港珠澳大桥超大断面预制沉管混凝土温控监测预警系统开发及应用

2014-12-25李进辉刘可心焦运攀徐文冰

铁道建筑 2014年9期

李进辉，刘可心，黄俊，焦运攀，徐文冰

(1．中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉 430040;2．长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉 430040)

港珠澳大桥岛隧工程是我国交通建设史上技术最复杂、标准最高的海中隧道工程，也是世界范围内已建和在建沉管隧道中长度最长、埋置最深、单孔跨度最宽、单节柔性管节最长、规模最大的海底公路沉管隧道。岛隧工程设计使用年限为120年，其沉管结构具有以下特点:①沉管结构处于Ⅰ类碳化和Ⅲ类海洋氯化物腐蚀环境条件下，海洋氯化物腐蚀环境作用为控制因素，其作用等级为严重(D级)至非常严重(E级)，腐蚀环境非常严酷，一旦出现裂缝会加速氯盐侵蚀危害;②沉管结构在海平面以下40多米深度，在长期水压条件下，表面裂缝可能连通、延伸，成为渗水通道，导致其自身抗渗能力降低，加速氯盐侵蚀;③沉管混凝土结构长埋于水下，结构无法修复，一旦出现腐蚀将极大影响结构使用寿命;④沉管结构采用自防水设计，无外包防水，对防裂防渗要求非常严格。此外，作为具有国家战略意义的世界级跨海通道，其社会影响和受关注度极高。因此，预制沉管混凝土不允许出现危害性裂缝［1-3］。

港珠澳大桥岛隧工程预制沉管采用工厂化预制，自动化程度高，生产连续不断，对温控监测和控制时效性及精确性要求极高。传统温控采用(温度、湿度、应变、压力)传感器+人工巡检+人工记录+Excel报表的工作方式，在工作效率、工作准确性上已经不能满足工厂化施工的管理要求。应用计算机技术和数字化测量技术，满足数据从采集、统计、分析、预警一体化处理要求，实现数字化、自动化的施工管理，是大体积混凝土温控技术发展的趋势。因此，需要开发一个全面覆盖预制各环节、全过程的可视化温控监测预警系统，实现预制沉管混凝土自动化、专业化的裂缝控制，有效保证沉管质量，满足港珠澳工程建设的需要。同时，高度自动化、智能化的控制系统将填补我国交通行业工厂法预制构件温控研究领域的空白，对提升我国类似工程的施工技术水平具有十分重要的现实意义和社会效益。

1 现场温控监测关键参数确定

1.1 总体思路

因材料性能和环境因素的不确定性，现场控裂参数的确定仅依靠仿真计算是不够的，需要经过室内和现场试验并根据现场实际需要，经过多次反演和校核计算的循环才能最终确定。温控监测关键参数确定流程如图1。

1.2 控裂方案

根据前期研究成果，对优化后的沉管混凝土结构进行温度应力仿真分析，在混凝土配合比初步选定，抗裂安全系数1.4条件下，确定不出现有害温度裂缝的混凝土浇筑温度、最高温度、内表温差、降温速率等温控指标［4-5］。

在温度应力仿真分析的基础上，为满足温控标准的要求，现场采取优选原材料、优化配合比、控制原材料温度、片冰和制冷水拌合混凝土、喷雾降温和养护、自动化温度监测等综合温控措施，控制大体积混凝土温度裂缝［6-9］。

1.3 模型试验验证

根据前期研究成果提出的沉管混凝土配合比进行室内模拟试验［4］。具体做法是，试验室内浇筑一定尺寸的混凝土块体，检测块体混凝土相关力学和热学性能，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、混凝土温升和升温速率等。依据检测结果，通过仿真反演分析，修正和调整仿真分析计算参数取值，提高仿真计算的可靠性。

1.4 关键参数确定

结合现场施工的具体情况，基于前期专题研究成果，经过模型试验验证，优化确定现场温控监测关键参数［4-5］。关键参数包括温度、湿度、压力三大类。

1.4.1 温度控制参数

包括混凝土各种原材料温度以及搅拌站混凝土出机温度、混凝土浇筑温度、沉管混凝土内部最高温度、厂区环境温度、养护温度等。

1)原材料温控标准。根据现场条件，对水泥、粉煤灰、矿粉、骨料等原材料温度提出了一定的要求。允许原材料温度出现一定程度的波动，见表1。但是最终浇筑温度必须满足温控设计要求。

