高寒高海拔隧道冬季混凝土施工材料温度确定.pdf

公路 隧道 2 0 1 2年第 4期( 总第 8 0期) 高寒高海拔隧道冬季混凝土施工材料温度确定 郭 春 王明年 李海清 林 国进 ( 1西南交通大学土木工程学院成都6 1 0 0 3 1 ； 2四川省交通厅公路规划勘察设计研究院成都6 1 0 0 4 1 ) 摘 要全长 7 9 4 k m巴朗山隧道， 其海拔高程在 3 8 0 0 m到 4 0 0 0 m之间。在 1 o 月至来年 5 月期间， E l 平均气温 均低于 5 ， 处于冬季施工阶段。巴朗山隧道属典型的高海拔寒冷地区超特长单洞公路隧道， 施工受高海拔缺氧和 高寒低温气候的影响， 长达半年的冬季施工期对混凝土本身质量的要求和施工技术上的复杂性均较高， 本文针对 巴朗山隧道冬季混凝土施工材料各项温度进行研究。 关键词 巴朗山 高寒高海拔特长隧道冬季混凝土施工材料温度 1 工程概 述 省道 3 0 3线是阿坝州公路网主骨架之一 ， 路线 起于阿坝州汶川县映秀镇 ， 经卧龙、 穿越 巴朗山， 过 小金县 、 丹巴县 ， 止于道孚县八美镇 。 目前 ， 正在开 展灾后恢复重建工作， 其中巴朗山隧道工程位于四 川省阿坝藏族羌族 自治州南部小金县 以东的小金 、 汶川 、 宝兴三县交界处 ， 起止点 与省道 3 0 3线相连 ， 起 于 $ 3 0 3 线 K9 7 +7 3 0 ( 隧道桩号 K9 7 +7 3 O ) ， 设计 高程 3 8 4 9 7 9 m。止于 $ 3 0 3线 K1 2 5 +7 6 0 ( 隧道桩 号 K1 0 7 +4 4 9 9 5 ) ， 设计高程 3 8 4 9 2 8 m。隧道工程 全长约 9 7 3 8 k m， 其 中新建隧道长约 7 9 4 0 k m( 车 行平导洞长约 7 9 6 5 k m) 和引道长 约 0 9 3 7 k m， 改 建引道长约 0 8 9 1 k m。最大埋深 8 7 1 m。绕避了冰 雪雾、 滑坡、 泥石流等 自然灾害最严重、 最集中的巴 朗山垭 口路段 。 图 1 重丘巴朗 山地段实景 巴朗山隧道为山岭单洞双 向交通 ， 二级公路 隧 道为 国内最 长 的单 洞公 路 隧道。设计 速 度为 4 0 k m h ， 行车道宽度 2 3 5 m， 隧道 主洞建筑限界 9 0 5 0 m， 隧道 内空断面积为 5 6 1 9 m 。隧道平 导洞建筑 限界 4 5 5 0 m， 平 导洞 内空断面积 为 2 8 9 7 m 。路面为水泥混凝土， 建设工期 5 年 。 2 巴朗山隧道冬季施工问题 我国属于大陆性季风型气候 ， 气 温经常受西伯 利亚寒流的影响 ， 变化较大且频繁 。在秋冬气温变 化季节， 当气温降到 日平均气温低于 5 ， 并连续 5 天未高出 5 。 C时 ， 则以后气温再 回升的可能性较小 ， 从连续 5 天稳定低于 5 的第一天起工程即进入低 温季节施工 ， 至气温 回升并 连续稳定高 于 5 C的第 五 日止。这段时间统称为低温季节， 人们习惯称之 为冬季 。 冬季施工由于气温低， 空气干燥， 容易造成工程 因冻受损 ， 同时， 风 、 雪天气较多 ， 施工条件及环境恶 劣 ， 是工程质量事故的多发季节， 尤 以混凝土工程居 多 。 质量事故出现 的隐蔽性、 滞后性 。即工程是冬 天施工 的， 大多数在春季才开始暴露出来 ， 因而给事 故处理带来很大的难度， 轻者进行修补， 重者拆除重 建 ， 不仅给工程带来损失 ， 而且影 响工程 的使用 寿 命。 因此 ， 在冬季施工期间， 对于混凝土工程必须采 取冬季施工措施 。 巴朗山隧道映秀端( 进 口) 洞 口附近最冷月平均 气温为一1 1 8 一1 2 5 ， 全年 l 2月月均气温为一 1 2 5 7 ， 年平均气温为一0 9 一1 6 ； 小金端 ( 出 口) 洞 口附近 最 冷月 平 均 气 温 为 一 6 6 一 7 3 ， 年平均气温为 1 0 1 7 ， 全 年 1 2月月均 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路 隧道 2 0 1 2年第 4期( 总第 8 0期) 气温为一7 3 9 5 。C。 根据前期气象资料统计 ， 巴朗山隧道地区在 1 0 月至来年 5月期间， 日平均气温均低于 5 C， 处于冬 季施工阶段 。 