港珠澳大桥超大断面预制沉管混凝土温控监测预警系统开发及应用.pdf

2 0 1 4年第 9期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i ng 文章 编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 0 1 1 0 4 港珠澳大桥超大 断面预 制沉 管混凝 土温控 监测 预警 系统 开发及应 用 李进辉 ， 刘可心 一 ， 黄 俊 一 ， 焦运攀 一 ， 徐文冰 ( 1 中交 武汉 港湾工程设计研究院有 限公 司 ， 湖北 武汉4 3 0 0 4 0 ； 2 长大桥梁建设 施工技术交通行业重点实验室 ， 湖北 武汉4 3 0 0 4 0 ) 摘要 ： 港珠 澳大桥 超 大断 面预 制沉 管混 凝 土控 裂 要 求 高、 难 度 大 。预 制 沉 管采 用 工 厂预 制 ， 自动 化程 度 高 、 生 产连 续不 断 ， 对 温控 监测 弄 口 控 制 时效性 及精 确 性要 求极 高。为 解 决 上述 难题 ， 在控 裂专 题 研 究 的 基 础上 确定 现场 温控 监 测关键 参数 ， 进 行 了可视 化 温控监 测预 警 系统 的 开发 ， 经过模 型 试验验 证后 在 港 珠澳大桥预制沉管中应用。现场应用效果表 明： 研发 的温控监测预警 系统与沉管工厂化预制的 自动化 需 求相 匹配 ， 满足 了时效 性要 求 ， 实现 了预 制沉 管 温度 、 湿度 、 侧 压 力 自动化 监 测 和 控 制 ； 混凝 土 各 项监 测参数均满足温控标 准的要求， 预制沉管管节没有 出现裂缝。 关 键词 ： 超 大 断面 预制 沉 管 混凝 土 控 裂 监 测 系统 应 用 中图分 类号 ： T U 5 2 8 3 2 ； T U 5 2 8 3 3 文献 标识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 4 0 9 0 4 港 珠 澳大桥 岛隧工程 是 我 国交通 建设 史 上技术 最 复 杂 、 标准 最高 的海 中隧道 工程 ， 也是 世界 范 围 内已建 和在建 沉 管 隧 道 中长 度 最 长 、 埋 置 最 深 、 单 孑 L 跨 度 最 宽 、 单节柔性管节最 长 、 规模最大 的海底公路 沉管隧 道 。岛隧工程设计使用年 限为 1 2 0年 ， 其沉管结构具 有 以下特 点 ： 沉 管结 构 处 于 I类 碳 化 和 类 海洋 氯 化物腐蚀环境条件下 ， 海洋氯化物腐蚀环境作用 为控 制 因素 ， 其 作用 等 级 为严 重 ( D级 ) 至非 常严 重 ( E 级) ， 腐蚀环境非常严酷 ， 一旦 出现裂缝会加速氯盐侵 蚀危害 ； 沉管结构在海平面以下 4 0多米深度 ， 在长 期水压条件下， 表面裂缝可能连通、 延伸 ， 成为渗水通 道 ， 导致其 自身抗渗能力降低 ， 加速氯盐侵蚀 ； 沉管 混凝 土 结构 长埋 于水 下 ， 结构 无法 修 复 ， 一 旦 出现腐 蚀 将极大影响结构使用寿命 ； 沉管结构采用 自防水设 计 ， 无外包防水 ， 对 防裂防渗要求非常严格 。此外 ， 作 为具有国家战略意义的世界级跨海通道 ， 其社会影响 和受关 注 度极 高 。 因此 ， 预 制 沉 管 混凝 土不 允 许 出现 危 害性 裂缝 。 港 珠 澳大 桥 岛隧 工 程 预制 沉 管采 用 工 厂 化 预 制 ， 自动化 程 度高 ， 生 产连续 不 断 ， 对 温控 监测 和控 制 时效 性及精确性要求极 高。传统温控采用( 温度 、 湿度 、 应 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 1 2 0 3 ； 修回 日期 ： 2 0 1 4 0 4 2 2 基金项 目： 国家科技部科研 院所技术 开发研 究专项 ( 2 0 1 1 E G 1 2 4 2 7 6 ) 作者简 介 ： 李进 辉( I 9 8 2 一) ， 男 ， 湖北武汉人 ， 工程师 ， 硕士。 