某铁路客运专线跨河特大桥冬季施工方案

秦沈客运专线绕阳河特大桥冬季施工张少锋（铁道部大桥局一处）摘要：介绍秦沈客运专线绕阳河特大桥下部结构工程冬季施工的方法关键词：绕阳河桥冬季施工1概况1.1工程简介 秦沈（秦皇岛－沈阳）客运专线绕阳河特大桥，位于辽宁省盘山县境内。全长2029.5m，为82孔24m双线简支箱梁桥，线间距4.6m，全桥处于平坡直线上，双线耳墙式桥台，圆端形板式桥墩，Φ1.0m钻孔桩基础。全桥钻孔桩562根，承台83个,墩（台）身83个。混凝土总方量约3万立方米，大桥所有墩（台）均位于绕阳河内，两端桥台分别距河堤约35m。总工期11个月。1.2气候条件 该桥所处地区为寒冷地区，属温带湿润和半湿润季风气候，冬季干燥寒冷，春秋两季短促多风，夏季温暖多雨。历年最冷月平均气温-9.7oC，历年极端最低气温-25.9oC。历年平均降水量644.5mm。全年约70%的降雨集中在7～9月份，历年最大风速22.3m/s。土地最大冻结深1.2m，最早冻结日期11月10日，解冻日期4月4日。实际施工中实测最低气温低于-25oC的日期达40天，其中最低气温达-38oC。1.3水文条件 桥址位于绕阳河库区，该库区每年3月份开始关闭桥位下游约7公里处的水闸进行蓄水，为周围5万多亩稻田提供灌溉水源，6月份该地区降雨量开始增加，7-9月份为河流汛期，流量较大，水位较高，1977年和1995年两年汛期最高水位达7.9m。10月初水位开始回落。河床地质为：表层约1～1.5m淤泥质砂粘土，其下均为粉砂或细砂层。地下水位较高，涌砂严重。2冬季施工的必要性和重要性 通过现场实地考查，针对水文地质及气候条件，结合实际工程量和工期要求进行了如下施工方案比选：2.1施工方案一 全线栈桥及墩位平台的施工方案此方案虽满足汛期河流排洪要求，但因栈桥全长约需2Km，如按每天施工6米栈桥（包括墩位平台）计算，约需330天才可完成全部栈桥，这样不仅不能满足11个月的工期要求，而且辅助结构投入量大，造价高。2.2施工方案二 便桥和栈桥相结合的施工方案该方案是在浅水区修筑约1500m的便道，在墩位处填土筑岛和在主河槽处修建约600m的栈桥及相应的墩位平台。经计算此方案可以满足汛期排洪和施工要求，也较方案一能够缩短工期，但因桥位位于绕阳河库区，只有相对较高的便道（栈桥）及墩位平台方可满足蓄水季节及汛期主体工程施工的要求。辅助投入量相对较大，施工费用较高。另外该方案虽可满足汛期河流泄洪要求，但省水利部门仍要求必须在第二年蓄水季节及汛期之前清除河道内的施工设施，同样受工期制约。2.3施工方案三 利用冬季枯水季节采用全线填土筑岛进行连续施工利用汛期过后河流水位开始回落季节，全线填土修筑便道和墩位平台，作为主体工程的主要施工场地，同时采取一定措施确保冬季连续施工。该方案不仅可同时满足工期及省水利部门的要求，而且对于该桥位处的地质条件来讲，利用冬季水位较低的条件，施工时的辅助投入相对也较少。经过对上述三种方案的详细比选，方案三虽需增加一定的冬季施工投入，但从总的施工工期和施工投入上讲，均比方案一和方案二合理、经济。3冬季施工的准备为了确保冬季施工的顺利进行，特从混凝土运输中的热损失、混凝土出场温度、原材料的加热等几个方面进行了热工计算。3.1混凝土热损失的热工计算根据《规范》关于冬季施工时混凝土的入模温度不低于+5oC的要求，首先确定最不利条件下混凝土温度的最大损失值和温度损失最大时确保混凝土入模温度条件下所必须的混凝土的最低出厂温度值，计算公式如下：Ts=(a×t+0.032n)×(To-Tw)(3.1-1)式中：Ts－混凝土运输至成型的温度损失（oC）；a－温度损失系数（h-1）；t－混凝土运输至成型的时间（小时）；n—混凝土倒运次数；To—混凝土从搅拌机中倾出时的温度（oC）；Tw—外界气温（oC）。另：To=Tr+Ts(3.1-2)式中：Tr—为混凝土入模时的温度（oC）；按《规范》取Tr=5oC计算时拟定外界最低气温为Tw=-35oC，结合现场施工战线长，混凝土工厂布置于河岸一侧，采取混凝土搅拌车运输等因素，分别取t=0.5小时；a=0.25；n=2。