某鐵路客運專線跨河特大橋冬季施工方案

秦沈客運專線繞陽河特大橋冬季施工張少鋒（鐵道部大橋局一處）摘要：介紹秦沈客運專線繞陽河特大橋下部結構工程冬季施工的方法關鍵詞：繞陽河橋冬季施工1概況1.1工程簡介 秦沈（秦皇島－沈陽）客運專線繞陽河特大橋，位于遼寧省盤山縣境內。全長2029.5m，為82孔24m雙線簡支箱梁橋，線間距4.6m，全橋處于平坡直線上，雙線耳墻式橋臺，圓端形板式橋墩，Φ1.0m鉆孔樁基礎。全橋鉆孔樁562根，承臺83個,墩（臺）身83個?；炷量偡搅考s3萬立方米，大橋所有墩（臺）均位于繞陽河內，兩端橋臺分別距河堤約35m?？偣て?1個月。1.2氣候條件 該橋所處地區(qū)為寒冷地區(qū)，屬溫帶濕潤和半濕潤季風氣候，冬季干燥寒冷，春秋兩季短促多風，夏季溫暖多雨。歷年最冷月平均氣溫-9.7oC，歷年極端最低氣溫-25.9oC。歷年平均降水量644.5mm。全年約70%的降雨集中在7～9月份，歷年最大風速22.3m/s。土地最大凍結深1.2m，最早凍結日期11月10日，解凍日期4月4日。實際施工中實測最低氣溫低于-25oC的日期達40天，其中最低氣溫達-38oC。1.3水文條件 橋址位于繞陽河庫區(qū)，該庫區(qū)每年3月份開始關閉橋位下游約7公里處的水閘進行蓄水，為周圍5萬多畝稻田提供灌溉水源，6月份該地區(qū)降雨量開始增加，7-9月份為河流汛期，流量較大，水位較高，1977年和1995年兩年汛期最高水位達7.9m。10月初水位開始回落。河床地質為：表層約1～1.5m淤泥質砂粘土，其下均為粉砂或細砂層。地下水位較高，涌砂嚴重。2冬季施工的必要性和重要性 通過現(xiàn)場實地考查，針對水文地質及氣候條件，結合實際工程量和工期要求進行了如下施工方案比選：2.1施工方案一 全線棧橋及墩位平臺的施工方案此方案雖滿足汛期河流排洪要求，但因棧橋全長約需2Km，如按每天施工6米棧橋（包括墩位平臺）計算，約需330天才可完成全部棧橋，這樣不僅不能滿足11個月的工期要求，而且輔助結構投入量大，造價高。2.2施工方案二 便橋和棧橋相結合的施工方案該方案是在淺水區(qū)修筑約1500m的便道，在墩位處填土筑島和在主河槽處修建約600m的棧橋及相應的墩位平臺。經(jīng)計算此方案可以滿足汛期排洪和施工要求，也較方案一能夠縮短工期，但因橋位位于繞陽河庫區(qū)，只有相對較高的便道（棧橋）及墩位平臺方可滿足蓄水季節(jié)及汛期主體工程施工的要求。輔助投入量相對較大，施工費用較高。另外該方案雖可滿足汛期河流泄洪要求，但省水利部門仍要求必須在第二年蓄水季節(jié)及汛期之前清除河道內的施工設施，同樣受工期制約。2.3施工方案三 利用冬季枯水季節(jié)采用全線填土筑島進行連續(xù)施工利用汛期過后河流水位開始回落季節(jié)，全線填土修筑便道和墩位平臺，作為主體工程的主要施工場地，同時采取一定措施確保冬季連續(xù)施工。該方案不僅可同時滿足工期及省水利部門的要求，而且對于該橋位處的地質條件來講，利用冬季水位較低的條件，施工時的輔助投入相對也較少。經(jīng)過對上述三種方案的詳細比選，方案三雖需增加一定的冬季施工投入，但從總的施工工期和施工投入上講，均比方案一和方案二合理、經(jīng)濟。