极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法与流程

1.本发明属于隧道工程的混凝土施工技术领域，具体涉及一种极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法。


背景技术：

2.混疑土拌合物浇筑后之所以能逐渐凝结和硬化，直至获得最终强度，是由于水泥水化作用的结果。而水泥水化作用的速度除了与混凝土本身组成材料和配合比有关外，主要是随着温度的高低而变化的。当温度升高时，水化作用加快，强度增长也较快；而当温度降低到0℃时，存在于混凝土中的水有一部分开始结冰，逐渐由液态水变为固态水。这时参与水泥水化作用的水减少了，因此，水化作用减慢，强度增长相应较慢。若温度继续下降，当存在于混凝土中的水完全变成冰，也就是完全由液态变为固态时，水泥水化作用基本停止，此时强度就不会再增长。
3.水变成冰后，体积增大约9％，同时产生约2500千克每平方厘米的冰胀应力。这个应力值常常大于水泥石内部形成的初期强度值，使混凝士受到不同程度的破坏即早期受冻破坏而降低强度。此外，当水变成冰后，还会在骨料和钢筋表面上产生颗粒较大的冰凌，减弱水泥浆与骨料和钢筋的粘结力，从而影响混凝土的抗压强度。当冰凌融化后，又会在混凝土内部形成各种各样的空隙，从而降低混凝土的密实性及耐久性。
4.由此可知，在冬季混凝土施工中，水的形态变化是影响混凝土强度增长的关键。当冬季最低气温在-10℃左右时，通常做法是：对混凝土原材料中的水和骨料进行预热；在混凝土原材料中加入外加剂并进行拌和，以得到混凝土拌和物；待混凝土拌和物达到预设的出罐温度时，转移混凝土拌和物至浇筑区域并进行浇筑；采用棉被、棉毡或土工布等保温材料覆盖浇筑成型后的混凝土以进行蓄热养护。在冬季最低气温能达到-40℃左右的极寒地区进行隧道工程施工时，若采用上述施工方法，隧道中的二次衬砌混凝土强度不能达标。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法，在冬季最低气温达到-40℃左右的极寒地区进行隧道工程施工时，隧道中的二次衬砌混凝土强度达标。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法，包括步骤：
7.提前准备冬季施工混凝土原材料；对混凝土原材料中的拌合水和骨料进行预热和保温；
8.在混凝土原材料中加入外加剂并送入搅拌机中拌合，以得到混凝土拌合物；对搅拌机中的混凝土拌合物保温，使混凝土拌合物的出机温度达到预设值；
9.对运输罐车的搅拌罐加热和保温，通过运输罐车将混凝土拌合物转移至隧道中；
10.封闭隧道洞门，并在洞内采用加热装置进行加热和保温，以保证隧道施工作业处
的平均温度保持在10℃以上，一天中最低气温高于等于5℃，使混凝土进行正常温度养护；
11.在隧道内进行二次衬砌混凝土的浇筑，采用保温材料覆盖浇筑成型后的二次衬砌混凝土以进行蓄热法综合养护，同时浇筑多组混凝土试块，与二次衬砌混凝土同条件养护，以确定二次衬砌混凝土的拆模时间；
12.当混凝土达到拆模强度并冷却至5℃时，拆除混凝土的模板；当混凝土达到受冻临界强度时，拆除保温材料和移除隧道内加热设备。
13.进一步的，所述提前准备冬季施工混凝土原材料，包括：水泥选用硅酸盐水泥或普通硅酸水泥，水泥标号大于等于42.5，水灰比小于等于0.5；所用骨料必须清洁；选用外加剂，包括早强剂、防冻剂、减水剂、抗冻剂。
14.进一步的，所述对混凝土原材料中的拌合水和骨料进行预热和保温，包括步骤：搭设第一保温房，用于对拌合水进行预热的电蒸汽锅炉、以及用于存放骨料的料仓均位于第一保温房之内；所述水的预热温度配置为60～80℃，所述骨料的预热温度配置为0～15℃。
15.进一步的，所述料仓包括砂仓和碎石仓，骨料中的砂子存放于砂仓中，砂仓的外周面上安装有地暖装置，砂仓中的砂子通过地暖装置预热；骨料中的石子存放于碎石仓中，碎石仓的外周面上安装有水暖装置，碎石仓中的石子通过水暖装置预热；每个料仓间采用棉板进行围挡。
16.进一步的，所述对搅拌机中的混凝土拌合物保温，包括步骤：搭设第二保温房，搅拌机和外加剂存放容器位于第二保温房之内，第二保温房中设置有暖风机供暖，每2h测温一次，保证房内温度高于5℃。
