朔州隧道冬期混凝土施工熱工計算

高恢軍

【摘 要】本文結合準池鐵路朔州隧道施工實際，介紹冬期混凝土施工拌和物熱工計算原理及操作要點。對類似工程有借鑒意義。

【關鍵詞】冬期施工；混凝土；溫度控制；熱工計算

1 工程概況

神華準池鐵路朔州隧道位于山西省朔州市境內，全長11299m，隧道里程DK128+656～DK139+955，為雙線特長隧道。除出口段位于1200m半徑的曲線上，曲線進入隧道352.6m余均位于直線段上。洞內縱坡為3.0‰/5488m、-7.0‰/5800m、3.0‰/5m，基本呈對稱的人字坡，共設計進、出口和5個斜井輔助施工，合同工期574d。工期緊，安全風險大。全隧設有4座斜井和進、出口6個作業工區掘進施工，朔州隧道地處雁北高寒區，施工期經歷兩個冬期，每年冬期從11月到次年4月初，歷時5個月。

2 冬期施工溫度控制要求

1）當環境晝夜平均氣溫連續3天低于5℃或最低氣溫低于-3℃時，混凝土工程按照冬期施工方案組織施工；

2）混凝土拌合站環境溫度要在10℃以上；

3）混凝土入模溫度不低于5℃，攪拌時間較常溫延長50%，水加熱不應超過80℃；

4）噴射混凝土時環境溫度、材料溫度不應低于5℃。

3 混凝土熱工計算標準

按照《鐵路隧道工程施工技術指南》（TZ204-2008），《鐵路混凝土工程施工技術指南》，《關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規定的通知》（鐵道部鐵建設[2010]120號文）對混凝土的各項要求，確定在不同環境溫度下的入模溫度：

1）根據確定的入模溫度，利用混凝土運輸溫度損失計算公式，計算對應于某一環境的混凝土拌和物的出機溫度；

2）然后利用混凝土拌和物出機溫度計算公式，計算混凝土拌和物溫度；

3）利用混凝土拌和物溫度計算公式，計算在混凝土原材料所能達到的溫度條件下混凝土拌和物溫度，混凝土拌和物溫度應大于通過環境溫度計算得出的結果。否則，就應加強混凝土原材料溫度保證措施，使混凝土拌和物溫度滿足要求。

4 熱工計算

4.1 混凝土運輸溫度計算

根據朔州地區歷年氣象資料，冬期11月到次年3月份日平均氣溫，選擇環境溫度0℃和-15℃兩種情況，進行混凝土拌和物熱工計算。混凝土采用灌車運輸，先計算環境溫度為-15℃時，混凝土在運輸過程中的溫度損失：

ts=（at1+0.032n）（T1-Ta）

式中ts——運輸過程溫度損失；

a——溫度損失系數（hm-1），當混凝土攪拌輸送車時，a=0.25；

t1——混凝土自運輸至澆筑現場的時間（h）取0.3h；

n——混凝土運輸次數，取2；

T1——混凝土拌和物的出機溫度（℃），按10℃時；

T2——混凝土拌和物經運輸至成形完成時的溫度（℃）即入模溫度；

Ta——運輸時的環境溫度（℃），取-15℃。

所以，ts=（0.25×0.3+0.032×2）（T1+15℃）=0.139T1+2.085℃=3.475℃

按照施工實際，混凝土澆筑時入模溫度要求（10℃），T2≤T1-ts

（T2≤10℃-3.475℃=6.525 入模溫度要求 5℃≤出機溫度-損失溫度后6.525℃）

即：T1-0.139T1-2.085℃≥10℃（14.04-0.139×14.04-2.085=10.003反算而得）

所以0.861 T1≥12.085℃

T1≥14.04℃

取T1=14.04℃

如果按氣溫-20℃計算時，溫度損失為ts=0.139T1+2.78℃=5.85℃

出機溫度T1-0.139 T1-2.78℃≥10℃，（15-0.139×15-2.78=10.135反算而得）

T1≥15℃

取T1=15℃

4.2 混凝土拌和物出機溫度計算

根據以上計算，取T1=14.04℃

由公式：T1=T0-0.16（T0-Tb）

得：T0=（T1-0.16Tb）÷0.84=14.81℃

式中：T0——混凝土拌和物溫度（℃）

T1——混凝土出機溫度（℃），由第一步計算，取14.04

Tb——拌和機棚內溫度（℃）應采取保溫措施，取10℃

4.3 混凝土拌和物溫度計算

水加熱按60℃，水泥、砂石料溫度5℃，根據配合比每方混凝土用水泥、水、砂、石用量分別為417kg、143kg、616kg、1197kg，砂石料設保溫棚，實測含水量，砂子2%，石子1%，根據公式：

T0=[0.9（WCTC+WSTS+WgTg）+4.2TW（WW-PSWS-PgWg）+C1（PSWSTS+PgWgTg）-C2（PSWS+PgWg）]÷[4.2WW+0.9（WC+WS+Wg）]得T0=15.52℃>14.81℃（能滿足要求）

式中：T0——混凝土拌和物溫度；

WW、WC、WS、Wg——水、水泥、砂、石的用量（kg）

TW、TC、TS、Tg——水、水泥、砂、石的溫度（℃）

PS Pg——砂、石的含水率（%）

C1——水的比熱容（kJ/（kg·k ））

C2——冰的溶解熱（kJ/kg）

當骨料溫度>0℃時，C1=4.2，C2=0

當骨料溫度≤0℃時，C1=2.1，C1=335

同以上計算，當環境溫度為0℃時，T0應大于11.92℃，

1）按照-水、水泥、砂石料的溫度分別為45℃、5℃、5℃，根據以上公式計算，得：T0=12.6℃>11.92℃，滿足要求。

2）按照-水、水泥、砂石料的溫度分別為80℃、0℃、0℃，根據以上公式計算，得：T0=12.18℃>11.92℃，滿足要求。

5 計算中的關鍵溫度

1）規定性溫度：混凝土進入冬期施工的溫度要求，混凝土入模要求；

2）環境類溫度：當地環境溫度、攪拌棚溫度；

3）混凝土原材料溫度：水溫、水泥、砂石料溫度，采取什么保溫措施。

6 結束語

由以上計算可知，混凝土攪拌時所需水溫均滿足《鐵路混凝土工程施工技術指南》要求拌和水的加熱溫度不宜高于80℃的條件，當環境溫度在零度這一臨界點時，水泥、砂石料的溫度為5℃，水溫≥45℃就能滿足冬季施工混凝土的要求，水泥、砂石料的溫度為0℃，水溫要達到80℃才能滿足冬季施工混凝土的要求。當環境溫度在-15℃，水泥、砂石料的溫度為5℃，水溫要達到60℃才能滿足冬季施工混凝土的要求。可見保證水溫在45～80℃，水泥、砂石料的溫度在0～5℃這一范圍是保證混凝土拌和物溫度的一個關鍵。一般氣溫在-15℃的情況很少，現場對入模溫度進行監控量測，確保在10℃以上澆筑混凝土。隧道進洞200m以后洞內溫度在10℃以上。

準池鐵路朔州隧道經過2個冬期的混凝土施工，設有3個混凝土集中攪拌站，通過現場熱工計算，采取搭建保溫棚，確保了冬期混凝土施工質量。

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[責任編輯：湯靜]