高海拔地區(qū)大型拱橋主拱圈現(xiàn)澆混凝土冬季施工措施

張 朋 崗， 王 偉， 劉 鐵

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

兩河口水電站密瓦段Ⅶ標(biāo)折多溝大橋?yàn)殇摻罨炷料湫凸皹颍L(zhǎng)183.5 m，上部為主跨110 m的上承式鋼筋混凝土箱形拱。主拱圈凈矢跨比為1/5，凈矢高22 m，拱圈寬6.08 m，全高2.1 m。主拱圈現(xiàn)澆混凝土共分三環(huán)澆筑，第一環(huán)：現(xiàn)澆底板及腹板倒角位置，高25 cm；第二環(huán)：現(xiàn)澆腹板、橫隔板，高150 cm；第三環(huán)：現(xiàn)澆頂板，高35 cm。根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)展情況，采取冬季施工的部位主要為第三環(huán)，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 折多溝大橋主拱圈結(jié)構(gòu)圖

2 冬季施工的難點(diǎn)

(1)海拔高，氣候變化無常，極端天氣明顯。橋位區(qū)地處青藏高原東側(cè)邊緣地帶，海拔高度為2 894.154～2 931.775 m，屬川西高原氣候區(qū)，多年平均氣溫為7.9 ℃，極端最低氣溫為-21.9 ℃。

(2)薄壁箱型結(jié)構(gòu)，水化熱低。頂板厚30 cm，屬薄壁箱型結(jié)構(gòu)，混凝土自身水化放熱不大，不適宜采用蓄熱法養(yǎng)護(hù)。

(3)矢跨比大，坡面澆筑緩慢，泵管內(nèi)混凝土的停留時(shí)間及倉面混凝土的暴露時(shí)間較長(zhǎng)。主拱圈凈矢跨比為1/5，尤其拱腳段坡度較陡，單側(cè)入倉速度僅為4 m3/h。除去混凝土損耗，頂板澆筑長(zhǎng)度約為2 m。

(4)水分蒸發(fā)快，易產(chǎn)生干縮裂縫。氣候干燥，底板、頂板混凝土外露面大，在水化放熱和表面蒸發(fā)的雙重作用下，混凝土迅速失水。

(5)晝夜溫差大，易產(chǎn)生溫度裂縫。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度，白天最高溫度為1 ℃～12 ℃，夜間最低溫度為-19.5 ℃～-8 ℃，平均晝夜溫差在20 ℃以上，混凝土極易產(chǎn)生溫度裂縫。

(6)溝谷地帶風(fēng)速高，熱量散失快。一般白天風(fēng)速為0～4級(jí)，夜間風(fēng)速在4級(jí)以上，寒風(fēng)狀態(tài)下，混凝土表面溫度以5 ℃/h(夜間)以上的速度散失。

3 冬季采取的施工措施

為解決上述施工難點(diǎn)，主要采取了以下措施。

3.1 合理安排施工時(shí)段

合理安排混凝土澆筑施工時(shí)段。8∶30～17∶30天氣良好時(shí)，當(dāng)?shù)貧鉁乜蛇_(dá)-3 ℃～12 ℃，多選擇在此時(shí)段施工。另外，雨雪、大風(fēng)天氣下不開展混凝土澆筑施工[1]。

3.2 提高混凝土入倉溫度

(1)原材料及機(jī)械、設(shè)備的保溫。料棚周圍使用軍用帆布進(jìn)行遮蔽，進(jìn)出口設(shè)雙層保溫棉門簾，骨料倉內(nèi)砂、石骨料夜間采用棉被覆蓋以確保混凝土用骨料清潔，不含有冰雪等凍塊。整個(gè)拌和系統(tǒng)設(shè)防風(fēng)雪保溫棚，對(duì)外露油管、氣管和水管使用加厚海綿進(jìn)行纏繞保溫，拌和機(jī)、啟閉氣閥及分料倉三面設(shè)浴霸燈，混凝土開倉前3 h進(jìn)行加熱。

(2)控制出機(jī)口溫度。主拱圈為C40混凝土，采用原材料擬定溫度校核出機(jī)口溫度的方法確定各原材料、拌和用水及拌和料溫度。投料前，應(yīng)先用熱水沖洗攪拌機(jī)，投料順序?yàn)楣橇稀⑺瑪嚢瑁偌铀唷⑼饧觿嚢瑁瑪嚢钑r(shí)間應(yīng)較常溫時(shí)延長(zhǎng)50%[2]。根據(jù)熱工計(jì)算，施工時(shí)將水溫加熱至50 ℃[3]、砂保溫在5 ℃、碎石保溫在1 ℃、水泥和摻合料保持在0 ℃以上，則混凝土出機(jī)口理論溫度為11.1 ℃，滿足規(guī)范要求出機(jī)口溫度不小于10 ℃的要求。

