严寒地区地下水封洞库冬季施工保温措施的优化与应用

2024-03-06刘创业王立超马健雄

石油工程建设 2024年1期

关颂，刘创业，王立超，马健雄

大庆油田工程质量监督站，黑龙江大庆 163458

某地下水封洞库项目，按照国家发改委和大庆油田公司确定的工期目标，需要在冬季低温下不间断施工6～7 个月。该项目所处地区冬季气温在-20～-40 ℃之间，每年12 月至次年2 月温度最低，若需连续不间断施工，必须解决温度这一大难题，保障工程施工中各项要素的温度要求。

1 地下水封洞库项目冬季施工主要特点

1）冬季施工安全、质量风险大。冬季施工的周期长，技术要求复杂，不确定因素影响大[1]。如遇场地结冰、喷射混凝土养护不到位、注浆达不到预期效果、作业面结冰等极易引发质量和安全事故。防寒保温稍有疏漏就会产生混凝土冻胀、裂缝（纹）、结构疏散、表面泛霜等质量问题，路基填筑控制稍有不慎，会形成压实度不足、软弱夹层、路面面层开裂等质量缺陷[1-2]。

2）冬季施工质量事故多发。冬季混凝土特点： 0～4 ℃时，混凝土凝结时间比15 ℃时延长3倍，0.3～0.5 ℃时，混凝土开始冻结，水化反应基本停止；-10 ℃时水化反应完全停止，混凝土强度不再增长。在负温条件下混凝土中的游离水结冰，体积增加9%，硬化的混凝土结构会发生冻胀破坏。同时，冬季施工质量事故具有隐蔽性、滞后性，冬季施工，春季才开始暴露出问题，轻者修补，重者返工处理，不仅给工程带来巨大经济损失，而且影响工程的工期及使用寿命[2-5]。

3）冬季施工成本投入高[3]。冬季施工需要对混凝土进行全过程防寒保温，以及对已施工的项目进行全部防寒保温，这些措施需投入大量的保温材料、设施、设备和能源。另外，水封洞库内的通风会带走大量的热量，热损耗极大，因此需要制订详细方案，既保证洞库内空气清洁又能最大程度降低能耗，保证施工质量安全。

4）冬季施工生产效率低下。严寒条件下，防寒保温消耗工时多、工序组织间隙时间长、混凝土强度增长慢等因素造成生产效率低下[6]。

根据以上特点，在该工程施工中，现场通过初步的模拟计算，借鉴以往工程和其他行业冬季施工的经验，结合工程周边条件，反复试验现场加热供暖效果，摸索出一套适合本工程的冬季供暖加热方法。选择电能作为基础的加热供暖能源，采用保温材料搭建厂棚储存混凝土等原材料，利用电加热器进行室内加热升温，采用电锅炉加热施工用水，通风管道加装管道电加热器加热冷空气，供排水管道采用地埋及外部电伴热辅热包裹，洞口加装防寒门及电暖风机供热等方式，严格控制施工各环节的温度，成功实现了各项温度指标，确保了工程进度和实体质量。

2 加热供暖能源选取

结合工程周边的能源供应条件和实际施工需求，将周边电能、燃油、气体、可燃供热材料（煤炭、秸秆等）从技术可行、安全环保、成本控制方面进行分析，确定将电能作为供暖加热能源。

2.1 技术可行性

1）该地区电、燃油、煤炭应用广泛且供应充足，但燃气主要供应市民生活所需，存储有限，因此电、燃油、煤炭作为能源可行性高。

2）转化效率方面，电能加热转化效率在4种能源中最高（95%以上），其次为燃油、燃气和煤炭。

3）电能转化配套设备简单，安装方便；煤炭及燃油需要配套相应的成套设施方可实现加热供暖，初期投入较高；燃气基础设施更为复杂，难以实施。综上，电能使用广泛，实施可行性高。

2.2 安全环保分析

当地实行煤改电政策，未来电能将逐步取代煤炭进行加热供暖；燃煤需设置除尘、脱硫、脱硝装置，保障排放指标达标方可；燃气需要设置成套储存使用设备，安全要求高；燃油锅炉需要做好防静电、防冻、防水以及燃烧物的处理等措施，使用安全风险较高。

燃料型锅炉在密闭厂房或地下洞室内污染空气，使用中火灾和爆炸安全风险较高；电能作为能源，对空气无污染，在规范用电下安全可控。

2.3 经济适用性

4 种燃料锅炉热效率、经济性由低到高依次为煤→气→电→油。燃气投入成本大，建设周期长，保障供应困难；因环保要求，燃煤及燃油锅炉的蒸发容量严重受限，要求的低蒸发容量的锅炉无法满足实际需要，采用多台低蒸发容量的锅炉极不经济，且建设大型锅炉周期较长，审批手续繁杂，不能及时投入使用。

经总体分析，最终优选电能作为本工程供热保温的能源。

3 加热供暖设备选择

3.1 热功耗计算

鉴于该工程冬季施工时间长、温度低，工程建设所需的生产辅助设施应根据当地的风、雪载荷及冬季保温要求选择设备材料，以适应当地的气候条件，保障工程施工。

地面临时建筑方面，委托有相应资质的设计单位根据荷载和气温条件进行设计。根据GB 50019—2018《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》中供暖参数取值，计算各类生产辅助设施的供热指标，从而确定电力线路直径、变压器容量、加热设备型号及功率等参数。

