冷却水管在大体积混凝土市政隧道施工中的应用

蒋平江,焦长洲

(1.陕西铁路工程职业技术学院,陕西渭南 714000；2.深圳市地铁集团有限公司,广东深圳 518035)

大体积混凝土裂缝的控制一直是工程技术界长期关注和研究的重要课题[1]。隧道设计一般取1 m隧道进行框架内力计算,而对温度应力则不进行详细计算,只是采用构造配筋,因此常导致混凝土出现温度裂缝[2]。市政隧道是一类比较特殊的大体积混凝土结构,其施工中的温度控制具有一定的特殊性,而相关的研究较少[3]。水管冷却作为大体积混凝土温控防裂的一种常用措施,在水工、桥梁承台、锚碇等大体积混凝土结构方面的研究很多[4,5],但在隧道方面的研究与应用较少。本文主要研究大体积混凝土市政隧道施工中,采用冷却水管进行防裂的工艺原理和方法,为同类工程提供借鉴。

1 工程概况

深圳北站枢纽新区大道改造工程主体结构为明挖隧道,是深圳地区在建最大的深基坑。隧道全长795 m,主体结构厚度为1.3～1.8 m,属大体积混凝土施工。主体结构分段施工,每段施工长度为20 m。主体分两次浇筑,即第一次浇筑底板,第二次浇筑侧墙及顶板。

该工程施工有如下特点和难点：①工程处于立体交叉最底层,具有工程任务重、交叉协调难度大、施工作业面狭窄、工序转换复杂等特点；②大体积混凝土的温度裂缝控制是一个难点,一是由于混凝土水化热的作用,混凝土浇筑后将经历升温期、降温期和稳定期3个阶段,在这几个阶段中混凝土的体积也随之伸缩[6],易产生温度裂缝,二是底板浇筑和侧墙及顶板浇筑存在明显的时间差,在底板混凝土的温度变化已经趋于稳定时才浇筑侧墙及顶板,连接处容易产生裂缝；③施工期长,工期14个月,经过一年中的高温季节和低温季节,温控难度大。

2 冷却水管的布设和运行

2.1 冷却水管的布置

冷却水管采用φ32 mm镀锌钢管,底板横向布置2排、侧墙竖向布置3排、顶板横向布置3排。布置冷却水管应考虑以下原则：保证各层冷却管能独立通水,且拆模不影响通水；每层要分多根独立管道,缩短冷却路径,以使混凝土冷却均匀；能根据测温结果调节各管路通水量。详细布置情况见图1、图2。

图1 冷却水管和温度监测管布置断面(单位：mm)

图2 冷却水管布置平面(单位：mm)

2.2 冷却水管的埋设

冷却水管接头采用钢接头,拐角处采用弯头。先将钢管按冷却管安装图下料及攻丝并运至现场,钢筋绑扎完毕后,按设计位置安装,接头处先涂上油漆再拧紧,可防止混凝土浇筑过程中漏浆堵管及通水过程中漏水。安装完毕后,进行试通水,检查管路通水正常方可进行下一道工序。

2.3 冷却降温

(1)为方便施工,在降水井内抽取地下水,汇集到集水井内。每层冷却管配一增压泵,水流量可达到6.5 m3/h,在混凝土初凝时由专人负责往冷却管内注入该地下水。冷却管内的水不重复利用,直接排到另一集水井,排出基坑。

(2)混凝土浇筑开始后,依次开启系统的各个循环,使循环水与混凝土同步升温,由于浇筑1 d内混凝土正处于塑性状态,可采用最大通水量尽可能多的带走混凝土的热量。

(3)启动1 d后,因部分混凝土开始凝固,根据测温情况调节水流量。如混凝土内部温度与入水温度之差小于20 ℃,可加大入水量,如入水温度与混凝土内部温差在20～25 ℃,则需减小入水量。最终使混凝土内部最高温度与循环水进水温差控制在20 ℃左右,当混凝土内外温差达到20 ℃左右时停止抽水循环冷却。

(4)通水完成后，采用与混凝土强度等级相当的水泥砂浆对冷却水管进行封堵。

2.4 测温管的埋设

温度监测采用铜热电阻传感器作为测温元件,同时预留测温孔,测温孔直径10 mm,采用PVC管,埋设深度为结构厚度的70%。安装元件时将其固定牢固,保证位置准确,将导线沿钢筋引出混凝土顶面20 cm,用胶布包裹导线端头,避免弄脏。同时,将引出的导线逐一编号,便于温度监测。测温管埋设见图1。

