曹軍龍，陳 林

中交第二航務工程局有限公司第五工程分公司，湖北 武漢 430000

1 工程概況

項目所處位置北倚內(nèi)蒙古草原，屬陰山山脈東段到大馬山群山支系和燕山余脈交接地帶，地貌屬壩上、壩下過渡型山區(qū)。該區(qū)域?qū)俅箨懶约撅L氣候中溫帶亞干旱區(qū)，項目區(qū)域海拔超過1800m。夏季雨量大、次數(shù)多；冬季寒冷漫長，降雪量較大。年均降水量約424mm，且分布不均。全年無霜期平均115.9d，平均氣溫5.5℃，施工期最低氣溫為-40℃，最大凍土深度為193cm。

2 拌和站加熱、保暖系統(tǒng)設計

冬季施工難點：冬季施工期長，每年有7 個月處于冬季施工期；極寒期長，每年有3 個月平均溫度＜-20℃；施工強度高，全天候施工，且沒有施工休息期，每天混凝土方量接近800m3，對工作穩(wěn)定性需求高。由于有3 個月極寒天氣溫度＜-20℃，且最低溫度為-40℃，考慮到極寒低溫出現(xiàn)時間有限，為保證施工強度和避免設計富余值過大，拌和站極限運轉(zhuǎn)溫度設計為-34℃[1]。

2.1 拌和站供熱系統(tǒng)

（1）拌和站供熱鍋爐系統(tǒng)選型。鍋爐房采用CWNS2.1-85/60-Q 型0.7MW+2.1MW 燃氣鍋爐，在攪拌站保溫棚內(nèi)布設熱力管道，確保攪拌站內(nèi)溫度≥10℃。封閉式料倉面積為6000m2，料倉棚內(nèi)需要的熱量按其散熱量計算見式（1）：

式中：F 為料倉棚面積，取6000m2；ρ 為料倉棚傳熱系數(shù)，取1/0.15；β 為料倉棚透風系數(shù)，取1.6；Qd為料倉棚設計溫度，取10℃；Qa為室外氣溫，取-34℃。經(jīng)計算，Q1=226961.19kJ/h。

考慮料倉棚開啟時的熱量損失，則Q1=1.2Q1= 272353.43kJ/h。

鍋爐供熱時，其供熱量按式（2）計算：Q2=2μqw （2）式中：μ 為鍋爐效率，一般取95%；q 為燃料發(fā)熱量，取平均天然氣36000 ～40000kJ/m3；w 為燃料消耗量，一般取70m3/h。經(jīng)計算，Q2=5.3×106kJ/h。

而且在額定工況下（出水溫度為85℃，回水溫度為60℃），該供暖系統(tǒng)所采用的0.7MW+2.1MW 燃氣鍋爐每小時所產(chǎn)生的熱量Q3為6.3×106kJ/h，0.7MW+2.1MW 燃氣鍋爐滿足使料倉棚溫度由-34℃升溫至10℃的要求。

（2）料倉結構及供熱系統(tǒng)。項目部在拌和站附近選取向陽面設置了砂石料備料區(qū)，儲料量按照冬季施工混凝土需求保證3 個月的用量。根據(jù)砂石料用量提前將備料區(qū)的砂石料倒運到料倉棚內(nèi)進行化凍處理。

（3）上料臺供熱系統(tǒng)。在上料臺周邊布設暖通管道，利用暖通水管對上料倉內(nèi)砂石料進行保溫，暖通水管采用φ50mm 鋼管，間距為50cm，單面共布設4 根。

（4）皮帶機供熱系統(tǒng)。主要采用彩鋼板對四周進行覆蓋，下部采用鋼梁支撐，防止砂石熱量散失，內(nèi)側(cè)兩邊安裝暖氣管道進行加熱保溫。

（5）攪拌主機供熱系統(tǒng)。根據(jù)攪拌站的特點攪拌主機位于攪拌樓內(nèi)，攪拌樓四周需封閉嚴實，出料口加彩鋼板封閉，內(nèi)部采用暖通水管加熱，每次開盤前先加熱機身。

2.2 冬季施工第一階段

第一階段冬季施工，根據(jù)項目計算和實測情況統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在外界環(huán)境-5℃的情況下，拌和站封閉環(huán)境下內(nèi)部氣溫為3℃左右，這時砂石料經(jīng)過3d 左右的堆放溫度可以控制在1℃右左。為保證混凝土入模溫度不低于5℃，需要確?；炷脸隽蠝囟龋?0℃（根據(jù)運輸過程中熱損計算），此時僅需要對拌和用水進行加熱，熱工計算如下。

（1）為保證混凝土入模溫度不得低于5℃，按下式求得出機溫度：

式中：T2為混凝土入模溫，℃；T1為混凝土出機溫度，℃；a 為溫度損失系數(shù)，當用混凝土攪拌輸送車時，a=0.25；t 為混凝土自動運輸至澆筑成型完成的時間，h；n 為混凝土運轉(zhuǎn)次數(shù)，不二次裝車則為1；Tm為運輸時的環(huán)境氣溫，℃。