3冬季施工的準備為了確保冬季施工的順利進行，特從混凝土運輸中的熱損失、混凝土出場溫度、原材料的加熱等幾個方面進行了熱工計算。3.1混凝土熱損失的熱工計算根據(jù)《規(guī)范》關于冬季施工時混凝土的入模溫度不低于+5oC的要求，首先確定最不利條件下混凝土溫度的最大損失值和溫度損失最大時確?；炷寥肽囟葪l件下所必須的混凝土的最低出廠溫度值，計算公式如下：Ts=(a×t+0.032n)×(To-Tw)(3.1-1)式中：Ts－混凝土運輸至成型的溫度損失（oC）；a－溫度損失系數(shù)（h-1）；t－混凝土運輸至成型的時間（小時）；n—混凝土倒運次數(shù)；To—混凝土從攪拌機中傾出時的溫度（oC）；Tw—外界氣溫（oC）。另：To=Tr+Ts(3.1-2)式中：Tr—為混凝土入模時的溫度（oC）；按《規(guī)范》取Tr=5oC計算時擬定外界最低氣溫為Tw=-35oC，結合現(xiàn)場施工戰(zhàn)線長，混凝土工廠布置于河岸一側，采取混凝土攪拌車運輸?shù)纫蛩?，分別取t=0.5小時；a=0.25；n=2。代入公式（3.1-1）及（3.1-2）得：Ts=9.32oC，混凝土的最低出廠溫度為To=14.32oC。3.2混凝土出場溫度的熱工計算為保證混凝土的出廠溫度，需將制備混凝土的原材料加熱，考慮到砂料具有一定的含水率，石料含水率較低，水又易于加熱等條件，計算時擬定石料溫度等同與外界氣溫，水加熱至+80oC，計算在最不利的情況下要保證混凝土出廠溫度時砂料需要加熱的溫度，計算公式如下：Th=[0.92(C×Tc+S×Ts+G×Tg)+4.2Tw×(W-Ps×S-Pg×G)+(2.1Ts-335)×S×Ps+(2.1Tg-335)×G×Pg]/[0.92(C＋S＋G)＋4.2W](3.2-1)式中：Th—所拌制的混凝土的出廠溫度（oC）；C、S、G、W：分別為設計配合比每立方米混凝土所用水泥、砂、石、水的重量（Kg）；Tc、Ts、Tg、Tw：分別為水泥、砂、石、水的溫度（oC）；Ps、Pg：分別為砂、石的含水率（%）；取Ps=3%，Pg=0，取Th=+15oC（>14.32oC）；Tg=-35oC；Tw=+80oC；根據(jù)設計配合比C：S：G：W=343：786：1130：189，將上述取值代入公式（3.2-1）得：砂料所需加熱的溫度Ts=+39.1oC，取Ts=+40oC。由上計算知：在外界氣溫最低達-35oC時，只需將砂溫加熱至+40oC以上，水加熱至+80oC就可保證混凝土的最低出廠溫度達+15oC，近而就可保證混凝土在澆筑時的入模溫度在+5oC以上。3.3料場加熱設備的熱工計算根據(jù)以上計算進而對混凝土工廠備用的兩臺蒸汽鍋爐進行了如下的計算：3.3.1拌制混凝土所用熱水用蒸汽鍋爐進行加熱。計算公式如下：H=[(T2-T1)×W]/Q(3.3-1)式中：H—蒸汽鍋爐的熱功率（千卡/小時）；T1—加熱前的水溫（oC）；T2—加熱后的水溫(oC)；W—每小時熱水用量（公斤/小時）；Q—加熱設備的效率（千卡/公斤·oC）-1。