17.进一步的，所述在混凝土原材料中加入外加剂并送入搅拌机中拌合，包括步骤：预热后的拌合水通过输水管送至搅拌机中，输水管的外周缠绕电热丝后包覆保温棉，并安装温度控制器，使拌合水达到恒温；
18.预热后的骨料通过上料输送机构输送至搅拌机中，第一保温房与第二保温房通过保温筒相连通，上料输送机构具有用于输送骨料的传送带，传送带的进料端位于第一保温房之内，传送带沿保温筒中的通道向第二保温房之内延伸，传送带的出料端位于第二保温房之内、且与搅拌机的进料口相对应布置；
19.水泥通过水泥输送管送至搅拌机中。
20.进一步的，所述对运输罐车的搅拌罐加热和保温，包括：搅拌罐上设有保温套，保温套与搅拌罐之间设置有电加热结构。
21.进一步的，所述封闭隧道洞门，并在洞内采用加热装置进行加热和保温，包括：使用保温帘遮挡隧道洞口，洞内采用暖风机供暖，洞口采用火炉升温。
22.进一步的，所述采用保温材料覆盖浇筑成型后的二次衬砌混凝土以进行蓄热法综合养护，包括步骤：采用塑料薄膜和阻燃草帘覆盖浇筑成型的二次衬砌混凝土，塑料薄膜位于阻燃草帘与浇筑成型的二次衬砌混凝土之间，塑料薄膜用于防止混凝土失水；二次衬砌混凝土的迎风面涂刷养护剂。
23.进一步的，所述采用保温材料覆盖浇筑成型后的二次衬砌混凝土以进行蓄热法综合养护，还包括步骤：在浇筑成型的二次衬砌混凝土中安装温度传感器，测量二次衬砌混凝土的温度并通过数显装置显示温度值；温度传感器位于二次衬砌混凝土的易冻处和薄弱处。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法。在冬季最低气温达到-40℃左右的极寒地区进行隧道工程施工时，隧道中的二次衬砌混凝土强度达标。还具有工艺新、可靠度高、施工速度快、可缩短施工工期、便于推广实施等优点。
附图说明
25.图1是本发明的流程图；
26.图2是本发明的料仓、电蒸汽锅炉、水泥存放塔、外加剂存放容器和搅拌机的位置示意图；
27.附图标记：1-搅拌机；2-第一保温房；3-第二保温房；4-电蒸汽锅炉；5-砂仓；6-碎石仓；7-水泥存放塔；8-外加剂存放容器；9-保温筒。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
29.极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法，包括步骤：
30.提前准备冬季施工混凝土原材料，其中水泥选用硅酸盐水泥或普通硅酸水泥，水泥标号大于等于42.5，水灰比小于等于0.5；所用骨料必须清洁；选用外加剂，包括早强剂、防冻剂、减水剂、抗冻剂。对混凝土原材料中的拌合水和骨料进行预热和保温，水的预热温度配置为60～80℃，骨料的预热温度配置为0～15℃。具体的，搭设第一保温房2，用于对拌合水进行预热的电蒸汽锅炉4、以及用于存放骨料的料仓均位于第一保温房2之内。料仓包括砂仓5和碎石仓6，骨料中的砂子存放于砂仓5中，砂仓5的外周面上安装有地暖装置，砂仓5中的砂子通过地暖装置预热；骨料中的石子存放于碎石仓6中，碎石仓6的外周面上安装有水暖装置，碎石仓6中的石子通过水暖装置预热。碎石仓6设置有多个，用于存放粒径大小不同的石子。每个料仓间采用棉板进行围挡。
31.在混凝土原材料中加入外加剂并送入搅拌机1中拌合，以得到混凝土拌合物；对搅拌机1中的混凝土拌合物保温，使混凝土拌合物的出机温度达到预设值。
32.当外加剂存放容器为罐体时，罐体与搅拌机1的进料口通过外加剂输送管道相连通，外加剂经外加剂输送管道送至搅拌机1中。外加剂包括早强剂、防冻剂、减水剂、抗冻剂。防冻剂宜使用无氯盐防冻剂，对非承重结构的混凝土使用氯盐外加剂的，还应当添加氯盐阻锈剂。氯盐掺量不得超过水泥重量的1％，素混凝土中氯盐掺量不得大于水泥重量的3％。混凝土原材料中的水泥无需加热，水泥存放于露天设置的水泥存放塔7中，水泥通过水泥输送管送至搅拌机1中。搭设第二保温房3，搅拌机1和外加剂存放容器8位于第二保温房3之内，第二保温房3中设置有暖风机。暖风机吹出暖风使第二保温房3中的环境温度大于5℃，通过第二保温房3的配合，实现对搅拌机1中混凝土拌合物的保温。优选的，预热后的拌合水通过输水管送至搅拌机1中，输水管的外周缠绕电热丝后包覆保温棉，并安装温度控制器，使拌合水达到恒温；预热后的骨料通过上料输送机构输送至搅拌机1中，第一保温房2的侧壁上开设有出料窗口，第二保温房3的侧壁上开设有进料窗口，出料窗口与进料窗口之间连接有保温筒9。保温筒9为两端开口的筒体结构。保温筒9可以由保温棉制品围成，也可以由保温管形成。当保温筒9由保温棉制品围成时，保温筒9的内侧壁通过支撑框架支撑。当保温