变 、 压 力 ) 传感 器 +人 工 巡检 +人 工 记 录 +E x c e l 报 表 的工 作方 式 ， 在 工作 效率 、 工 作准 确性 上 已经不 能满 足 工厂化施工的管理要求。应用计算机技术和数字化测 量技 术 ， 满 足数 据从 采集 、 统 计 、 分 析 、 预警 一体 化处 理 要求 ， 实现数字化 、 自动化的施工管理 ， 是大体积混凝 土温 控技 术发 展 的 趋 势 。因 此 ， 需 要 开 发 一个 全 面 覆 盖预 制各 环节 、 全 过程 的可 视化 温控 监测 预警 系统 ， 实 现预 制沉 管混 凝 土 自动化 、 专业 化 的裂缝 控制 ， 有效 保 证沉管质量 ， 满足港珠澳工程建设的需要 。同时 ， 高度 自动化 、 智能化的控制系统将填补我 国交通行业工厂 法 预制 构件 温控 研究 领 域 的空 白 ， 对 提 升 我 国类 似 工 程 的施 工 技 术 水 平 具 有 十分 重 要 的 现 实 意 义 和 社 会 效 益 。 1 现场温控监测关键 参数确 定 1 1总体 思路 因材 料性 能 和环 境 因 素 的 不确 定 性 ， 现场 控 裂 参 数 的确定 仅依 靠仿 真 计 算 是 不 够 的 ， 需要 经过 室 内和 现场 试验 并根 据 现场 实 际 需 要 ， 经 过 多 次 反演 和校 核 计算的循环才能最终确定。温控监测关键参数确定流 程 如 图 1 。 1 2控 裂方 案 根 据前期 研 究成 果 ， 对 优 化 后 的沉 管 混凝 土结 构 进行温度应力仿真分析， 在混凝土配合 比初步选定， 抗 裂安全系数 1 4条件下 ， 确定不 出现有害温度裂缝 的 1 2 铁道建筑 真分 温控 标准 二 温控措旋 - l 图 1 温控监测关键参 数确 定流程 混凝土浇筑温度 、 最高温度 、 内表温差 、 降温速率等温 控 指 标 。 在温度 应 力仿 真 分析 的基 础 上 ， 为 满 足 温 控标 准 的要求， 现场采取优选原材料、 优化配合 比、 控制原材 料 温 度 、 片冰 和制冷 水 拌 合 混 凝 土 、 喷 雾 降 温 和养 护 、 自动 化温度 监 测等 综 合 温控 措 施 ， 控 制 大 体 积 混凝 土 温度裂 缝 。 。 。 1 3模 型试 验 验证 根据前 期研 究成 果 提 出的沉 管混凝 土 配合 比进行 室 内模 拟试 验 。具 体 做法 是 ， 试 验 室 内浇 筑 一定 尺 寸的混凝土块体， 检测块体混凝土相关力学和热学性 能 ， 包 括抗 压强 度 、 抗 拉 强度 、 弹性 模量 、 混凝 土温 升 和 升温速率等 。依据检测结果 ， 通过仿真反演分析 ， 修正 和 调 整 仿 真 分 析 计 算 参 数 取 值 ， 提 高 仿 真 计 算 的 可 靠性。 在室内模拟试验 的基础上 ， 结合足尺模型试验 ， 开 展控裂关键技术参数的研究 ， 扩大控裂参数的涵盖范 围 ， 将 环境 温 度 和湿 度 对 沉 管 控 裂 的影 响 考 虑 在 内。 检 验 足尺模 型 的温度 、 厂房环 境温 度和 湿度 、 养护 区温 度 和 湿度 、 生产 过程 中沉 管 的应力 变化 等 ， 并 对获 取 的 参数进行仿真反演分析 ， 进一步修正 和调整仿真分析 计算参数取值 ， 使仿真计算结果最大程度地接近实际 情况。同时， 依据修正后的仿真模型 ， 确定现场控制的 温 控 指标 。 1 4关键 参数确 定 结合现场施工的具体情况 ， 基 于前期专题研究成 果 ， 经过模型试验验证 ， 优化确定现场温控监测关键参 数 。关键 参 数包 括温 度 、 湿度 、 压力 三大 类 。 