(fēng)機保持棚內(nèi)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(tǒng)，設(shè)定棚內(nèi)養(yǎng)護溫度為20℃。觀測混凝土內(nèi)部溫度，監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫峰的達到時間。

4）降溫期

混凝土溫峰后，暖棚內(nèi)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(nèi)溫度與該處混凝土表面溫度之差不超過20℃的基礎(chǔ)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(nèi)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(fēng)機向暖棚底部傳輸熱空氣等方式加快棚內(nèi)降溫速度。

在此階段，蒸汽養(yǎng)護系統(tǒng)對棚內(nèi)蒸汽是通過溫度變化調(diào)控，因頂部通常溫度較高，若長時間關(guān)閉蒸汽，應(yīng)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(yán)禁同時掀開兩端篷布。內(nèi)模拆除后立即恢復(fù)兩端篷布，在暖棚內(nèi)繼續(xù)安裝溫控標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護滿14 d方可拆除側(cè)模板及暖棚。

4 智能蒸汽養(yǎng)護實踐

以應(yīng)用該技術(shù)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(jié)語

依據(jù)側(cè)模門架式結(jié)構(gòu)架設(shè)暖棚頂部支撐結(jié)構(gòu)及保溫結(jié)構(gòu)，充分利用了模板自身的承載能力及抗風(fēng)能力，減小了暖棚體積，并依靠側(cè)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(shè)工作量及蒸汽耗用量。建立了智能蒸汽養(yǎng)護系統(tǒng)，系統(tǒng)通過傳感器、溫控PLC、電磁閥等裝置可自動監(jiān)控與調(diào)節(jié)暖棚內(nèi)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(xiàn)，保證了混凝土的強度與耐久性。結(jié)合大連灣海底隧道沉管預(yù)制冬期施工暖棚智能蒸汽養(yǎng)護技術(shù)，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(yù)制冬期施工的應(yīng)用實踐表明，該施工技術(shù)在大型暖棚搭設(shè)使用、棚內(nèi)溫度控制和混凝土強度增長方面均達到了預(yù)期目的，混凝土表面無裂縫，養(yǎng)護效果良好，對嚴(yán)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(dǎo)意義。