筒9由保温管形成时，其下方安装有用于支撑保温管的支座。预热后的骨料通过上料输送机构输送至搅拌机1中，上料输送机构具有用于输送骨料的传送带，传送带的进料端位于第一保温房2之内，传送带沿保温筒9中的通道向第二保温房3之内延伸，传送带的出料端位于第二保温房3之内、且与搅拌机1的进料口相对应布置。
33.第一保温房2和第二保温房3均包括彩钢板，彩钢板设置有多块，多块彩钢板相拼合、且形成封闭式结构的彩钢房。彩钢房通支撑框架支撑。彩钢房上安装有开关门，便于人员进出。彩钢房的顶部和外周均覆盖有铝箔保温棉层。
34.对运输罐车的搅拌罐加热和保温，通过运输罐车将混凝土拌合物转移至隧道中。封闭隧道洞门，并在洞内采用加热装置进行加热和保温，以保证隧道施工作业处的平均温度保持在10℃以上，一天中最低气温高于等于5℃，使混凝土进行正常温度养护。在隧道内进行二次衬砌混凝土的浇筑，采用保温材料覆盖浇筑成型后的二次衬砌混凝土以进行蓄热法综合养护，同时浇筑多组混凝土试块，与二次衬砌混凝土同条件养护，以确定二次衬砌混凝土的拆模时间。
35.具体的，搅拌罐上设有保温套，保温套与搅拌罐之间设置有电加热结构。电加热结构采用电热丝或者电热片。当采用电热丝时，电热丝绕设于搅拌罐的外周面上。保温套优选采用帆布制品。在隧道内进行二次衬砌的浇筑时，使用保温帘遮挡隧道洞口，洞内采用暖风机供暖，洞口采用火炉升温。保温帘为保温棉制品。施工作业环境温度以及混凝土拌合物的温度均应当大于5℃。为了实现对隧道内环境温度的监控，隧道内安装有温度计。二次衬砌浇筑完成后，采用塑料薄膜和阻燃草帘覆盖浇筑成型的二次衬砌混凝土，塑料薄膜位于阻燃草帘与浇筑成型的二次衬砌混凝土之间，塑料薄膜用于防止混凝土失水；二次衬砌混凝土的迎风面涂刷养护剂。优选的，在浇筑成型的二次衬砌混凝土中安装温度传感器，测量二次衬砌混凝土的温度并通过数显装置显示温度值；温度传感器位于二次衬砌混凝土的易冻处和薄弱处。易冻处是指二次衬砌的施工缝处或二次衬砌的迎风面处。薄弱处是指结构受力最薄弱的地方。温度传感器埋入二次衬砌混凝土中，埋入深度为100mm～150mm。
36.当混凝土达到拆模强度并冷却至5℃时，拆除混凝土的模板；当混凝土达到受冻临界强度时，拆除保温材料和移除隧道内加热设备。当拆模时混凝土的表面温度与隧道内的环境温度之差大于20℃时，应暂缓拆除保温材料，避免混凝土出现温差裂缝。当用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥配制混凝土、且其抗压强度小于设计强度的40％时，混凝土不得受冻。当混凝土抗压强度小于5mpa时，也不得受冻。浸水冻融条件下的混凝土开始受冻时，其强度应当大于设计强度的75％。从混凝土入模到混凝土达到受冻临界强度之前，应每隔2h测量一次混凝土的温度。混凝土达到临界强度以后，每隔6h测量一次混凝土的温度。还应同时测量隧道内的环境温度。
37.所述混凝土拌合物在搅拌机中的温度计算公式为：
38.t0＝0.92[(m
ce
t
ce
+m
sa
t
sa
+mgtg)+4.2tw(m
w-w
samsa-wgmg)+cw(w
samsa
t
sa
+wgmgtg)-ci(w
samsa
+wgmg)]
÷
[0039]
[4.2mw+0.92(m
ce
+m
sa
+mg)]；
[0040]
其中：
[0041]
t0为混凝土拌合物温度(℃)；
[0042]
t
ce
为水泥温度(℃)；
[0043]
t
sa
为砂子温度(℃)；
[0044]
tg为石子温度(℃)；
[0045]
tw为水的温度(℃)；
[0046]mw
为拌合用水量(kg)；
[0047]mce
为水泥用量(kg)；
[0048]msa
为砂子用量(kg)；
[0049]
mg为石子用量(kg)；