巴朗山隧道属典型的高海拔寒冷地区超特长单 洞公路隧道 ， 施工受高海拔缺氧和高寒低温气候的 影响 ， 长达半年的冬季施工期对混凝土本身质量的 要求和施工技术上 的复杂性均较高。 3 混凝土加 热和拌 制各 阶段温度计 算方法 3 1 出机 口温度 当拌合前各组成材料 的温度为 己知时， 根据热 平衡原理 ， 可按下式求得混凝土拌合物 的理论计算 温度。 n8 3 7 ( ， 卜 l s + ( t i Z) +4 1 8 7 t w R( ) f J ( P s ( “ ( “ ) f ( ( + 式 中： t 。 混凝土拌和物的理论计算温度， ； 、 、G 、 、 每 立 方 混 凝 土 中水 、 水 泥、 砂 、 石的重量 ， k g ； t 一 t t t 一 一 水 、 水泥、 砂 、 石经加热后 的温 度 ， C； P 、 P 一砂 、 石的含水率 ； 水( 冰) 的质量 比热容 k J ( k g K) ； 当骨 料温度大于 0 。 C时， b = = = 4 1 8 7 ， 当骨料温度等 于或小于 0 。 C时 ， b = = = 2 1 4 ； B 冰的融解热( k J k g ) ： 当骨料温度大于 0 。 C 时 B 一0 ， 当骨料温度 等于或 小于 0 C时 ， B一 3 3 0； 0 8 3 7 一砂子 、 碎石和水泥的比热容， k J ( k g K) ； 4 1 8 7 一水的比热容， k J ( k g K) 。 混凝土在搅拌过程 中由于周 围环境的影 响， 出 机 口温度将低于理论计算温度 ， 可按下式计算 ： t 1一 t 0 0 1 6 ( t 。一 t d ) 式 中： 混凝土拌和物自搅拌机中倾出时的温度， 即出机 口温度， 。 C； t 。 同上 式 ， 混 凝 土 拌 和 物 的理 论 计 算 温 度 ， 。 C； t 一搅拌棚 内的温度 ， 。C。 通过拌和物出机 口温度 的计算 ， 可初步确定各 种原材料的加热方案， 即确定各种原材料的初始温 度和需加热到的温度， 从而提出加热原材料所需 的 热量 。 5 R 3 2 骨料 加热 砂子 、 碎石的加热实施可视具体情况确定 ， 既可 在露天堆场直接加热， 也可在预热仓 内加热 ， 或分两 阶段加热 。计算公式如下 ： Q Vc) g - C t t t ) +P ( 4 1 8 7 t +b t + 3 3 0 式中： Q砂 、 碎石的需热量 ， k J h ； 每小时混凝土施工的体积， m h ； g 每方混凝土砂 、 石的用量 ， k g m。 ； t 加热后的温度， 。 C； t 加热前 的温度 ， 。 C； P 砂石骨料含水量 ， k g ； 6 - - - 同公式 4 1 1 ， 为负温时 b 一2 1 4 ： 3 3 0 冰的溶解热 ， k J k g ； ( 砂 、 石 的 比热容 ， 为 0 8 3 7 k J ( k g K) 。 3 3 拌和水加热 拌和用水加热可按下式计算 ： Q 一 W ( 一 )C 式中： Q 一水加热吸收热量 ， k J ； 一 混凝土生产量 ， m。 h ； W每方混凝土拌和水用量， k g m。 ； t 水加热后的温度 ， 。 C； ， 水加热前的温度 ， C。 3 4 运输途中温度损失 冬季混凝土在运输过程 中温度损失同装载混凝 土运输方式运输时问、 混凝土出机 口温度 、 外界气温 等有关 。 混凝土运输到浇筑时温度宜按下式计算 ： 7 、 2一 Tl 一 ( dt 】 + 0 0 3 2 n ) ( T1 一 ) 式 中： 混凝 土拌合 物运输 到浇筑时温 度 ( 。C) ： t 混凝土拌合物 自运输 到浇筑时 的时 问 ( h ) ； 一 混凝土拌合物转运次数 ； 丁 i 混凝土拌合物出机温度( ) ； 一 混凝 土拌 合 物 运 输 时 环 境 温 度 ( 。 C) ： a 一温度损失系数 ( ) 当用混凝土搅拌车输送时， a 一0 2 5 ； 当用 开敞 式大型 自卸汽车时 ， a 一0 2 0 ； 当用开 敞式小型 自卸 汽车时， 一0 3 0 ； 当用封闭式 自卸汽车时， 0 t 一0 1 ； 当用手推车时 ， a =0 5 O 。 根据运输途中温度损失量 及浇筑温度的要求 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 郭春等 高寒高海拔 隧道冬季混凝土施工材料温度确定 可制订相应 的保温或加热措施 ， 从而计算出混凝 土 运输途中的耗热量 。 