(3)混凝土輸送時(shí)的保溫。為減少混凝土運(yùn)輸過程中的熱量散失，在距橋約200 m處增設(shè)了一套JS750型拌和系統(tǒng)，混凝土罐車外部覆蓋保溫套，入倉地泵管道用棉絮裹緊。

拌制速度、拌制量及混凝土罐車配置數(shù)量與入倉速度相匹配，將混凝土罐車調(diào)整為3.5 m3容量，每臺(tái)地泵配備2臺(tái)罐車以保證澆筑連續(xù)。

(4)入倉溫度控制。在上述出機(jī)口溫度(11.1℃)條件下，減去混凝土運(yùn)輸至澆筑時(shí)的溫度損失，在環(huán)境溫度-12 ℃下，理論入倉溫度為5.3 ℃，滿足入模溫度不低于5 ℃的要求[4]。

若因氣溫驟降不滿足要求或需要提高入倉溫度時(shí)，可以通過提高原材料和攪拌用水溫度的方式，提高出機(jī)口溫度達(dá)到入倉溫度要求。

3.3 優(yōu)化混凝土澆筑工藝

(1)動(dòng)態(tài)調(diào)整混凝土坍落度。澆筑時(shí)，根據(jù)主拱圈澆筑部位坡度的大小，對(duì)混凝土坍落度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。自拱腳向拱頂，一般入倉坍落度為15～18 cm，每隔6 m左右應(yīng)進(jìn)行一次微調(diào)。在滿足高壓輸送泵入倉的前提下，增加混凝土坡面的自穩(wěn)能力，以方便澆筑施工。

(2)采用壓模施工工藝。因坡度較大，混凝土入倉后需待其流動(dòng)性減小到一定范圍時(shí)方可進(jìn)行振搗工序施工，在較大程度上降低了施工效率。為此，采用了壓模施工工藝：木模板和鋼管組成壓模，寬50 cm，澆筑前將其先臨時(shí)安放至相應(yīng)部位，隨著澆筑進(jìn)展逐塊固定，既滿足了插入式振搗條件，又有效防止了混凝土下滑，且易進(jìn)行人工收面。

(3)縮短鋪筑分段長(zhǎng)度。將混凝土鋪筑段長(zhǎng)度調(diào)整為1.5 m左右，優(yōu)化澆筑工藝后，澆筑時(shí)間約為35 min，澆筑完成后及時(shí)采取養(yǎng)護(hù)措施。

3.4 “四合一”加熱保溫養(yǎng)護(hù)

澆筑過程中，采取“完成一段，及時(shí)保溫一段”的方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，采用保濕+生熱+保溫+防風(fēng)的“四合一”保溫養(yǎng)護(hù)措施。具體為：加厚塑料薄膜包裹混凝土表面以保持水分，薄膜上覆蓋可調(diào)溫式電熱毯主動(dòng)生熱[4]，電熱毯上加蓋雙層棉被進(jìn)行保溫，棉被上再使用軍用防水帆布防雨雪、防風(fēng)。保證混凝土表面溫度在8 ℃以上，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于21 d。

4 溫度監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)原理

混凝土內(nèi)部采用“鉑式溫度傳感器+配套測(cè)溫儀”[5]進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。原理：鉑電阻隨溫度有一一對(duì)應(yīng)的依賴關(guān)系(可以近似為線性)，故選定兩點(diǎn),如水的三相點(diǎn)0 ℃和沸點(diǎn)100 ℃,分別測(cè)量鉑電阻，然后等分,得到依賴關(guān)系R(T)；溫度高時(shí)鉑電阻大,等電壓下流過的電流小，以此建立電流與溫度的關(guān)系I=U/R(T)，從而可以指示溫度的變化，具有精度高、測(cè)點(diǎn)布設(shè)方便等特點(diǎn)。

環(huán)境溫度、出機(jī)口拌和料溫度、混凝土入模溫度均使用煤油溫度計(jì)監(jiān)測(cè)，混凝土表面溫度采用紅外線溫度槍監(jiān)測(cè)。

