申昌洲

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

混凝土沉管隧道已在世界越江和跨海工程中得到了較廣的應(yīng)用，沉管隧道在我國(guó)工程實(shí)例越來(lái)越多，其施工關(guān)鍵技術(shù)在不斷地完善和創(chuàng)新，預(yù)制方法從傳統(tǒng)的干塢法預(yù)制發(fā)展為工廠法預(yù)制。沉管管節(jié)的預(yù)制是沉管隧道施工的難點(diǎn)之一，在預(yù)制過(guò)程中，由于沉管管段體積大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、施工工藝復(fù)雜，沉管結(jié)構(gòu)容易因溫度、收縮以及約束等原因在預(yù)制階段就出現(xiàn)危害性裂縫。危害性裂縫的出現(xiàn)不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)的外觀，還會(huì)促進(jìn)有害物質(zhì)侵蝕混凝土的速度，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞，削弱沉管混凝土結(jié)構(gòu)整體的耐久性。隨著大連灣海底隧道的開(kāi)工，意味著沉管隧道技術(shù)在我國(guó)北方嚴(yán)寒地區(qū)首次得到了應(yīng)用，如何確保沉管預(yù)制冬期施工質(zhì)量成為了重中之重。

王志武[1]介紹了蒸汽養(yǎng)護(hù)自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成部分及作用，并結(jié)合長(zhǎng)沙灣特大橋高性能混凝土箱梁的施工闡述了高性能水泥混凝土箱梁蒸汽養(yǎng)護(hù)制度的確定流程；羅衛(wèi)華等[2]針對(duì)當(dāng)前冬季低溫環(huán)境混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)存在的諸多問(wèn)題，引入了智能蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)用于預(yù)制混凝土梁的養(yǎng)護(hù)，著重闡述了智能蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)燃煤蒸汽養(yǎng)護(hù)在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢(shì)；高陽(yáng)春等[3]為了提高混凝土構(gòu)件質(zhì)量、降低能耗，進(jìn)行了混凝土預(yù)制構(gòu)件低溫養(yǎng)護(hù)的試驗(yàn)，介紹了安裝的ZEK蒸汽養(yǎng)護(hù)窯（坑）自動(dòng)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)裝置；劉鵬[4]以哈爾濱西客運(yùn)站工程嚴(yán)寒期冬期暖棚法施工為例，具體介紹了高寒地區(qū)冬期暖棚法施工；張武華等[5]結(jié)合沈陽(yáng)地區(qū)成功的案例，對(duì)暖棚室內(nèi)溫度與混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)兩者之間的關(guān)系進(jìn)行分析，比較和探討混凝土防凍保護(hù)和養(yǎng)護(hù)各種方法的適用條件。汪東東等[6]提出高溫（70℃）蒸汽養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性和抗凍性產(chǎn)生一定不利影響，在混凝土中摻礦粉可以減小蒸養(yǎng)對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)和耐久性的負(fù)作用[4]。沉管為自防水結(jié)構(gòu)，防滲要求高，冬期暖棚常溫[5]蒸汽養(yǎng)護(hù)技術(shù)成為首選，然而對(duì)于巨大的沉管結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的暖棚搭設(shè)難度大，蒸汽養(yǎng)護(hù)設(shè)備簡(jiǎn)單，棚內(nèi)溫度難以控制，易產(chǎn)生溫度裂縫。

本文結(jié)合大連灣海底隧道沉管預(yù)制冬期施工，開(kāi)發(fā)了針對(duì)大型混凝土沉管預(yù)制的暖棚智能蒸汽養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，并以大連灣海底隧道沉管E8S6節(jié)段冬期施工為工程應(yīng)用實(shí)踐，為今后類(lèi)似工程施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

大連灣海底隧道全線長(zhǎng)約5098 m，北起梭魚(yú)灣規(guī)劃20號(hào)路，向南通過(guò)隧道北岸接地點(diǎn)，隧道以沉管的形式下穿大連灣并在大連港三、四號(hào)碼頭之間登陸。其中，沉管隧道長(zhǎng)3035 m，由1節(jié)135 m、12節(jié)180 m和5節(jié)145 m長(zhǎng)的管節(jié)構(gòu)成。直線形180 m標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)由8個(gè)22.5 m長(zhǎng)節(jié)段構(gòu)成。沉管結(jié)構(gòu)斷面寬33.4 m，高9.7 m，底板及頂板厚1.4 m，側(cè)墻厚1.25 m，中隔墻厚0.6 m。管節(jié)采用干塢法預(yù)制，全斷面澆筑工藝，單次澆筑1個(gè)22.5 m節(jié)段，混凝土方量約2700 m3，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45（28 d），C50（56 d）。根據(jù)項(xiàng)目工期安排，項(xiàng)目施工將歷經(jīng)3個(gè)冬期，約38個(gè)節(jié)段需進(jìn)行冬期施工[7]。