3 冷却效果分析

3.1 混凝土绝热温升分析

根据相关文献[7-8],应用以下计算公式对隧道混凝土的水化热绝热温升进行计算。

(1)

(2)

Q=(Cw×V×ρw×tw)/(Vm×κ)

(3)

式中，Cw为水的比热,取值4.186 8 J/kg·C；V为冷却水流量,本工程采用增压泵后流量达到6.5 m3/h,考虑到管道会产生一定的水阻,取折减系数0.8,V=5.2 m3/h；ρw为水的质量密度,取值1.0 t/m3；tw为进、出水温差,施工中控制进、出水温差不大于20 ℃,故取值20 ℃；Vm为浇筑混凝土体积；κ为不同龄期时冷却水能够影响混凝土体积的系数,据有关资料,浇筑3 d冷却水影响混凝土的体积约占总体积的50%[9],故κ取值0.5。

3.2 温度监测

施工过程中,前3 d每4 h测温1次,以后根据温度变化情况适当延长测温时间间隔,重点对混凝土入模温度、混凝土内部最高温度、最终的稳定温度进行分析。7号～9号测温点温度变化见图3。混凝土入模温度为25～28 ℃,1.5 d后中心温度最高达43 ℃,温升达14～16 ℃,3 d后中心温度达54～56 ℃,温升25～27 ℃,5 d以后降温平缓,7 d以后中心温度基本稳定,趋于当天气温。从3 d混凝土绝热温升来看,计算值为23.2 ℃,实际温升25～27 ℃,相差值不大,可以看出,本工程采用冷却水管降温技术达到了预期目标。

3.3 侧墙与底板温差分析

由于底板浇筑和侧墙及顶板浇筑存在明显的时间差,故在侧墙与底板水平施工缝处容易产生裂缝,实践证明采用冷却水管对控制此类裂缝是有效的。如图4所示,处于底板的测点1号和底板下部测点6号的温差值比较小,最大值为11 ℃,在这种温差下,施工缝处不会产生裂缝。

图4 底板与侧墙施工缝处温差

4 结语

深圳北站枢纽新区大道改造工程主体结构施工实践证明,采取冷却水管进行大体积混凝土温度控制,能有效控制混凝土内部温度,保证混凝土质量。从本工程施工控制可知：在大体积混凝土市政隧道中设置冷却水管虽然增加了一定的工程费用,但能有效地防止温度裂缝的产生,而且冷却钢管可以永久地作为收缩钢筋；使混凝土保温时间缩短,可提早拆模5 d左右,缩短施工工期；本文计算得出的温差数据与实测数据基本相符,对工程实践有一定的参考意义。

参考文献：

[1]杨 迤,杨 鹏.大体积混凝土裂缝控制[J].中国水运,2008,8(7):207-208.

[2]杜晓玲,赵世忠.大体积混凝土隧道裂缝分析及软件开发[J].施工技术,2010,39(5):22-25.

[3]卢 晓.市政隧道大体积混凝土裂缝的控制研究[D].上海:同济大学,2007.

[4]丁如珍.特大型承台混凝土的温度控制[J].公路,2004(5):44-47.

[5]王解军,李 辉,等.大体积混凝土桥墩水化热温度场的数值分析[J].中南林业科技大学学报(自然科学版)[J].2007,27(1):124-128.

[6]于旭东,叶 硕,等.西堠门大桥南锚碇大体积混凝土温度控制[J].世界桥梁,2007(3):72-75.

[7]苏廷志.冷却水管在大体积混凝土地下室工程中的应用[J].露天采矿技术,2008(6):76-78.

[8]梁树忠,彭澄宇,等.大体积混凝土在循环冷却水管施工中的应用[J].电力建设,2003,24(11):9-12.

[9]刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].北京:人民交通出版社,1991.

[10]张炜烽.大体积高性能混凝土的裂纹控制[J].铁道标准设计，2006(12)：43-45.

[11]陈万祥,郭志昆,等.南京玄武湖隧道大体积混凝土温度控制研究[J].工业建筑,2004,34(10):53-55.