[0050]wsa
为砂子含水率(％)；
[0051]
wg为石子含水率(％)；
[0052]cw
为水的比热容(kj/(kg
×
k))；
[0053]ci
为冰的溶解热(kj/kg)；
[0054]
所述混凝土拌合物的出机温度的计算公式为：
[0055]
t1＝t
0-0.16(t
0-t
p
)；
[0056]
其中：t1为混凝土拌合物的出机温度(℃)；
[0057]
t
p
为第二保温房3内的环境温度(℃)；
[0058]
将所述混凝土拌合物运输至隧道施工现场时温度的计算公式为：
[0059]
t2＝t
1-(a
×
t1+0.032
×
n)
×
(t
1-ta)；
[0060]
其中：t2为将混凝土拌合物运输至隧道施工现场时的温度(℃)；
[0061]
a为温度损失系数(h-1
)，当采用运输罐车时，取a＝0.25；
[0062]
t1为混凝土拌合物运输时间(h)；
[0063]
n为混凝土拌合物运转次数；
[0064]
ta为室外环境气温(℃)。
[0065]
下表展示了各室外环境温度下，为了满足混凝土拌合物的入模温度，拌合水及骨料的最低温度。
[0066]
延庆至崇礼高速公路河北段zt10标金家庄特长隧道，位于张家口市赤城县炮粱乡砖楼村东、金家庄村西北方向，为分离式特长隧道。隧道右幅k80+386—k84+490，长4104m；隧道左幅zk80+398—zk84+626，长4228m；布置斜井一道，长740.95m。计划开工日期为2017年7月8号，竣工日期为2019年7月28日，总工期为24月。
[0067]
由于工期要求紧张，加上该地区冬季较漫长，从每年11月中下旬开始，日平均气温连续5天持续低于5℃，最低气温达到-38℃，最大冻土深度为162cm，一直持续至次年的3月下旬，冬期总天数约为125天。因此为满足施工要求，冬季必须进行混凝土施工。本发明已实
际应用于上述项目，并取得良好的效果。
[0068]
以上为本发明的具体实施方式，从实施过程可以看出，本发明提供一种极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法。在冬季最低气温达到-40℃左右的极寒地区进行隧道工程施工时，隧道中的二次衬砌混凝土强度达标。还具有工艺新、可靠度高、施工速度快、可缩短施工工期、便于推广实施等优点。

技术特征：
1.极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法，其特征在于，包括步骤：提前准备冬季施工混凝土原材料；对混凝土原材料中的拌合水和骨料进行预热和保温；在混凝土原材料中加入外加剂并送入搅拌机(1)中拌合，以得到混凝土拌合物；对搅拌机(1)中的混凝土拌合物保温，使混凝土拌合物的出机温度达到预设值；对运输罐车的搅拌罐加热和保温，通过运输罐车将混凝土拌合物转移至隧道中；封闭隧道洞门，并在洞内采用加热装置进行加热和保温，以保证隧道施工作业处的平均温度保持在10℃以上，一天中最低气温高于等于5℃，使混凝土进行正常温度养护；在隧道内进行二次衬砌混凝土的浇筑，采用保温材料覆盖浇筑成型后的二次衬砌混凝土以进行蓄热法综合养护，同时浇筑多组混凝土试块，与二次衬砌混凝土同条件养护，以确定二次衬砌混凝土的拆模时间；当混凝土达到拆模强度并冷却至5℃时，拆除混凝土的模板；当混凝土达到受冻临界强度时，拆除保温材料和移除隧道内加热设备。2.如权利要求1所述的极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法，其特征在于，所述提前准备冬季施工混凝土原材料，包括：水泥选用硅酸盐水泥或普通硅酸水泥，水泥标号大于等于42.5，水灰比小于等于0.5；所用骨料必须清洁；选用外加剂，包括早强剂、防冻剂、减水剂、抗冻剂。3.如权利要求1所述的极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法，其特征在于，所述对混凝土原材料中的拌合水和骨料进行预热和保温，包括步骤：搭设第一保温房(2)，用于对拌合水进行预热的电蒸汽锅炉(4)、以及用于存放骨料的料仓均位于第一保温房(2)之内；所述水的预热温度配置为60～80℃，所述骨料的预热温度配置为0～15℃。