大連地處歐亞大陸東岸、東北遼東半島最南端，屬典型的北方寒冷氣候區(qū)域，最冷月為11月份到次年的3月份，月平均溫度為-4.2℃，年極端最低氣溫為-21.1℃。在工期緊迫的條件下，如何確保沉管預(yù)制冬期施工質(zhì)量成為了項(xiàng)目的重中之重。

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范[7]要求，大連灣沉管預(yù)制混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)為：

1）澆筑前與澆筑期間，暖棚內(nèi)溫度≥5℃；

2）暖棚升溫及降溫速度≤10℃/h；

3）混凝土終凝后開(kāi)始蒸汽養(yǎng)護(hù)，在混凝土溫峰前保持棚內(nèi)溫度在20℃±2℃；

4）混凝土內(nèi)表溫差≤20℃，拆模前表環(huán)溫差≤20℃，拆模后表環(huán)溫差≤15℃。

2 暖棚構(gòu)造設(shè)計(jì)

管節(jié)各節(jié)段采用流水施工，全斷面一次性澆筑工藝。考慮到暖棚需容納模板結(jié)構(gòu)，暖棚寬度應(yīng)大于42 m、高度不小于12 m，且具備沿管節(jié)縱向移動(dòng)功能。如此大體量移動(dòng)暖棚若采用常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)暖棚，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，搭設(shè)所需人力資源和時(shí)間成本較高。本工程暖棚結(jié)構(gòu)依托沉管側(cè)模板，利用模板自身的承載能力及抗風(fēng)能力抵御暖棚帶來(lái)的額外荷載，暖棚的體積可大大減小，且借助側(cè)模自身的移動(dòng)功能，便于拆裝、移動(dòng)作業(yè)。

2.1 暖棚結(jié)構(gòu)

沉管側(cè)模為片模結(jié)構(gòu)，懸掛在側(cè)模門(mén)架上，門(mén)架部分由2榀橫向主桁架梁及其支腿立柱、聯(lián)接桁架組裝而成。其主要結(jié)構(gòu)采用H250/H200/[32a/[25a型鋼及F100×6方鋼管組焊成型，見(jiàn)圖1。

圖1 原側(cè)模門(mén)架結(jié)構(gòu)圖（mm）Fig.1 Original side form of door frame structure(mm)

為滿(mǎn)足暖棚搭設(shè)條件，在模板門(mén)架主桁架上增設(shè)7組縱向桁架（主要材料為H140×80及F50×4型鋼），5組橫向連接桿（主要材料為F50×4型鋼）及9列檁條（主要材料為Z180×70×20型鋼）作為暖棚頂部支撐結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 暖棚增加部分結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Increased part of the structure of the greenhouse

暖棚頂部的保溫材料為聚碳酸酯中空板，單塊尺寸6 m×3 m，安裝時(shí)在檁條間按2～3 m間距焊接F40×4方管作為支撐。暖棚4個(gè)側(cè)面保溫材料為雙層阻燃被，其結(jié)構(gòu)為雙層阻燃帆布，并在中間填充巖棉。單條阻燃被寬度2 m、長(zhǎng)度12.5 m，采用鋼絲固定在模板結(jié)構(gòu)上，阻燃被之間采用螺栓及魔術(shù)貼連接。暖棚結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 暖棚斷面結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Sectional structure of the greenhouse

2.2 澆筑構(gòu)造設(shè)計(jì)

管節(jié)采用汽車(chē)泵澆筑，為滿(mǎn)足墻體及頂板澆筑時(shí)汽車(chē)泵管穿過(guò)暖棚頂部的要求，在暖棚頂部開(kāi)設(shè)了62個(gè)澆筑窗口，窗口寬度為0.8～1 m、長(zhǎng)度為1.5～4 m。澆筑窗口采用框-蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在非澆筑期間可關(guān)閉，以減小暖棚內(nèi)溫度損失，如圖4所示。

圖4 暖棚頂部澆筑窗口布置及大樣圖（mm）Fig.4 Arrangement and detail drawing of pouring windows on the top of the greenhouse(mm)

2.3 暖棚耗能分析

暖棚寬42 m，長(zhǎng)24 m，高13 m，暖棚體積為42×24×13=13104 m3；暖棚頂部采用聚碳酸酯中空板，側(cè)部采用雙層阻燃被作為保溫材料，經(jīng)加權(quán)計(jì)算其平均傳熱系數(shù)為4.34 W/（m2·K）；暖棚內(nèi)溫度按20℃，環(huán)境溫度按-10℃考慮，根據(jù)暖棚熱工計(jì)算公式[8]：