代入公式（3.1-1）及（3.1-2）得：Ts=9.32oC，混凝土的最低出厂温度为To=14.32oC。3.2混凝土出场温度的热工计算为保证混凝土的出厂温度，需将制备混凝土的原材料加热，考虑到砂料具有一定的含水率，石料含水率较低，水又易于加热等条件，计算时拟定石料温度等同与外界气温，水加热至+80oC，计算在最不利的情况下要保证混凝土出厂温度时砂料需要加热的温度，计算公式如下：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厂温度（oC）；C、S、G、W：分别为设计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：分别为水泥、砂、石、水的温度（oC）；Ps、Pg：分别为砂、石的含水率（%）；取Ps=3%，Pg=0，取Th=+15oC（>14.32oC）；Tg=-35oC；Tw=+80oC；根据设计配合比C：S：G：W=343：786：1130：189，将上述取值代入公式（3.2-1）得：砂料所需加热的温度Ts=+39.1oC，取Ts=+40oC。由上计算知：在外界气温最低达-35oC时，只需将砂温加热至+40oC以上，水加热至+80oC就可保证混凝土的最低出厂温度达+15oC，近而就可保证混凝土在浇筑时的入模温度在+5oC以上。3.3料场加热设备的热工计算根据以上计算进而对混凝土工厂备用的两台蒸汽锅炉进行了如下的计算：3.3.1拌制混凝土所用热水用蒸汽锅炉进行加热。计算公式如下：H=[(T2-T1)×W]/Q(3.3-1)式中：H—蒸汽锅炉的热功率（千卡/小时）；T1—加热前的水温（oC）；T2—加热后的水温(oC)；W—每小时热水用量（公斤/小时）；Q—加热设备的效率（千卡/公斤·oC）-1。根据锅炉及搅拌机的特性等，令T1=5oC代入公式（3.3-1）得：T2=107.73oC>80oC。可保证混凝土工厂生产混凝土时的热水需求量。3.3.2拌制混凝土用的砂料考虑用蒸汽加热。加热砂料所需热量的计算公式如下：H=[G×(0.2+P)×(T2-T1)]/Q(3.3-2)式中：H—砂料加热所需热量（千卡）；G—骨料重量（公斤）；P—砂料含水率（%）；T2—砂料加热后的温度（oC）；T1—砂料加热前的温度（oC）；Q—蒸汽锅炉的效率（千卡/公斤·oC）-1；计算时考虑砂料具有一定的含水率，易有冻块，取T1=-5oC；P=3%；T2=40oC；，根据配合比算出每小时需加热的砂料，代入公式（3.3-2）算知：最不利情况下可满足施工要求。4实际施工中所采取的措施根据热工计算，为了在确保工程质量的前提下顺利地进行冬季施工，特从：防止制备混凝土的原材料受冻、减少混凝土在运输过程中热损失、确保混凝土在浇筑及养生期间的环境温度、养生及拆模的温度控制等几个方面采取了措施。4.1料场保温 混凝土拌制时，如将带有冰块或冻团的骨料装入搅拌机内，不仅难使搅拌机粉碎、融化，而且会给所拌混凝土的温度带来很大损失，难以保证混凝土的出厂温度，更主要的是后期会严重地影响混凝土的质量。为此在保证砂料车进料和装载机上料所需净空的前提下在料场修建了一座包括砂料及混凝土工厂在内的面积约3500m2的防寒大棚，从而防止了砂料的冻结。为了节约投资考虑到石料含水率较低，实际施工过程中石料堆置于防寒大棚之外。4.2保证混凝土的出厂温度4.2.1加热拌制用水及砂料以提高混凝土的出厂温度提高混凝土的出厂温度，不仅可以保证混凝土的入模温度，而且可使成型的混凝土及早获得抵抗早期冻害的强度。为此，在混凝土工厂旁安装了2台2t的蒸汽锅炉和拌制混凝土用的水塔1座，水塔外壁用棉絮和草栅包裹。拌制混凝土时蒸汽锅炉送出蒸汽一部分通过蒸汽管道送入水塔内加热水塔内的水作为拌制混凝土时的用水，另一部分蒸汽通过蒸汽管道送入用彩条布覆盖好的砂堆中（蒸汽管端为砂针），以融化部分冻块且加热砂料。