4.如权利要求3所述的极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法，其特征在于，所述料仓包括砂仓(5)和碎石仓(6)，骨料中的砂子存放于砂仓(5)中，砂仓(5)的外周面上安装有地暖装置，砂仓(5)中的砂子通过地暖装置预热；骨料中的石子存放于碎石仓(6)中，碎石仓(6)的外周面上安装有水暖装置，碎石仓(6)中的石子通过水暖装置预热；每个料仓间采用棉板进行围挡。5.如权利要求3所述的极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法，其特征在于，所述对搅拌机(1)中的混凝土拌合物保温，包括步骤：搭设第二保温房(3)，搅拌机(1)和外加剂存放容器(8)位于第二保温房(3)之内，第二保温房(3)中设置有暖风机供暖，每2h测温一次，保证房内温度高于5℃。6.如权利要求5所述的极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法，其特征在于，所述在混凝土原材料中加入外加剂并送入搅拌机(1)中拌合，包括步骤：预热后的拌合水通过输水管送至搅拌机(1)中，输水管的外周缠绕电热丝后包覆保温棉，并安装温度控制器，使拌合水达到恒温；预热后的骨料通过上料输送机构输送至搅拌机(1)中，第一保温房(2)与第二保温房(3)通过保温筒(9)相连通，上料输送机构具有用于输送骨料的传送带，传送带的进料端位于第一保温房(2)之内，传送带沿保温筒(9)中的通道向第二保温房(3)之内延伸，传送带的出料端位于第二保温房(3)之内、且与搅拌机(1)的进料口相对应布置；水泥通过水泥输送管送至搅拌机(1)中。
7.如权利要求1所述的极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法，其特征在于，所述对运输罐车的搅拌罐加热和保温，包括：搅拌罐上设有保温套，保温套与搅拌罐之间设置有电加热结构。8.如权利要求1所述的极寒地区隧道工程的混凝土冬季施工方法，其特征在于，所述封闭隧道洞门，并在洞内采用加热装置进行加热和保温，包括：使用保温帘遮挡隧道洞口，洞内采用暖风机供暖，洞口采用火炉升温。9.如权利要求1所述的极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法，其特征在于，所述采用保温材料覆盖浇筑成型后的二次衬砌混凝土以进行蓄热法综合养护，包括步骤：采用塑料薄膜和阻燃草帘覆盖浇筑成型的二次衬砌混凝土，塑料薄膜位于阻燃草帘与浇筑成型的二次衬砌混凝土之间，塑料薄膜用于防止混凝土失水；二次衬砌混凝土的迎风面涂刷养护剂。10.如权利要求1所述的极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法，其特征在于，所述采用保温材料覆盖浇筑成型后的二次衬砌混凝土以进行蓄热法综合养护，还包括步骤：在浇筑成型的二次衬砌混凝土中安装温度传感器，测量二次衬砌混凝土的温度并通过数显装置显示温度值；温度传感器位于二次衬砌混凝土的易冻处和薄弱处。

技术总结
本发明属于隧道工程的混凝土施工技术领域，具体涉及一种极寒地区隧道工程的混凝土综合成套冬季施工方法，包括步骤：对混凝土原材料中的拌合水和骨料进行预热和保温；对搅拌机中的混凝土拌合物保温，使混凝土拌合物的出机温度达到预设值；对运输罐车的搅拌罐加热和保温，通过运输罐车将混凝土拌合物转移至隧道中；封闭隧道洞门，对洞内进行加热和保温；在隧道内进行二次衬砌混凝土的浇筑，采用蓄热法综合养护，混凝土试块与二次衬砌混凝土同条件养护；当混凝土达到拆模强度并冷却至5℃时，拆除混凝土的模板；当混凝土达到受冻临界强度时，拆除保温材料和移除隧道内加热设备。当冬季最低气温达到-40℃左右时，隧道中的二次衬砌混凝土强度达标。凝土强度达标。凝土强度达标。


技术研发人员：莫强 李坤 张晓旭 王晓文 贺立新 张东 钟长伟 龙柏全 姬占领 卢志强
受保护的技术使用者：四川省公路规划勘察设计研究院有限公司
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/7/22