式中：Q為暖棚的耗熱量；Mb為表面系數(shù)，即暖棚冷卻面積與外部度量暖棚的體積之比，m-1；K為暖棚圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；tb為棚內(nèi)溫度，℃；td為棚外環(huán)境溫度，℃；α為暖棚散熱系數(shù)，當(dāng)風(fēng)速大于5 m/s時(shí)，α=1.5～2.0，本處取2.0；V為暖棚體積。

擬采用2個(gè)4.0 t/h鍋爐，蒸汽供應(yīng)壓力約為0.4 MPa，則單個(gè)鍋爐提供的蒸汽熱功率為：

式中：Ia為蒸汽含熱量，kJ/h，查表得Ia=2738kJ/h；W為每小時(shí)蒸汽供應(yīng)量，kg。經(jīng)核算，6個(gè)暖棚采用2臺(tái)鍋爐供應(yīng)蒸汽，蒸汽供應(yīng)量滿(mǎn)足要求。

3 智能蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

3.1 蒸汽管道布置

鍋爐產(chǎn)生蒸汽后通過(guò)預(yù)埋管道經(jīng)智能蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)輸入暖棚。9組蒸汽管道主要布置在暖棚底部及行車(chē)道內(nèi)模板上，均采用電磁閥控制，同時(shí)為了監(jiān)控棚內(nèi)不同區(qū)域的溫濕度，在暖棚內(nèi)側(cè)墻、頂部、行車(chē)道內(nèi)共布置了6組溫濕度傳感器，所監(jiān)測(cè)到的溫濕度數(shù)據(jù)可無(wú)線傳輸至蒸汽控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖5。蒸汽管道采用不銹鋼材質(zhì)，在蒸汽管道上按照1.5～2 m間距、遠(yuǎn)端間距小、近端間距大的原則布置蒸汽噴頭，確保蒸汽噴射均勻。

圖5 蒸汽系統(tǒng)布置圖Fig.5 Arrangement of the steam system

3.2 蒸汽養(yǎng)護(hù)智能控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)蒸汽養(yǎng)護(hù)過(guò)程中精準(zhǔn)智能控制棚內(nèi)溫濕度，在升溫期控制升溫量及升溫速度，恒溫期保持溫度穩(wěn)定，降溫期安全、快速降溫，盡早達(dá)到拆模條件，設(shè)置了一套專(zhuān)用蒸汽養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由PLC（可編程控制器）、HMI（人機(jī)界面）、傳感器、云平臺(tái)、監(jiān)控平臺(tái)、電磁閥、手機(jī)APP構(gòu)成，其硬件連接組成如圖6所示。

圖6 蒸汽養(yǎng)護(hù)智能控制系統(tǒng)設(shè)備組成圖Fig.6 Equipment composition of steam curing intelligent control system

結(jié)合圖5、圖6可知，養(yǎng)護(hù)智能控制系統(tǒng)工作原理為：由溫濕度傳感器測(cè)得的暖棚不同區(qū)域的溫濕度傳輸至PLC，PLC根據(jù)相應(yīng)養(yǎng)護(hù)階段設(shè)定的參數(shù)相比較，判定溫度高低或升降快慢后由控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)區(qū)域蒸汽管上的電磁閥控制相應(yīng)區(qū)域蒸汽量，從而達(dá)到控制暖棚內(nèi)不同區(qū)域溫濕度的目的。同時(shí)通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)，可在遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)或手機(jī)APP查看溫控相關(guān)數(shù)據(jù)及輸入養(yǎng)護(hù)控制參數(shù)。整個(gè)溫控過(guò)程由PLC自動(dòng)控制，有效地提升了養(yǎng)護(hù)施工效率和質(zhì)量。

3.3 養(yǎng)護(hù)步驟與措施

1）準(zhǔn)備工作

在鋼筋籠內(nèi)部埋設(shè)溫度傳感器，配備無(wú)線發(fā)射設(shè)備，便于實(shí)時(shí)觀測(cè)混凝土內(nèi)表溫度。對(duì)暖棚及蒸養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)行，確保蒸養(yǎng)系統(tǒng)可正常工作。

2）澆筑前與澆筑期溫度控制

澆筑前棚內(nèi)采用75 kW暖風(fēng)機(jī)升溫，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，外界環(huán)境溫度在-15℃以上時(shí)，采用10臺(tái)75 kW暖風(fēng)機(jī)可使暖棚內(nèi)溫度上升速度達(dá)到約1.5℃/h。棚內(nèi)溫度到達(dá)5℃后，開(kāi)始混凝土澆筑，混凝土澆筑期間采用5臺(tái)75 kW暖風(fēng)機(jī)保持棚內(nèi)溫度在5℃以上。