施工前进行初步计算，并根据计算结果开展广泛市场调查，选择合适的电能加热设备。

3.2 材料、设备选择

建筑物为临时设施时以钢结构为主，型钢骨架外部覆盖保温材料，尽可能杜绝“热桥”问题出现。保温材料面板主要以玻璃丝绵夹层为主，厚度≥15 cm。为防止屋顶积雪结冰问题，屋顶保温板外铺25 W/m电热阻丝，间排距25 cm。根据实际情况进行开启。

采用压制保温板制作洞口的防寒门，洞口内侧设置钢管或型钢骨架支撑。洞口通道设置人员和车辆分离通道门。车辆通道设置快速卷帘门，及时开启、关闭减少冷空气进入量，确保洞内恒温。通道门在无人员、车辆进出时处于关闭状态。

拌合用水加热设备选取电锅炉加热，配置自动控制柜，根据设定温度实时进行拌合水循环加热。

选用石墨烯电暖器对综合加工厂和办公房屋进行室内加热，电暖器个数根据面积和规定温度设定，维持24 h控温。

洞内加热、通风选用与风管配套的风道加热器，对新鲜冷空气加热后输送至作业面。供排水系统则选用电伴热带进行缠绕加热，外部包裹保温岩棉保温。

局部需要集中升温时，采用电暖风机进行空气循环加热，保障施工生产所需温度。

3.3 供暖系统应用

1）在综合加工厂内，石墨烯电加热器布设在墙壁高度2.0 m，间隔2.0 m，暖风炮在地面上间隔3 m 设置，见图1。根据供暖面积和所需加热功率，计算布置数量；同时根据加工厂内钢筋加工、混凝土拌合、材料储存等功能区划分，调整布设电加热器的个数和间距，以保障室内基本作业温度。为防止车辆进出厂房失温过快，设置两道防寒门，配置快速卷帘门，减少冷热空气对流，降低因频繁进出造成室内温度降低的情况。

图1 石墨烯电加热器和暖风炮

2）临时办公设施内，按面积进行布设电加热设备。人员工作期间全功率运行，休班时则低功率运转。一般集装箱式板房，配置两个4 kW 电加热器可满足供暖需要。

3）拌合站内采用100 kW 电锅炉加热拌合用水。配置水箱、控制柜、温度感应器等，实现温度自动控制。

4）砂、碎石的升温与保温措施。合格仓内的砂、碎石等大堆料顶部以篷布遮盖保温，选择一个砂仓、一个5～10 mm 碎石料合格仓布设地暖，增设锅炉加热系统加热。对于骨料升温，最高温度不超过40 ℃，优先选择加热砂仓，当只加热砂子不能满足施工要求时再加热碎石，通常情况下尽量不加热碎石。

5）供排水管道地埋深度2.6 m以上，外露部分采用24 V电伴热带3根，均布铺设进行加热，利用保温岩棉或橡胶材料进行包裹，防止管道冻结。

6）巷道口采用防寒门配置快速卷帘门进行防护，防寒门设置两道，抵御-30～-40 ℃低温情况，保障地面不结冰，车辆可正常通行。防寒门上顶部预留窗口，作为污浊空气排出通道。正面预留施工通风管道，安装风管后四周堵塞密闭。

7）通风方面，根据温度和加热空气体积所需热量计算，购置500～600 kW 组装式风道加热器，根据不同温度启用不同组数的电阻，加热空气后输送至洞内各作业面。风道加热器（见图2～图3）安装于主管道段，可靠近风机也可在风管合适部位安装。

图2 双管组装式风道加热器

4 冬季施工标准与管理

4.1 质量保证措施

1）根据冬季施工规范标准的温度要求，选择经济可靠的加热措施，保障施工温度符合标准。

2）施工过程中由专人负责温度测定，及时调整设备配置和功率，保障温度始终达到标准要求。

3）对已施工实体的质量进行实验检测，保障施工质量合格。

4）严格执行巡视检查制度，及时解决加热供暖方面的问题，在温度达到标准情况下保证工程质量达到合格标准。

4.2 质量检验标准

1）钢筋加工厂：根据GBZ1—2010《工业企业设计卫生标准》第6.2.2.2条表B.1常见职业劳动强度分级表规定，结合本工程钢筋加工厂面积、工作人数计算。劳动者人均占用面积为50～100 m²，劳动强度为Ⅱ级中等劳动强度，故钢筋加工厂温度≥7 ℃。

2）现场办公区、值班室：根据GBZ1—2010《工业企业设计卫生标准》第6.2.2.2 条表B.1 常见职业劳动强度分级表规定，本工程现场办公区、值班室为Ⅰ级劳动强度，为轻劳动，故现场办公区、值班室温度≥18 ℃。

3）混凝土拌合站：根据JTG/T 3050—2020《公路桥涵施工技术规范》第25.2.5 条、DL/T 5144—2015《水工混凝土施工规范》第9.2.6 条，混凝土入模温度≥5 ℃，考虑到运输过程、浇筑过程中混凝土温度会降低，混凝土拌合物的出机温度按10 ℃控制。结合GBZ1—2010《工业企业设计卫生标准》第6.2.2.2 条表B.1 常见职业劳动强度分级表规定，厂房内温度≥5 ℃。