1 4 1温度 控 制参数 包 括混 凝 土各种 原 材料 温度 以及搅 拌 站混凝 土 出 机 温 度 、 混 凝 土浇筑 温 度 、 沉 管 混 凝 土 内部 最 高 温度 、 厂 区环境温度 、 养护温度等。 1 ) 原材 料 温 控 标 准 。根 据 现 场 条 件 ， 对 水 泥 、 粉 煤灰 、 矿粉 、 骨料等原材料温度提出了一定的要求 。允 温度 控制参数 原材料温度 混凝土 出机 温度 混凝土浇筑 温度 内部最高温 度 厂房环境温 度 养护温度 温度 控制参数 预制 区湿度 养护 区湿度 凝 结状态参数 沉管混凝土 侧压力 现场混凝土凝结时间 许原 材料 温 度 出 现 一 定 程 度 的波 动 ， 见 表 l 。但 是 最 终浇 筑温 度必 须满 足温 控设 计要求 。 表 1原材料温控标 准 2 ) 混 凝土 温控 标 准 。 混 凝 土 浇筑 温 度 控 制 ： 高 温季 节 ( 月 平 均 温 度 2 5 ) 浇 筑 温 度 2 6 ， 常 温 季节 ( 月平 均 温 度 1 82 5 ) 浇 筑 温 度 2 3 ， 低 温 季节 ( 月平均温度 1 8 c I = ) 浇筑温度 2 0 o C； 最高 温度控制 ： 高温季节沉管 内部最 高温度 7 0， 常温 和低 温季 节沉 管 内部最 高 温 度 6 5 ； 混 凝 土温 差 控制 ： 混 凝土最 大 内 、 表 温 差 2 5 ， 混 凝 土 表 面与 环 境 温 差 1 5 ， 养 护 水 与 混 凝 土 表 面 温 差 1 5 o C； 降温速率控制 ： 拆模后 3 d 。 1 4 2 湿度控 制参 数 1 ) 浇 筑完 后所 有 裸露 面 覆 盖 土工 布 保 温 ， 并 保 持 湿 润 ； 2 ) 拆 模后 进入 养 护棚 喷 雾 养 护 ， 养 护 区相 对 湿 度 控制 在 8 5 以上 ； 3 ) 预 制沉 管拆 模后 湿养 护 时间不 少 于 1 4 d 。 1 4 3凝 结状 态参 数 1 ) 控 制侧 压力 在 合理 范 围 ， 即保 证其 不 超 过 模 板 设计 承压 力 ； 2 ) 混 凝 土初凝 时 间为 1 01 5 h ， 防止 混 凝 土 出现 冷缝 。 2 温控监测预警 系统开发 2 1系统基本 构 架 根据 系 统 的总体 设 计 思 想 和原 则 ， 结 合 分 布式 应 用及 数 据 库技 术 ， 系 统采 用 三层 C S架 构 。后 端 为数 据 存 储 层 ， 采 用 O r a c l e数 据 库 。 中 间 层 为 应 用 逻 辑 层 ， 提供应用服务。接人层分为数据采集层 和展现服 2 0 1 4年第 9期 李 进 辉 等 ： 港珠 澳 大 桥 超 大 断 面 预 制 沉 管 混 凝 土温 控 监 测 预 警 系 统 开 发 及 应 用 1 3 务层 ， 以客户 端 的形式 分 布 ， 具 体包 括桌 面 系统 数据 录 入 、 多视角综合查询终端 、 数据 自动采集接 口程序 、 报 表打印服务等。 系统组 成分 硬件 和 软件 两个 部分 。硬 件包 含数 据 采集设备、 数据传输设备 、 数据存储设备 、 数据输出设 备 ， 软件主要功能为数据存储 、 分析计算 、 综合查询 、 形 象展示 、 生成报表 、 温控预警 ， 同时提供数据服务 ， 通过 数 据接 口连 接其 他 系统 ， 见 图 2 。 圈圜圆圈圈 监 测 系 统 l l 监 测 系 统 l I 监 测 系 统 I l 监 测 系 统 I l 监 测 系 统 I 各种原材料 l I 新拌混凝土l l 预制区 温度、 I I 沉管温度、I l 养护区温度、 温度数据 I I温度数据 l l 湿度数据 I I 侧压力数据I l 湿度数据 囱豳囱豳囱 计 算 程 序 l l 监 控 程 序 I I度 监 控 程 序 l l 理 程 序 l l度 监 控 程 序 I l 蠢 瓣墨 l I 搅 拌站 I l 预 制 区 温 湿l I 浇 筑 度和I l 预 葡 区 温 湿I 篆荔 加 冰 系 统 l l 度控 制 设 备l I 速度 控 制 l l 度 控 制 设备I 图 2混凝土温控监测 系统功 能框 架 2 2系统功 能简 介 依 据前期 温 控监 测 参 数 ， 开发 可 视 化 温 控 监 测 预 警系统。