冷卻水管在大體積混凝土市政隧道施工中的應用

蔣平江,焦長洲

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院,陜西渭南 714000；2.深圳市地鐵集團有限公司,廣東深圳 518035)

大體積混凝土裂縫的控制一直是工程技術(shù)界長期關(guān)注和研究的重要課題[1]。隧道設(shè)計一般取1 m隧道進行框架內(nèi)力計算,而對溫度應力則不進行詳細計算,只是采用構(gòu)造配筋,因此常導致混凝土出現(xiàn)溫度裂縫[2]。市政隧道是一類比較特殊的大體積混凝土結(jié)構(gòu),其施工中的溫度控制具有一定的特殊性,而相關(guān)的研究較少[3]。水管冷卻作為大體積混凝土溫控防裂的一種常用措施,在水工、橋梁承臺、錨碇等大體積混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究很多[4,5],但在隧道方面的研究與應用較少。本文主要研究大體積混凝土市政隧道施工中,采用冷卻水管進行防裂的工藝原理和方法,為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

深圳北站樞紐新區(qū)大道改造工程主體結(jié)構(gòu)為明挖隧道,是深圳地區(qū)在建最大的深基坑。隧道全長795 m,主體結(jié)構(gòu)厚度為1.3～1.8 m,屬大體積混凝土施工。主體結(jié)構(gòu)分段施工,每段施工長度為20 m。主體分兩次澆筑,即第一次澆筑底板,第二次澆筑側(cè)墻及頂板。

該工程施工有如下特點和難點：①工程處于立體交叉最底層,具有工程任務(wù)重、交叉協(xié)調(diào)難度大、施工作業(yè)面狹窄、工序轉(zhuǎn)換復雜等特點；②大體積混凝土的溫度裂縫控制是一個難點,一是由于混凝土水化熱的作用,混凝土澆筑后將經(jīng)歷升溫期、降溫期和穩(wěn)定期3個階段,在這幾個階段中混凝土的體積也隨之伸縮[6],易產(chǎn)生溫度裂縫,二是底板澆筑和側(cè)墻及頂板澆筑存在明顯的時間差,在底板混凝土的溫度變化已經(jīng)趨于穩(wěn)定時才澆筑側(cè)墻及頂板,連接處容易產(chǎn)生裂縫；③施工期長,工期14個月,經(jīng)過一年中的高溫季節(jié)和低溫季節(jié),溫控難度大。

2 冷卻水管的布設(shè)和運行

2.1 冷卻水管的布置

冷卻水管采用φ32 mm鍍鋅鋼管,底板橫向布置2排、側(cè)墻豎向布置3排、頂板橫向布置3排。布置冷卻水管應考慮以下原則：保證各層冷卻管能獨立通水,且拆模不影響通水；每層要分多根獨立管道,縮短冷卻路徑,以使混凝土冷卻均勻；能根據(jù)測溫結(jié)果調(diào)節(jié)各管路通水量。詳細布置情況見圖1、圖2。

圖1 冷卻水管和溫度監(jiān)測管布置斷面(單位：mm)

圖2 冷卻水管布置平面(單位：mm)

2.2 冷卻水管的埋設(shè)

冷卻水管接頭采用鋼接頭,拐角處采用彎頭。先將鋼管按冷卻管安裝圖下料及攻絲并運至現(xiàn)場,鋼筋綁扎完畢后,按設(shè)計位置安裝,接頭處先涂上油漆再擰緊,可防止混凝土澆筑過程中漏漿堵管及通水過程中漏水。安裝完畢后,進行試通水,檢查管路通水正常方可進行下一道工序。

2.3 冷卻降溫

(1)為方便施工,在降水井內(nèi)抽取地下水,匯集到集水井內(nèi)。每層冷卻管配一增壓泵,水流量可達到6.5 m3/h,在混凝土初凝時由專人負責往冷卻管內(nèi)注入該地下水。冷卻管內(nèi)的水不重復利用,直接排到另一集水井,排出基坑。

(2)混凝土澆筑開始后,依次開啟系統(tǒng)的各個循環(huán),使循環(huán)水與混凝土同步升溫,由于澆筑1 d內(nèi)混凝土正處于塑性狀態(tài),可采用最大通水量盡可能多的帶走混凝土的熱量。

(3)啟動1 d后,因部分混凝土開始凝固,根據(jù)測溫情況調(diào)節(jié)水流量。如混凝土內(nèi)部溫度與入水溫度之差小于20 ℃,可加大入水量,如入水溫度與混凝土內(nèi)部溫差在20～25 ℃,則需減小入水量。最終使混凝土內(nèi)部最高溫度與循環(huán)水進水溫差控制在20 ℃左右,當混凝土內(nèi)外溫差達到20 ℃左右時停止抽水循環(huán)冷卻。

(4)通水完成后，采用與混凝土強度等級相當?shù)乃嗌皾{對冷卻水管進行封堵。

2.4 測溫管的埋設(shè)