4.2.2改变混凝土的拌制方式为了防止热水或水和砂的混合物的温度太高时与水泥直接接触产生假凝现象，拌制混凝土时又采取了二次搅拌的方法，即先将加热的水、砂和石料投入搅拌机内进行混合搅拌以提高砂石温度降低水温，然后再加入水泥进行搅拌。另外，在拌制混凝土时考虑热平衡过程，适当地将拌制时间延长为常温拌制时间的1.5倍，以此从而确保了混凝土出厂温度。然而，根据现场施工情况看，混凝土的出厂温度也不宜太高（20oC左右为宜），因为温度愈高、温差愈大、湿度愈小，混凝土坍落度的损失就愈大、粘度也愈大，混凝土灌注时难以倒出。实际施工中是以通过不断抽测且严格控制混凝土出厂温度从而保证顺利施工的。实际施工中混凝土出厂温度（To）与外界气温（Tw）关系曲线如图一图一图二4.3混凝土运输中的保温 因绕阳河特大桥全长约2公里，混凝土工厂又布置于秦皇岛侧的河堤外侧，因而解决混凝土在运输过程中的热量损失问题，也是保证混凝土入模时的温度和后期混凝土质量的关键。为此，在实际施工中首先根据气温的预报情况做好详细记录，然后在确保混凝土出厂温度的前提下，尽量将离混凝土工厂较近作业区的混凝土灌注施工安排在夜间或气温相对较低的时间进行，反之将离混凝土工厂较远作业区的混凝土灌注施工安排在白天或气温相对较高的时间进行，同时采取了在混凝土运输车外加设保温罩、及时整修完善路况、提高运输速度、减少运输时间的方法，从而减少了混凝土在运输过程中的热量损失（实际施工所测温度损失平均值曲线与理论损失曲线比较如图二）。4.4确保混凝土浇注及养生期间的环境温度全桥第一个承台及第一个墩身浇注前均根据先期拟定的保温措施搭设了防寒棚，经过反复测试棚内温度和适当调整保温措施后，才进行承台（墩身）的浇注，施工后均达到了良好的效果。后期全部承台和墩身在浇注时的环境温度、养生温度和拆模温度等均严格按照第一个承台（墩身）的施工方法管理和控制，从而确保了工程的质量。4.4.1承台的施工及保温承台基坑开挖切除桩头至设计标高后即行承台模板、承台钢筋的安装及绑扎，然后搭设承台施工用的保温棚。保温棚立柱用方木直接绑扎在承台模板上，然后设横梁成简易框架结构，最后在保温棚骨架上依次覆盖塑料布棚布等，棚布边塔在基坑边缘，用方木、石块压紧从而形成一完整的保温棚（见图三）。棚内安装六个直径φ0.8m高1.2m的火炉，烟囱伸于保温棚外，加温一定时间待保温棚内底部温度升至5℃以上后，开始浇注承台混凝土。整个升温、浇注、养生、拆模的施工过程，均设专人测量记录棚内温度。承台施工温度控制情况表1项目测点数最高温度oC最低温度oC备注灌注前3～15oC5oC（1）养生期间3～5oC>5oC拆模强度控制标准外界气温-20oC以上时大于5Mpa,-20oC以下时大于8Mpa,试块现场养护和标养各一组。（2）（1）3只温度计分别置于①靠近承台顶中部（挂于防寒棚上）②施工人员进出口处③棚内模板外侧最底部（尽量离火炉最远处）；（2）一组置于棚内温度最低处现场养护，另一组在实验室进行标准养护。图三4.4.2墩身的施工及保温 墩身施工时考虑外观质量和冬季保温养护的方便性，采取一次浇注到位。在墩身模板及钢筋均安装就位后，利用脚手架钢管在墩身外侧搭设防寒保温罩将整个墩身罩住，罩内分设4个长1.2m,高1m,宽0.5m的长方形火炉，烟囱伸出保温罩外（见图四）。待罩内底部温度升至+5oC以上后，开始浇注混凝土。浇注完毕后，将浇注混凝土的入口用彩条布盖住防止散热。同样整个升温、浇注、养生、拆模的施工过程均设专人测量记录棚内温度，确保使棚内底部最低温度保持在+5oC以上。因墩身位于地表以上受风的影响较大，不同于承台（位于基坑内）施工，故在施工时对各项工序尤其是对养生温度和拆模温度的控制要求更为严格。墩身施工温度控制情况表2项目测点数最高温度（oC）最低温度（oC）备注灌注前6～15oC5oC※养生期间6～30oC10oC拆模强度控制标准墩身混凝土试件强度>设计强度的40%墩帽及托盘混凝土试件强度>设计强度的