系统依托控制平 台软件 ， 自动采集监测系统 数据 进 行计 算机 分 析处 理 ， 输 出实 时 的动 态 可 视 化 数 据 ， 并具有报警 、 控制或提 出控制建议功能 ， 实现温度 应 力 自动化 监测 和 控 制 。软 件 包 括 系 统 管 理 、 基 础 数 据 维护 、 数 据采 集 、 综 合 查 询 和 温 控 预警 功 能 。此 外 ， 软件 还需要有 一定 的抗 突发事件 和容 错能力 ， 例如 出现 突然停 电 、 某 监测点短路 、 数据异 常等情况 的 自动处理 。 3现 场 监 测 及 应 用 3 1现场 监控 关键 点 结合温控监测关键参数控制要求 ， 现场监测关键 控 制 点包 括 以下几 个方 面 ： 1 ) 对 原材 料温 度 检查 和控 制 ， 不 合 格 则计 算 是 否 可 以通过 增加 加 冰量解 决 ， 不 能解决 则不 允许 浇 筑 。 2 ) 对 混凝 土浇 筑 温 度 的控 制 ， 监 测 各 原 材 料 温度 和混 凝 土温度 ， 一 旦发 现浇 筑 温度控 制 异常 ， 及 时反馈 信息 ， 作为加冰量调整 的依据 ； 加冰不能解决则需要密 切关 注 最高 温度 和成 品是 否 开裂并 注 意加 强养 护 。同 时 总结 经验 ， 寻求 下 一次 浇筑 前 的改进 措施 。 3 ) 最 高 温度 检查 和 控 制 ， 发 现不 合 格 则 需 分 析 原 因 ， 寻求 下 一次 浇筑 前 的改进 措施 ， 考 虑浇 筑温 度是 否 要继 续 降低 。 4 ) 对 预 制 区温度 和湿 度 控 制 ， 预制 区温 湿 度 反 馈 信 息作 为预 制 区温 湿度控 制设 备 的控 制参 数来 源 。 5 ) 对 养 护 区 温 度 和 湿 度 控 制 ， 监 测 养 护 区 温 湿 度 ， 发现 不 满足要 求 ， 即调 整 养 护 区喷 雾 装 置 水 温 、 喷 采集 l 输入 l 处理 l 输 出 l 控 制 水量 、 喷水 区域 和时 间等 。 6 ) 凝 结 状 态 参 数 控 制 ， 控 制 侧 压 力 在 合 理 范 围 ， 既保证其不超过模板设计承压力。同时检测现场混凝 土凝 结 时 间 ， 防 止混凝 土 出现 冷缝 。 3 2 现 场应 用 通 过前 期 足尺模 型试 验对 可 视化 温控 监测 预警 系 统 进行 了验 证 ， 经过 仿真 分析 计算 和反 演 ， 全 面验证 了 前 期 制定控 裂 方案 及 现场 监 控 参 数 的合 理 性 ， 同时 证 明 了监测 系统 的稳 定 性 和 可 行 性 。在 足 尺 模 型 试 验 验证 的基 础 上采 用研 发 的可视 化温 控监 测 预警 系统 对 港 珠澳 大 桥 预 制 管 节 实 施 现 场 监 控 ， 见 图 3 。其 中 前两 个管 节监 测结 果见 表 2 。 图 3沉管 预制 温度监测系统界面 从表中监测结果和预制沉管拆模后外观( 图 4 ) 可 以看 出 ： 通 过现 场采 取 的温 控措施 ， 混 凝 土各项 监测 参 数均满 足 温控标 准 的要 求 ， 预 制 沉 管 管节 没有 出现 裂 缝 。可视 化温 控监 测预 警 系统 与沉 管工 厂化 预制 的 自 动化需 求 相 匹配 ， 满 足 了时 效 性 要 求 。