3）升溫與恒溫期

在混凝土終凝后開(kāi)啟蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，設(shè)定棚內(nèi)養(yǎng)護(hù)溫度為20℃。觀測(cè)混凝土內(nèi)部溫度，監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部溫峰的達(dá)到時(shí)間。

4）降溫期

混凝土溫峰后，暖棚內(nèi)溫度也進(jìn)入降溫階段，降溫階段的溫度控制原則是在保持棚內(nèi)溫度與該處混凝土表面溫度之差不超過(guò)20℃的基礎(chǔ)上逐步降低該區(qū)域暖棚溫度，以盡快達(dá)到拆模要求。施工時(shí)，操作人員每4 h通過(guò)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程觀測(cè)混凝土表面溫度并按照溫控原則遠(yuǎn)程輸入暖棚控制溫度。

因本階段混凝土水化熱持續(xù)散發(fā)，實(shí)際降溫較為緩慢，考慮到暖空氣上升富集于頂部，可在保持棚內(nèi)與混凝土表面安全溫差的情況下通過(guò)打開(kāi)澆筑窗口、采用風(fēng)機(jī)向暖棚底部傳輸熱空氣等方式加快棚內(nèi)降溫速度。

在此階段，蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)對(duì)棚內(nèi)蒸汽是通過(guò)溫度變化調(diào)控，因頂部通常溫度較高，若長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉蒸汽，應(yīng)及時(shí)往頂板表面噴灑與混凝土表面溫差小于15℃的溫水并覆蓋薄膜保濕。

5）拆模與后期養(yǎng)護(hù)

因拆模需掀開(kāi)暖棚兩端篷布，將進(jìn)一步降低暖棚溫度。因此在混凝土表面溫度下降至與外界溫度差值小于15℃時(shí)進(jìn)行拆模工作（此時(shí)混凝土強(qiáng)度一般已達(dá)到70%抗凍強(qiáng)度以上），拆模時(shí)嚴(yán)禁同時(shí)掀開(kāi)兩端篷布。內(nèi)模拆除后立即恢復(fù)兩端篷布，在暖棚內(nèi)繼續(xù)安裝溫控標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)滿(mǎn)14 d方可拆除側(cè)模板及暖棚。

4 智能蒸汽養(yǎng)護(hù)實(shí)踐

以應(yīng)用該技術(shù)的大連灣海底隧道沉管E8S6節(jié)段冬期施工為例，該節(jié)段混凝土澆筑在2021年1月3日開(kāi)展，持續(xù)約37 h，室外溫度為-15～-6℃，在澆筑后52～60 h到達(dá)溫峰后降溫，在216 h達(dá)到拆模條件開(kāi)始拆除模板，拆模后無(wú)危害裂縫，強(qiáng)度符合要求，如圖7所示。

圖7 E8S6節(jié)段冬期施工溫度及混凝土強(qiáng)度圖（以頂板為例）Fig.7 Winter construction temperature and concrete strength of section E8S6(take the roof as an example)

5 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)側(cè)模門(mén)架式結(jié)構(gòu)架設(shè)暖棚頂部支撐結(jié)構(gòu)及保溫結(jié)構(gòu)，充分利用了模板自身的承載能力及抗風(fēng)能力，減小了暖棚體積，并依靠側(cè)模暖棚移動(dòng)功能，在滿(mǎn)足暖棚使用功能的情況下大大減小了暖棚的搭設(shè)工作量及蒸汽耗用量。建立了智能蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)傳感器、溫控PLC、電磁閥等裝置可自動(dòng)監(jiān)控與調(diào)節(jié)暖棚內(nèi)溫度，保證了混凝土水化熱的平穩(wěn)釋放，防止了冬季溫度驟降等冷沖擊影響，減少了溫差裂縫、收縮裂縫的出現(xiàn)，保證了混凝土的強(qiáng)度與耐久性。結(jié)合大連灣海底隧道沉管預(yù)制冬期施工暖棚智能蒸汽養(yǎng)護(hù)技術(shù)，提出了適用于大型沉管管節(jié)冬期施工方法。暖棚蒸汽養(yǎng)護(hù)法在大連灣海底隧道沉管預(yù)制冬期施工的應(yīng)用實(shí)踐表明，該施工技術(shù)在大型暖棚搭設(shè)使用、棚內(nèi)溫度控制和混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)方面均達(dá)到了預(yù)期目的，混凝土表面無(wú)裂縫，養(yǎng)護(hù)效果良好，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)混凝土施工，特別是對(duì)大型沉管混凝土冬期施工具有借鑒與指導(dǎo)意義。