取值：入模溫度T2取5℃；一般一車混凝土施工完畢需耗費0.5h，則t 取經(jīng)驗值為0.5h；n=1；Tm取最高溫度，Tm=-5℃；a=0.25。經(jīng)計算，出機溫度T1=6.9℃。出機溫度要求≥10℃，因此T1取值10℃。

（2）根據(jù)出機溫度可反算混凝土拌和溫度，見式（4）：

式中：T0為混凝土拌和溫度，℃；Tp為攪拌機棚內(nèi)溫度，℃。

取值：T1=10℃；根據(jù)現(xiàn)場實測，當外界環(huán)境溫度為-5℃時，此時不對攪拌機棚和料倉棚內(nèi)進行加熱，棚內(nèi)溫度為4℃，故Tp=4℃。經(jīng)計算，混凝土拌和溫度T0=11.1℃。

（3）拌和站控制水溫。根據(jù)混凝土出機溫度反算拌和水溫，見式（5）：

式中：mw、mce、msa、mg分別為每立方米混凝土水、水泥、砂、石的用量，kg；c1為水的比熱容，kJ/（kg·K）；c2為冰的溶解熱，kJ/kg，當骨料溫度＞0℃時，c1=4.2×c2= 0kJ/kg，當骨料溫度≤0℃時，c1=2.1×c2=335kJ/kg；Tw、Tce、Tsa、Tg分別為水、水泥、砂、石的溫度，℃；wsa、wg分別為砂、石含水率，取值分別為2%、0%。

取值原則為考慮最不利因素。出機溫度T0取11.1℃，同時也滿足了出機溫度不得＜10℃的要求。水、水泥、砂、石的用量分別為160kg、345kg、754kg、1086kg；水泥運進平均溫度為45℃，每1.5d 運進一罐水泥，水泥出罐溫度為10℃左右，考慮天氣過冷不利因素，水泥溫度取5℃；根據(jù)現(xiàn)場實測，當外界環(huán)境溫度為-5℃時，若不對砂石料進行加熱，則砂石料溫度為1℃；砂、石實測最高含水率分別為4%、0%。將上述數(shù)據(jù)代入式（5），求得拌和水溫為47.6℃，可滿足出機溫度為10℃的要求。

2.3 冬季施工第二階段

當溫度低于-5℃時，料倉內(nèi)溫度下降，砂石料存在結塊情況，會影響混凝土拌和均勻性和施工性能，此時需要在加熱水的基礎上，加熱砂石料；當溫度降低到拌和站設計的極限情況-34℃時，鍋爐房出水溫度將接近60℃，此時砂石料經(jīng)過加熱后的保溫溫度會＞0℃，拌和用水的計算和具體實施情況與第一階段一樣。以最低溫度-34℃為例，此時根據(jù)料倉內(nèi)溫度檢測，隔間底板溫度為35℃，料倉內(nèi)空氣溫度為10℃，初步估算將-34℃砂石料加熱到2℃需要的時間為1d，＜3d，符合要求。

實際施工過程中，由于料倉內(nèi)車輛進出和密閉性不嚴等問題造成空氣流通較快熱損失較多，因此在砂石料加熱化凍過程中還需使用裝載機翻晾2 次，一般需要2d 才能使砂石料全部化凍，使其溫度達到2℃。石子的計算方式同砂，也滿足要求。

2.4 結論

對冬季施工期間的環(huán)境溫度和水溫等情況進行驗算，具體情況如表1 所示。當外界環(huán)境溫度＞-5℃時處于冬季施工第一階段，此時拌和站內(nèi)溫度為4℃，砂石料溫度為1℃，只需要對拌和用水采用電加熱棒加熱到47.6℃即可滿足施工要求；當外界環(huán)境溫度＜-5℃時處于冬季施工第二階段，此時需要采用鍋爐同時對拌和用水和砂石料進行加熱，將砂石料加熱到2℃，拌和用水加熱到55℃，才能滿足混凝土的溫度要求。

表1 混凝土環(huán)境溫度所需水溫對照表 單位：℃

3 信息管理技術應用

引入簡單的數(shù)據(jù)集成和信息化手段，對拌和站工作區(qū)域和生活區(qū)域進行溫度集中監(jiān)控和調(diào)整，顯著降低了冬季維護保養(yǎng)工作量，并能通過實時監(jiān)控提高管理效率，高效保證了冬季施工的穩(wěn)定性。

4 效果分析

混凝土拌和站冬季施工的順利完工，有力地保證了棋盤梁特長隧道冬季的進一步施工。棋盤梁特長隧道及時順利貫通，保障了延崇高速（河北段）項目順利通車，獲得了各級政府和媒體的廣泛關注和好評。

5 結束語

棋盤梁特長隧道冬季施工的成功是拌和站加熱、保溫設計和措施到位的結果，整體系統(tǒng)內(nèi)容包括環(huán)境調(diào)查、數(shù)據(jù)分析、結構設計和信息化應用等方面，為其他類似隧道施工提供了借鑒。