溫度監(jiān)測采用銅熱電阻傳感器作為測溫元件,同時預留測溫孔,測溫孔直徑10 mm,采用PVC管,埋設(shè)深度為結(jié)構(gòu)厚度的70%。安裝元件時將其固定牢固,保證位置準確,將導線沿鋼筋引出混凝土頂面20 cm,用膠布包裹導線端頭,避免弄臟。同時,將引出的導線逐一編號,便于溫度監(jiān)測。測溫管埋設(shè)見圖1。

3 冷卻效果分析

3.1 混凝土絕熱溫升分析

根據(jù)相關(guān)文獻[7-8],應用以下計算公式對隧道混凝土的水化熱絕熱溫升進行計算。

(1)

(2)

Q=(Cw×V×ρw×tw)/(Vm×κ)

(3)

式中，Cw為水的比熱,取值4.186 8 J/kg·C；V為冷卻水流量,本工程采用增壓泵后流量達到6.5 m3/h,考慮到管道會產(chǎn)生一定的水阻,取折減系數(shù)0.8,V=5.2 m3/h；ρw為水的質(zhì)量密度,取值1.0 t/m3；tw為進、出水溫差,施工中控制進、出水溫差不大于20 ℃,故取值20 ℃；Vm為澆筑混凝土體積；κ為不同齡期時冷卻水能夠影響混凝土體積的系數(shù),據(jù)有關(guān)資料,澆筑3 d冷卻水影響混凝土的體積約占總體積的50%[9],故κ取值0.5。

3.2 溫度監(jiān)測

施工過程中,前3 d每4 h測溫1次,以后根據(jù)溫度變化情況適當延長測溫時間間隔,重點對混凝土入模溫度、混凝土內(nèi)部最高溫度、最終的穩(wěn)定溫度進行分析。7號～9號測溫點溫度變化見圖3。混凝土入模溫度為25～28 ℃,1.5 d后中心溫度最高達43 ℃,溫升達14～16 ℃,3 d后中心溫度達54～56 ℃,溫升25～27 ℃,5 d以后降溫平緩,7 d以后中心溫度基本穩(wěn)定,趨于當天氣溫。從3 d混凝土絕熱溫升來看,計算值為23.2 ℃,實際溫升25～27 ℃,相差值不大,可以看出,本工程采用冷卻水管降溫技術(shù)達到了預期目標。

3.3 側(cè)墻與底板溫差分析

由于底板澆筑和側(cè)墻及頂板澆筑存在明顯的時間差,故在側(cè)墻與底板水平施工縫處容易產(chǎn)生裂縫,實踐證明采用冷卻水管對控制此類裂縫是有效的。如圖4所示,處于底板的測點1號和底板下部測點6號的溫差值比較小,最大值為11 ℃,在這種溫差下,施工縫處不會產(chǎn)生裂縫。

圖4 底板與側(cè)墻施工縫處溫差

4 結(jié)語

深圳北站樞紐新區(qū)大道改造工程主體結(jié)構(gòu)施工實踐證明,采取冷卻水管進行大體積混凝土溫度控制,能有效控制混凝土內(nèi)部溫度,保證混凝土質(zhì)量。從本工程施工控制可知：在大體積混凝土市政隧道中設(shè)置冷卻水管雖然增加了一定的工程費用,但能有效地防止溫度裂縫的產(chǎn)生,而且冷卻鋼管可以永久地作為收縮鋼筋；使混凝土保溫時間縮短,可提早拆模5 d左右,縮短施工工期；本文計算得出的溫差數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)基本相符,對工程實踐有一定的參考意義。

參考文獻：

[1]楊 迤,楊 鵬.大體積混凝土裂縫控制[J].中國水運,2008,8(7):207-208.

[2]杜曉玲,趙世忠.大體積混凝土隧道裂縫分析及軟件開發(fā)[J].施工技術(shù),2010,39(5):22-25.

[3]盧 曉.市政隧道大體積混凝土裂縫的控制研究[D].上海:同濟大學,2007.

[4]丁如珍.特大型承臺混凝土的溫度控制[J].公路,2004(5):44-47.

[5]王解軍,李 輝,等.大體積混凝土橋墩水化熱溫度場的數(shù)值分析[J].中南林業(yè)科技大學學報(自然科學版)[J].2007,27(1):124-128.

[6]于旭東,葉 碩,等.西堠門大橋南錨碇大體積混凝土溫度控制[J].世界橋梁,2007(3):72-75.

[7]蘇廷志.冷卻水管在大體積混凝土地下室工程中的應用[J].露天采礦技術(shù),2008(6):76-78.

[8]梁樹忠,彭澄宇,等.大體積混凝土在循環(huán)冷卻水管施工中的應用[J].電力建設(shè),2003,24(11):9-12.

[9]劉興法.混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應力分析[M].北京:人民交通出版社,1991.

[10]張煒烽.大體積高性能混凝土的裂紋控制[J].鐵道標準設(shè)計，2006(12)：43-45.

[11]陳萬祥,郭志昆,等.南京玄武湖隧道大體積混凝土溫度控制研究[J].工業(yè)建筑,2004,34(10):53-55.