根據(jù)鍋爐及攪拌機的特性等，令T1=5oC代入公式（3.3-1）得：T2=107.73oC>80oC?？杀ＷC混凝土工廠生產混凝土時的熱水需求量。3.3.2拌制混凝土用的砂料考慮用蒸汽加熱。加熱砂料所需熱量的計算公式如下：H=[G×(0.2+P)×(T2-T1)]/Q(3.3-2)式中：H—砂料加熱所需熱量（千卡）；G—骨料重量（公斤）；P—砂料含水率（%）；T2—砂料加熱后的溫度（oC）；T1—砂料加熱前的溫度（oC）；Q—蒸汽鍋爐的效率（千卡/公斤·oC）-1；計算時考慮砂料具有一定的含水率，易有凍塊，取T1=-5oC；P=3%；T2=40oC；，根據(jù)配合比算出每小時需加熱的砂料，代入公式（3.3-2）算知：最不利情況下可滿足施工要求。4實際施工中所采取的措施根據(jù)熱工計算，為了在確保工程質量的前提下順利地進行冬季施工，特從：防止制備混凝土的原材料受凍、減少混凝土在運輸過程中熱損失、確保混凝土在澆筑及養(yǎng)生期間的環(huán)境溫度、養(yǎng)生及拆模的溫度控制等幾個方面采取了措施。4.1料場保溫 混凝土拌制時，如將帶有冰塊或凍團的骨料裝入攪拌機內，不僅難使攪拌機粉碎、融化，而且會給所拌混凝土的溫度帶來很大損失，難以保證混凝土的出廠溫度，更主要的是后期會嚴重地影響混凝土的質量。為此在保證砂料車進料和裝載機上料所需凈空的前提下在料場修建了一座包括砂料及混凝土工廠在內的面積約3500m2的防寒大棚，從而防止了砂料的凍結。為了節(jié)約投資考慮到石料含水率較低，實際施工過程中石料堆置于防寒大棚之外。4.2保證混凝土的出廠溫度4.2.1加熱拌制用水及砂料以提高混凝土的出廠溫度提高混凝土的出廠溫度，不僅可以保證混凝土的入模溫度，而且可使成型的混凝土及早獲得抵抗早期凍害的強度。為此，在混凝土工廠旁安裝了2臺2t的蒸汽鍋爐和拌制混凝土用的水塔1座，水塔外壁用棉絮和草柵包裹。拌制混凝土時蒸汽鍋爐送出蒸汽一部分通過蒸汽管道送入水塔內加熱水塔內的水作為拌制混凝土時的用水，另一部分蒸汽通過蒸汽管道送入用彩條布覆蓋好的砂堆中（蒸汽管端為砂針），以融化部分凍塊且加熱砂料。4.2.2改變混凝土的拌制方式為了防止熱水或水和砂的混合物的溫度太高時與水泥直接接觸產生假凝現(xiàn)象，拌制混凝土時又采取了二次攪拌的方法，即先將加熱的水、砂和石料投入攪拌機內進行混合攪拌以提高砂石溫度降低水溫，然后再加入水泥進行攪拌。另外，在拌制混凝土時考慮熱平衡過程，適當?shù)貙柚茣r間延長為常溫拌制時間的1.5倍，以此從而確保了混凝土出廠溫度。然而，根據(jù)現(xiàn)場施工情況看，混凝土的出廠溫度也不宜太高（20oC左右為宜），因為溫度愈高、溫差愈大、濕度愈小，混凝土坍落度的損失就愈大、粘度也愈大，混凝土灌注時難以倒出。實際施工中是以通過不斷抽測且嚴格控制混凝土出廠溫度從而保證順利施工的。實際施工中混凝土出廠溫度（To）與外界氣溫（Tw）關系曲線如圖一圖一圖二4.3混凝土運輸中的保溫 因繞陽河特大橋全長約2公里，混凝土工廠又布置于秦皇島側的河堤外側，因而解決混凝土在運輸過程中的熱量損失問題，也是保證混凝土入模時的溫度和后期混凝土質量的關鍵。為此，在實際施工中首先根據(jù)氣溫的預報情況做好詳細記錄，然后在確?