表1 原材料温控标准 ℃

2)混凝土温控标准。①混凝土浇筑温度控制:高温季节(月平均温度≥25℃)浇筑温度≤26℃，常温季节(月平均温度18～25℃)浇筑温度≤23℃，低温季节(月平均温度≤18℃)浇筑温度≤20℃;②最高温度控制:高温季节沉管内部最高温度≤70℃，常温和低温季节沉管内部最高温度≤65℃;③混凝土温差控制:混凝土最大内、表温差≤25℃，混凝土表面与环境温差≤15℃，养护水与混凝土表面温差≤15℃;④降温速率控制:拆模后≤3℃/d。

1.4.2 湿度控制参数

1)浇筑完后所有裸露面覆盖土工布保温，并保持湿润;

2)拆模后进入养护棚喷雾养护，养护区相对湿度控制在85%以上;

2.2.2 BIND BIND≥4分者24例，其预测神经系统不良预后的灵敏度为76.9%，特异度为75.9%，阳性预测值为43.5%，阴性预测值为93.2%。

3)预制沉管拆模后湿养护时间不少于14 d。

1.4.3 凝结状态参数

1)控制侧压力在合理范围，即保证其不超过模板设计承压力;

2)混凝土初凝时间为10～15 h，防止混凝土出现冷缝。

2 温控监测预警系统开发

2.1 系统基本构架

根据系统的总体设计思想和原则，结合分布式应用及数据库技术，系统采用三层C/S架构。后端为数据存储层，采用Oracle数据库。中间层为应用逻辑层，提供应用服务。接入层分为数据采集层和展现服务层，以客户端的形式分布，具体包括桌面系统数据录入、多视角综合查询终端、数据自动采集接口程序、报表打印服务等。

系统组成分硬件和软件两个部分。硬件包含数据采集设备、数据传输设备、数据存储设备、数据输出设备，软件主要功能为数据存储、分析计算、综合查询、形象展示、生成报表、温控预警，同时提供数据服务，通过数据接口连接其他系统，见图2。

图2 混凝土温控监测系统功能框架

2.2 系统功能简介

依据前期温控监测参数，开发可视化温控监测预警系统。系统依托控制平台软件，自动采集监测系统数据进行计算机分析处理，输出实时的动态可视化数据，并具有报警、控制或提出控制建议功能，实现温度应力自动化监测和控制。软件包括系统管理、基础数据维护、数据采集、综合查询和温控预警功能。此外，软件还需要有一定的抗突发事件和容错能力，例如出现突然停电、某监测点短路、数据异常等情况的自动处理。

3 现场监测及应用

3.1 现场监控关键点

结合温控监测关键参数控制要求，现场监测关键控制点包括以下几个方面:

1)对原材料温度检查和控制，不合格则计算是否可以通过增加加冰量解决，不能解决则不允许浇筑。

2)对混凝土浇筑温度的控制，监测各原材料温度和混凝土温度，一旦发现浇筑温度控制异常，及时反馈信息，作为加冰量调整的依据;加冰不能解决则需要密切关注最高温度和成品是否开裂并注意加强养护。同时总结经验，寻求下一次浇筑前的改进措施。

3)最高温度检查和控制，发现不合格则需分析原因，寻求下一次浇筑前的改进措施，考虑浇筑温度是否要继续降低。

4)对预制区温度和湿度控制，预制区温湿度反馈信息作为预制区温湿度控制设备的控制参数来源。

5)对养护区温度和湿度控制，监测养护区温湿度，发现不满足要求，即调整养护区喷雾装置水温、喷水量、喷水区域和时间等。

6)凝结状态参数控制，控制侧压力在合理范围，既保证其不超过模板设计承压力。同时检测现场混凝土凝结时间，防止混凝土出现冷缝。

3.2 现场应用

通过前期足尺模型试验对可视化温控监测预警系统进行了验证，经过仿真分析计算和反演，全面验证了前期制定控裂方案及现场监控参数的合理性，同时证明了监测系统的稳定性和可行性［5］。在足尺模型试验验证的基础上采用研发的可视化温控监测预警系统对港珠澳大桥预制管节实施现场监控，见图3。其中前两个管节监测结果见表2。

图3 沉管预制温度监测系统界面

从表中监测结果和预制沉管拆模后外观(图4)可以看出:通过现场采取的温控措施，混凝土各项监测参数均满足温控标准的要求，预制沉管管节没有出现裂缝。可视化温控监测预警系统与沉管工厂化预制的自动化需求相匹配，满足了时效性要求。实现了预制沉管温度、湿度、侧压力的自动化监测和控制，有效保证了沉管的质量，为港珠澳大桥预制沉管耐久性实现提供了有利的保障。