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

為全面了解冬季施工措施下主拱圈各部位的溫度情況，根據(jù)結(jié)構(gòu)物形體進(jìn)行了布點(diǎn)，具體為：沿主拱圈橫向布置2點(diǎn)，分別布置在距邊緣20 cm位置和中軸線位置，縱向每隔6 m布置1排，溫度傳感器布置在倉位結(jié)構(gòu)中部，每倉共約10點(diǎn)(圖2)。澆筑過程中，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注傳感器情況并用測(cè)溫儀檢測(cè)，對(duì)于明顯破壞或偏差過大者應(yīng)予以更換，若已無法更換，舍棄此測(cè)點(diǎn)以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。以內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)頂部的混凝土外露面相應(yīng)位置作為表面測(cè)溫點(diǎn)。

圖2 溫度測(cè)點(diǎn)平面布置圖

4.3 監(jiān)測(cè)的實(shí)施

冬季施工時(shí)，拌和料溫度直接影響到混凝土成型質(zhì)量及強(qiáng)度成長(zhǎng)空間，而保溫養(yǎng)護(hù)則關(guān)系到混凝土后期強(qiáng)度成長(zhǎng)狀況，因此，溫度監(jiān)測(cè)應(yīng)貫穿混凝土施工全過程。拱圈混凝土溫度監(jiān)測(cè)頻率根據(jù)混凝土成長(zhǎng)規(guī)律及抗凍特性確定：混凝土前期成長(zhǎng)速度較快，較為脆弱，尤其是前3 d時(shí)間內(nèi)(未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度40%之前)。根據(jù)主拱圈施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，所設(shè)置的具體測(cè)溫項(xiàng)目及頻率為：(1)混凝土澆筑期間，環(huán)境溫度、混凝土拌和料出機(jī)口溫度、入倉溫度每2 h測(cè)量一次。(2)混凝土澆筑完成后，立即檢測(cè)混凝土成型溫度。(3)混凝土養(yǎng)護(hù)期間，第1～3 d每2 h測(cè)量一次，第4～7 d每4 h測(cè)量一次，第8～21 d每8 h測(cè)量一次。混凝土監(jiān)測(cè)溫度由測(cè)控小組負(fù)責(zé)測(cè)量、記錄、整理、分析并及時(shí)得出測(cè)溫成果，以便調(diào)整冬季施工措施。

4.4 典型數(shù)據(jù)分析

主拱圈頂板拱肩節(jié)段最后澆筑(后澆帶工程量較小不含其中)，時(shí)間為2018年11月23日，外界環(huán)境溫度最低，混凝土施工質(zhì)量最難保證。筆者取其自澆筑開始至養(yǎng)護(hù)結(jié)束(21 d)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到各階段冬季施工措施取得的效果。

4.4.1 澆筑階段溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

混凝土澆筑時(shí)間段為8∶30～16∶00，總時(shí)長(zhǎng)約為7 h，澆筑時(shí)間段內(nèi)環(huán)境溫度、出機(jī)口溫度、入倉溫度隨澆筑持續(xù)時(shí)間—溫度曲線見圖3。

由測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出：(1)混凝土拌和料出機(jī)口溫度、入倉溫度與外界環(huán)境溫度呈基本一致變化規(guī)律，且外界氣溫越低，溫降越大。(2)出機(jī)口溫度為13 ℃～16 ℃，入倉溫度為9.6 ℃～14.5 ℃，滿足規(guī)范要求及施工需要，且溫度略高于理論計(jì)算值。

4.4.2 養(yǎng)護(hù)階段溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

保溫養(yǎng)護(hù)自第一段澆筑完成、混凝土基本達(dá)到初凝時(shí)開始以減少熱量散失。在冬季施工養(yǎng)護(hù)措施作用下，主拱圈各監(jiān)測(cè)點(diǎn)混凝土內(nèi)、表部溫度及溫差均滿足規(guī)范要求。筆者以更具有代表性的邊緣部位測(cè)點(diǎn)N1(N1＇為混凝土表面測(cè)點(diǎn))溫度及中部測(cè)點(diǎn)N2(N2＇為混凝土表面測(cè)點(diǎn))溫度進(jìn)行分析。

養(yǎng)護(hù)開始時(shí)間為11∶00左右，筆者以此為養(yǎng)護(hù)階段溫度監(jiān)測(cè)起始時(shí)間繪制養(yǎng)護(hù)持續(xù)時(shí)間—溫度曲線(圖4)。