实 现 了预 制沉 l 4 铁道建筑 S e p t e m b e r ， 2 0 1 4 图 4预制沉管管节拆模 后外观 管温度、 湿度 、 侧压力 的 自动化监测 和控制 ， 有效保证 了沉管的质量， 为港珠澳 大桥预制沉管耐 久性 实现提 供了有利的保障。 4 结 论 1 ) 基 于前期 专题 研 究 成果 ， 确定 了现 场 裂缝 控 制 关键参数及其标准 ， 包括温度 、 湿度 、 压力三大类。其 中温度 包括 混凝 土 各种 原 材 料 温 度 、 搅 拌 站 昆 凝 土 出 机 温度 、 混 凝土 浇筑 温 度 、 沉 管 混 凝 土 内部 最 高 温度 、 厂 区环 境温 度 、 养护 温度 等 ； 湿度包 括 预制 区和 养护 区 湿度 ； 压力指预制沉管混凝土侧压力。 2 ) 研发 出了预 制沉 管 混凝 土温 控 监 测 预 警 系统 。 硬件系统基于无线传输技术 ， 包括了数据采集 、 数据传 输 和数 据 存储 输 出设 备 ， 同时 进 行 温控 监 测 系统 网络 拓 扑 图 的设 计 。开 发 了可视 化 温控 监 测 预 警 软 件 ， 软 件主要 功 能为 系统 管 理 、 基 础 数 据 维 护 、 数 据 采 集 、 综 合查 询和 温控 预警 等 ， 同时 具有 容错 能力 。 3 ) 在 足 尺 模 型 试 验 验 证 的基 础 上 采 用 研 发 的可 视化 温控 监 测预警 系统对港 珠 澳大桥 预 制管 节实 施现 场监 控 ， 实现 预制 沉 管 温 度 、 湿 度 、 侧 压 力 的 自动化 监 测 和控制 ， 混 凝土各 项 监 测 参 数 均满 足温 控 标 准 的 要 求 ， 预制 沉管 管节 没有 出现 裂缝 。 4 ) 综合温控监测预警系统 的开发及 应用实践表 明 ， 本 系统具 有全 面覆 盖 预制 各 环 节 、 可 视 化 、 全 方 位 动态监控的特点 ， 填补我 国交通行业工厂法预制构件 温 控监 测研究 领 域 的空 白 ， 对 提 升 我 国 类 似工 程 的施 工 技术 水平 具有 十分 重要 的现 实 意义 和社会 效益 。 参 考 文 献 1 孟 凡超 ， 刘 晓东 ， 徐 国平 港 珠 澳大 桥 主体 工 程 总体 设 计 c 第 十九届全 国桥梁学术会议论文集 ( 上册 ) 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 1 0 2 刘晓东 港珠澳 大桥 总体 设计 与技术 挑 战 c 第十 五届 中国海洋( 岸 ) 工 程学 术研讨会 论文集 北 京 ： 海 洋 出版社 ， 201 1 3 李英 ， 陈越 港珠澳大桥岛隧工程 的意义及技术难 点 J 工 程 力 学 ， 2 01 1 ， 2 8 ( 增 2)： 6 7 7 7 4 港珠澳大桥岛隧工 程项 目总经 理部 港珠澳 大桥 主体工程 岛隧工程预制沉管混凝土配制 和控 裂方案研 究 R 珠海 ： 港珠澳大桥 岛隧工程项 目总经理部 ， 2 0 1 2 5 港珠澳大桥 岛隧 工程项 目总经 理部 港珠 澳大桥 主体工 程 岛隧工程沉管节段足 尺模 型试 验研究 R 珠海 ： 港珠澳 大 桥 岛隧工程项 目总经 理部 ， 2 0 1 3 6 朱伯芳 大体积混凝 土温 度应力 与温度 控制 M 北 京 ： 中 国电力 出版社 ， 1 9 9 9 7 王铁 梦 工程结构 裂缝控 制 M 北京 ： 中国建筑 工业 出版 社 ， 2 0 0 4 8 张明雷 ， 李进辉 ， 刘可 心 大体积 混凝 土现场温控 措施 比较 分 析 J 施 工技 术 ， 2 0 1 3 ( 增 1 ) ： 1 6 8 1 7 1 9 马少雄 ， 刘 超群 ， 符 敏 大 体积 混 凝 土施 工温 度 控 制 研究 J 铁 道建筑 ， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 4 0 4 1 ( 责任 审编 赵其文)