；炷脸鰪S溫度的前提下，盡量將離混凝土工廠較近作業(yè)區(qū)的混凝土灌注施工安排在夜間或氣溫相對較低的時間進行，反之將離混凝土工廠較遠作業(yè)區(qū)的混凝土灌注施工安排在白天或氣溫相對較高的時間進行，同時采取了在混凝土運輸車外加設保溫罩、及時整修完善路況、提高運輸速度、減少運輸時間的方法，從而減少了混凝土在運輸過程中的熱量損失（實際施工所測溫度損失平均值曲線與理論損失曲線比較如圖二）。4.4確?；炷翝沧⒓梆B(yǎng)生期間的環(huán)境溫度全橋第一個承臺及第一個墩身澆注前均根據(jù)先期擬定的保溫措施搭設了防寒棚，經(jīng)過反復測試棚內溫度和適當調整保溫措施后，才進行承臺（墩身）的澆注，施工后均達到了良好的效果。后期全部承臺和墩身在澆注時的環(huán)境溫度、養(yǎng)生溫度和拆模溫度等均嚴格按照第一個承臺（墩身）的施工方法管理和控制，從而確保了工程的質量。4.4.1承臺的施工及保溫承臺基坑開挖切除樁頭至設計標高后即行承臺模板、承臺鋼筋的安裝及綁扎，然后搭設承臺施工用的保溫棚。保溫棚立柱用方木直接綁扎在承臺模板上，然后設橫梁成簡易框架結構，最后在保溫棚骨架上依次覆蓋塑料布棚布等，棚布邊塔在基坑邊緣，用方木、石塊壓緊從而形成一完整的保溫棚（見圖三）。棚內安裝六個直徑φ0.8m高1.2m的火爐，煙囪伸于保溫棚外，加溫一定時間待保溫棚內底部溫度升至5℃以上后，開始澆注承臺混凝土。整個升溫、澆注、養(yǎng)生、拆模的施工過程，均設專人測量記錄棚內溫度。承臺施工溫度控制情況表1項目測點數(shù)最高溫度oC最低溫度oC備注灌注前3～15oC5oC（1）養(yǎng)生期間3～5oC>5oC拆模強度控制標準外界氣溫-20oC以上時大于5Mpa,-20oC以下時大于8Mpa,試塊現(xiàn)場養(yǎng)護和標養(yǎng)各一組。（2）（1）3只溫度計分別置于①靠近承臺頂中部（掛于防寒棚上）②施工人員進出口處③棚內模板外側最底部（盡量離火爐最遠處）；（2）一組置于棚內溫度最低處現(xiàn)場養(yǎng)護，另一組在實驗室進行標準養(yǎng)護。圖三4.4.2墩身的施工及保溫 墩身施工時考慮外觀質量和冬季保溫養(yǎng)護的方便性，采取一次澆注到位。在墩身模板及鋼筋均安裝就位后，利用腳手架鋼管在墩身外側搭設防寒保溫罩將整個墩身罩住，罩內分設4個長1.2m,高1m,寬0.5m的長方形火爐，煙囪伸出保溫罩外（見圖四）。待罩內底部溫度升至+5oC以上后，開始澆注混凝土。澆注完畢后，將澆注混凝土的入口用彩條布蓋住防止散熱。同樣整個升溫、澆注、養(yǎng)生、拆模的施工過程均設專人測量記錄棚內溫度，確保使棚內底部最低溫度保持在+5oC以上。因墩身位于地表以上受風的影響較大，不同于承臺（位于基坑內）施工，故在施工時對各項工序尤其是對養(yǎng)生溫度和拆模溫度的控制要求更為嚴格。墩身施工溫度控制情況表2項目測點數(shù)最高溫度（oC）最低溫度（oC）備注灌注前6～15oC5oC※養(yǎng)生期間6～30oC10oC拆模強度控制標準墩身混凝土試件強度>設計強度的40%墩帽及托盤混凝土試件強度>設計強度的