由測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出：

(1)混凝土養(yǎng)護(hù)開始前，受環(huán)境溫度影響，溫度已逐步接近于環(huán)境溫度；及時(shí)養(yǎng)護(hù)后，混凝土內(nèi)外部溫度均呈規(guī)律性上升趨勢(shì)。

(2)外界環(huán)境總體體現(xiàn)為下降趨勢(shì)，且晝夜溫差均在20 ℃以上，但混凝土表面溫度控制在19 ℃左右，最大溫差約為19 ℃，平穩(wěn)狀態(tài)下溫差約為4.5 ℃，混凝土內(nèi)部溫度及表面溫度受外界環(huán)境溫度影響程度未隨其變化而變化。測(cè)點(diǎn)N1 和N1＇溫度略高于測(cè)點(diǎn)N2 和N2＇溫度，說明混凝土內(nèi)、表溫度較中心部位散熱微快，但溫差較小，約為1 ℃～2 ℃。

圖3 澆筑階段溫度—時(shí)間曲線圖

圖4 養(yǎng)護(hù)階段溫度—時(shí)間曲線圖

(3)在水化熱及養(yǎng)護(hù)措施的共同作用下，混凝土內(nèi)部溫度在56 h后達(dá)到峰值，最高溫度為37.8 ℃，持續(xù)時(shí)間約為8 h，并于160 h后趨于平穩(wěn)狀態(tài)，內(nèi)部水化熱仍在緩慢釋放，溫度約為24 ℃～26 ℃，與混凝土表面溫差約為3 ℃。

5 效果評(píng)價(jià)

結(jié)合溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場(chǎng)觀察，所采用的冬季施工措施取得的效果如下：

(1)合理安排施工時(shí)段，降低了因外界環(huán)境溫度過低引起混凝土降溫速度加快的效應(yīng)。

(2)原材料、設(shè)備保溫和拌和水加熱措施適用于高海拔、高寒地區(qū)混凝土施工，經(jīng)濟(jì)、合理、操作簡(jiǎn)單，可有效提高混凝土出機(jī)口溫度。采用合理化的資源配置、新建拌和站及運(yùn)輸設(shè)備保溫措施，從縮短運(yùn)輸時(shí)間和降低溫度散失速率兩方面減少了運(yùn)輸過程中的熱量損失，提高了混凝土入倉溫度。

(3)混凝土澆筑工藝的優(yōu)化，克服了主拱圈陡坡不易澆筑施工的難題，提高了澆筑效率，避免了混凝土在冷空氣中長(zhǎng)時(shí)間暴露，使其可盡快處于養(yǎng)護(hù)狀態(tài)，確保了混凝土成長(zhǎng)條件。

(4)通過包裹軍用防雨布、棉被及可調(diào)式電熱毯形成外隔內(nèi)控封閉體系的“四合一”加熱保溫養(yǎng)護(hù)措施，將混凝土各部位受環(huán)境溫度的影響降低到較小程度，較好地將混凝土內(nèi)外溫差控制在20 ℃以內(nèi)，對(duì)溫度裂縫的控制起到了決定性作用。

(5)混凝土遵循水化放熱成長(zhǎng)規(guī)律，由于其為薄壁構(gòu)件，水化熱量較低、散失速度較快，受溫控措施調(diào)節(jié)，控制了內(nèi)外溫差。

(6)通過現(xiàn)場(chǎng)觀察，養(yǎng)護(hù)階段混凝土表面濕潤(rùn)，塑料薄膜上可見均勻凝結(jié)水，從而可靠地阻止了混凝土水分因蒸發(fā)流失。

6 結(jié) 語

高海拔、高寒地區(qū)混凝土冬季施工的難度本身較大，而處于該地區(qū)的大型拱橋主拱圈現(xiàn)澆施工更是面臨著施工工藝不夠成熟、保溫保濕不易控制等難題。兩河口水電站密瓦段折多溝大橋主拱圈施工時(shí)段為2019年9月26日至2019年12月4日，其中10月20日至12月4日屬于冬季施工，施工中通過采取較為經(jīng)濟(jì)、操作簡(jiǎn)便的冬季施工措施，確保了施工質(zhì)量，強(qiáng)度滿足要求，外表平整光滑，未發(fā)現(xiàn)裂縫，所取得的經(jīng)驗(yàn)可供類似拱橋工程參考借鑒。