4 混凝土材料加热温度推荐值 为了取得较好 的养护效果 ， 拌合物于浇筑后 的 温度通常都应在 1 O 以上， 一般混凝土浇筑温度为 l 0 1 3 ， 运输 途中散热 降温 约 2 。 C4 C， 因此 一 般要求混凝土 出机 口温度不低 于 1 5 。对表 面 系数小于 2 5的大体积混凝土和采用负温养护工艺 的混凝土 ， 也应在 5 以上。但是 ， 为了不致因水泥 的水化速率过高而降低混凝土的强度， 拌合物出机 口温度也不应超过 2 6 ， 当用快硬水泥拌制混凝土 时， 还应控制在 2 O 以下。在各种气温情况下的大 体积混凝土施工， 水与砂石料加热的温度推荐值见 下表 1 。非大体积混凝土施工 ， 出机 口温度可适 当 高一些 。 表 1 混凝土材料加热温 度推荐值 室外温度( ) 材料加热温度( ) 混凝 土出机 平 均 最低 砂 石 水 口温度( 。C) 备 注 5 5 4 0 i 0 露 天烧筑施工 0 1 O 5 6 0 1 5 露天烧 筑施工 一 5 1 5 3 5 6 0 1 5 露天烧筑施工 一 1 O 一2 O 5 i 0 6 0 1 8 暖棚烧筑施工 一 1 5 2 5 5 1 5 7 0 2 0 暖棚烧 筑施工 2 O 一3 O 1 0 2 0 7 0 2 3 暖棚烧筑施工 加热的极 5 0 4 0 8 0 3 5 限温度 5 巴朗山隧道进 口混凝土拌合温度 计算 巴朗山隧道进 口混凝土施工各材料参数基本资料见 表 2 。 表 2 混凝土各材料参数表 参数 单位 量值 水泥用量 k g 5 0 0 水用量 1 6 1 5 砂用量 k g 6 9 3 碎石用量 k g 1 0 4 0 砂温度 1 碎石温度 1 水 的比热容 k J ( k g K) 4 2 水溶解热 k J O 参数 单位 量值 砂 的含水率 3 石 的含水率 0 2 0 对外界温度分别为一1 0 C、 一2 O 。C、 一3 0 C、 4 0 C情况 ， 分别进行计算 ， 可以得到表 3 ： 表 3 不同外界温度下水温及混凝土出机、 入模温度 环境气温 参数 单位 一 1 O 一 2 O 一 3 O 4 0 水温度 7 6 1 0 1 3 6 l 7 1 水泥温度 1 O 一2 O 3 O 4 0 运输 至浇筑成型时 间 h 0 5 0 5 0 5 0 5 温度损失系数 0 2 5 0 2 5 0 2 5 0 2 5 混凝土拌 和物温度 1 1 2 1 3 5 1 7 7 2 1 8 出机温度 7 8 9 7 1 1 7 1 3 5 入模温度 5 0 5 0 5 1 5 1 6 结 论 通过研究确定对于巴朗山隧道冬季混凝土施工 人模温度应在 5 以上。 由计算可知 ， 为保证人模温度达到 5 ， 在环境 温度达到一4 O 情况下 ， 出机 温度要保证 大于 1 3 5 ， 混凝土拌和物温度应大于 2 1 8 C。 因此 ， 在气温最低 -4 0 。 C时， 需保证砂、 碎石温 度大于 1 。 C， 水温应高于 1 7 1 。 在下步工作中将对巴朗山隧道高海拔寒区隧道 冬季施工混凝土运输保温技术 以及隧道 内保温及混 凝土养护技术 、 混凝土配合 比设计优化及施工工艺 等进行进一步研究 。 参考文献 E l i 王明年， 郭春等 巴朗山高海拔寒区隧道冬季施工关键 技术研究申报书 R _ 西南交通大学 2 o 1 2 2 王明年， 郭春等 巴朗山高寒高海拔隧道冬季施工拌合 站复核及温度保证措施研究 一阶段报告 R 西南交 通大学 2 0 1 1 3 林长江 ， 矫继周等 冬季施工混凝土之若干问题探讨 _ J 珠江水运 2 0 1 1 ( 6 ) 4 谭忠盛， 任少强， 李培安 风火山多年冻土隧道综合施 工技术- J 施工技术 2 0 0 8 ： 3 7 ( 1 0 ) 5 曹红彬 高寒地区隧道施工 昆凝土抗冻融技术研究 J 华北水利水电学院学报 2 0 0 8 ： 2 9 ( 3 ) 6 黄明， 郑鑫 混凝土结构冬期负温施工的关键及配套技 术 J 辽宁工程技术大学学报 2 0 0 8 ： 2 7 ( 2 ) 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m