朔州隧道冬期混凝土施工热工计算

高恢军

【摘 要】本文结合准池铁路朔州隧道施工实际，介绍冬期混凝土施工拌和物热工计算原理及操作要点。对类似工程有借鉴意义。

【关键词】冬期施工；混凝土；温度控制；热工计算

1 工程概况

神华准池铁路朔州隧道位于山西省朔州市境内，全长11299m，隧道里程DK128+656～DK139+955，为双线特长隧道。除出口段位于1200m半径的曲线上，曲线进入隧道352.6m余均位于直线段上。洞内纵坡为3.0‰/5488m、-7.0‰/5800m、3.0‰/5m，基本呈对称的人字坡，共设计进、出口和5个斜井辅助施工，合同工期574d。工期紧，安全风险大。全隧设有4座斜井和进、出口6个作业工区掘进施工，朔州隧道地处雁北高寒区，施工期经历两个冬期，每年冬期从11月到次年4月初，历时5个月。

2 冬期施工温度控制要求

1）当环境昼夜平均气温连续3天低于5℃或最低气温低于-3℃时，混凝土工程按照冬期施工方案组织施工；

2）混凝土拌合站环境温度要在10℃以上；

3）混凝土入模温度不低于5℃，搅拌时间较常温延长50%，水加热不应超过80℃；

4）喷射混凝土时环境温度、材料温度不应低于5℃。

3 混凝土热工计算标准

按照《铁路隧道工程施工技术指南》（TZ204-2008），《铁路混凝土工程施工技术指南》，《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》（铁道部铁建设[2010]120号文）对混凝土的各项要求，确定在不同环境温度下的入模温度：

1）根据确定的入模温度，利用混凝土运输温度损失计算公式，计算对应于某一环境的混凝土拌和物的出机温度；

2）然后利用混凝土拌和物出机温度计算公式，计算混凝土拌和物温度；

3）利用混凝土拌和物温度计算公式，计算在混凝土原材料所能达到的温度条件下混凝土拌和物温度，混凝土拌和物温度应大于通过环境温度计算得出的结果。否则，就应加强混凝土原材料温度保证措施，使混凝土拌和物温度满足要求。

4 热工计算

4.1 混凝土运输温度计算

根据朔州地区历年气象资料，冬期11月到次年3月份日平均气温，选择环境温度0℃和-15℃两种情况，进行混凝土拌和物热工计算。混凝土采用灌车运输，先计算环境温度为-15℃时，混凝土在运输过程中的温度损失：

ts=（at1+0.032n）（T1-Ta）

式中ts——运输过程温度损失；

a——温度损失系数（hm-1），当混凝土搅拌输送车时，a=0.25；

t1——混凝土自运输至浇筑现场的时间（h）取0.3h；

n——混凝土运输次数，取2；

T1——混凝土拌和物的出机温度（℃），按10℃时；

T2——混凝土拌和物经运输至成形完成时的温度（℃）即入模温度；

Ta——运输时的环境温度（℃），取-15℃。

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

按照施工实际，混凝土浇筑时入模温度要求（10℃），T2≤T1-ts

（T2≤10℃-3.475℃=6.525 入模温度要求 5℃≤出机温度-损失温度后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℃

如果按气温-20℃计算时，温度损失为ts=0.139T1+2.78℃=5.85℃

出机温度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 混凝土拌和物出机温度计算

根据以上计算，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——混凝土拌和物温度（℃）

T1——混凝土出机温度（℃），由第一步计算，取14.04

Tb——拌和机棚内温度（℃）应采取保温措施，取10℃

4.3 混凝土拌和物温度计算

水加热按60℃，水泥、砂石料温度5℃，根据配合比每方混凝土用水泥、水、砂、石用量分别为417kg、143kg、616kg、1197kg，砂石料设保温棚，实测含水量，砂子2%，石子1%，根据公式：

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℃（能满足要求）

式中：T0——混凝土拌和物温度；

WW、WC、WS、Wg——水、水泥、砂、石的用量（kg）

TW、TC、TS、Tg——水、水泥、砂、石的温度（℃）

PS Pg——砂、石的含水率（%）

C1——水的比热容（kJ/（kg·k ））

C2——冰的溶解热（kJ/kg）

当骨料温度>0℃时，C1=4.2，C2=0

当骨料温度≤0℃时，C1=2.1，C1=335

同以上计算，当环境温度为0℃时，T0应大于11.92℃，

1）按照-水、水泥、砂石料的温度分别为45℃、5℃、5℃，根据以上公式计算，得：T0=12.6℃>11.92℃，满足要求。

2）按照-水、水泥、砂石料的温度分别为80℃、0℃、0℃，根据以上公式计算，得：T0=12.18℃>11.92℃，满足要求。

5 计算中的关键温度

1）规定性温度：混凝土进入冬期施工的温度要求，混凝土入模要求；

2）环境类温度：当地环境温度、搅拌棚温度；

3）混凝土原材料温度：水温、水泥、砂石料温度，采取什么保温措施。

6 结束语

由以上计算可知，混凝土搅拌时所需水温均满足《铁路混凝土工程施工技术指南》要求拌和水的加热温度不宜高于80℃的条件，当环境温度在零度这一临界点时，水泥、砂石料的温度为5℃，水温≥45℃就能满足冬季施工混凝土的要求，水泥、砂石料的温度为0℃，水温要达到80℃才能满足冬季施工混凝土的要求。当环境温度在-15℃，水泥、砂石料的温度为5℃，水温要达到60℃才能满足冬季施工混凝土的要求。可见保证水温在45～80℃，水泥、砂石料的温度在0～5℃这一范围是保证混凝土拌和物温度的一个关键。一般气温在-15℃的情况很少，现场对入模温度进行监控量测，确保在10℃以上浇筑混凝土。隧道进洞200m以后洞内温度在10℃以上。

准池铁路朔州隧道经过2个冬期的混凝土施工，设有3个混凝土集中搅拌站，通过现场热工计算，采取搭建保温棚，确保了冬期混凝土施工质量。

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[责任编辑：汤静]