高速铁路墩身冬期施工浅析

工作开展起来已经越来越困难，因此也受到了越来越多人的关注。对于铁路桥梁建设的质量以及墩身建造，已经成为整个施工的重点。通过以往的经验得出，要想全面改善铁路桥梁的建设，需要在建设的各个阶段进行质量方面的控制。

1  工程概况

京雄城际铁路黄固特大桥全长28km，根据工程进展情况及调整后指导性施工组织设计架梁工期安排，要求本标段内桥梁部分墩身需进行冬季施工。

2  冬施条件及技术要求

2.1 冬施条件

根据《铁路混凝土工程施工技术规程》[1]规定，当工地昼夜平均气温（最高和最低气温的平均值或当地时间6时、14时及21时室外气温的平均值）连续3d低于5℃或最低气温低于0℃时，混凝土施工应按冬期施工办理。

2.2 气候条件

本标段所在区域隶属永定河冲积平原，为暖温带半湿润大陆季风气候。年极端最高气温一般在35～40℃之间，年最低气温一般在-4～-17℃之间，冬期干燥少雨，冻土厚度在0.8m左右。

2.3 冬期施工的主要技术要求

①冬期混凝土施工应专门进行配合比选定试验。选用较小的混凝土水胶比和较小的塌落度。②混凝土搅拌前经过热工计算和试拌确定水和骨料需要预热的材料温度，使混凝土出机温度不低于10℃，入模温度不低于5℃。③混凝土浇注前钢筋及模板温度不得低于2℃。④混凝土浇筑前，模板及钢筋上不应有冰雪和污垢。⑤混凝土拆模时表面与环境的温差不得大于15℃，拆除模板后表面覆盖保温。⑥混凝土养护期间，芯部温度不宜超过60℃、不得大于65℃，混凝土芯部与表面温度之差、表面与环境温度之差不宜大于20℃。⑦冬期施工期间，混凝土强度达到设计强度的60%之前不得受冻。⑧混凝土采用外部热源加热养护时，养护完毕后的环境气温仍在0℃以下时，混凝土冷却至5℃以下且混凝土与环境之间的温差不大于15℃后，才能拆除模板;拆除模板后混凝土表面覆盖保温。⑨保温暖棚应配备照明设施、温度计、温度记录表及拆模验证养护试件2组。

3  施工准备

3.1 技术准备

冬施前应根据国家有关冬期施工的规范、规程及其他相关文件，明确施工方案和控制措施，进行技术交底和人员培训工作;根据当地气温情况确定冬季施工配合比;关注天气预报，提前做好相应预案;按规范要求做好气温记录。

3.2 材料准备

①外加剂、粗细骨料、油料等受温度影响较大的材料，冬施前储备存放，尽可能避开冬季储备。②备足冬施保温材料：如抗冻性外加剂、帆布、棉被、热风炮（覆盖材料采用阻燃材料）等。③对于易燃易爆的材料设专库存放，并配备足量灭火器。

主要冬施材料见表1所示。

3.3 机械准备

①施工的机械妥善保养，定期检查，确保性能良好。②每个结构施工前检查电力设施，防止电线硬化破损导致漏电现像。③做好设备防冻工作，使用冬期专用油、料，作业完毕时检查、清理放置储存损坏。

4  墩身暖棚总耗热量分析及养护设备保温材料的选定

墩身暖棚搭设设置在墩身脚手架外侧。

黄固特大桥墩身暖棚以搭设尺寸11.4×7.8×22m=1088.6m3为例。

4.1 墩身暖棚总耗热量计算

根据简明施工计算手册（第四版）17.11混凝土暖棚计算公式[2]如下所述：

总耗热量Q（KJ/h ）=Q1（暖棚耗热量）+Q2（透风换气损失热量）

暖棚小时耗热量Q1=3.6ΣA·K·（TB-Ta）

透风换气热量损失Q2=V·n·ca·ρa·（TB-Ta）

其中：

A-暖棚传热面积（m2）;

V-暖棚体积（m3）;

K-暖棚传热系数[W/（m2K）];K=1/（0.04+Σd/λ+0.114）

TB-棚内温度（℃）; 设定5℃左右

Ta-棚外大气平均温度（℃）;查资料在 -10℃左右

d-每一种保温材料的厚度（m）;

λ-每一种保温材料的导热系数[W/（mK）];

n-每小时换气次数（一般按2次计算）;

pa-空气表观密度，取1.37kg/m3;

ca-空气的比热重，一般取1 KJ/（kg·K），3.6按等系数，1W=3.6 KJ/h。

暖棚表面积：A=围（11.4×22+7.8×22+）×2+盖11.4×7.8=934m2;

暖棚体积：V=11.4×7.8×22=1956.24m3;

围护结构传热系数：

K=1/（0.04+Σd/λ+0.114）=1/（0.04+0.02/0.06+0.114）=2.052 W/（m2K），为确保棚内温度符合要求，K取值为3。

暖棚每小时耗热量：

Q1=3.6ΣA·K·（TB-Ta）=3.6×934×3×（5-（-10））=151308KJ/h;

透风换气热量损失：

Q2=V·n·ca·ρa·（TB-Ta）=1956.24×2×1×1.37×15=80401.46KJ/h;

暖棚總耗热量：

Q=Q1+Q2=151308+80401.46=231710KJ/h

4.2 电热蒸汽锅炉选择规格

231710kJ/h÷2500 kJ/kg=92.7kg/h

按室外温度-10℃，棚内温控5℃左右条件，小时总耗热量约需93kg水蒸汽量的电热蒸汽锅炉功率;

根据市场调研了解情况：选用电加热蒸汽锅炉 LDR0.1—0.4/0.7MPa规格，额定蒸汽发生量0.09t/h，功率72kW，额定蒸汽压力0.7MPa功率基本满负荷运行;考虑功率损失、外温条件变化和加快养护增强速度，可投入两台适时同步运行，保障桥梁墩身合适温控。

4.3 篷布选择

选定暖棚材料为0.01m厚的防火保温蓬布，此保温材料的导热系数为0.06[W/（mK）]，与承台暖棚总耗热量计算中导热系数一致。

结合暖棚尺寸，考虑篷布便于现场铺装覆盖，篷布规格选定7m长×4m宽。

5  墩身冬期施工措施

5.1 墩身施工暖棚搭设

黄固特大桥墩身暖棚利用安装墩身模板时设置的脚手架，脚手架采用盘扣式支架搭设，并在脚手架顶部搭设钢管支撑。脚手架内侧及顶部采用防火保温篷布对脚手架进行围护覆盖，篷布与篷布连接采用四周卡环搭接扎丝绑扎，卡环需全部绑扎固定，篷布与脚手架杆件采用扎丝绑扎牢固，形成密闭的暖棚。暖棚顶部预留两处可翻盖进料口，便于墩身混凝土浇筑。如图1所示。

①对低于14米以下的墩身，墩身模板一次立模到位，墩身脚手架内侧及顶帽上部采用防火保温篷布进行围护覆盖，形成密闭的暖棚，墩身混凝土一次浇筑成型。

②对高于14米以上的墩身，墩身混凝土采用两次浇筑成型，暖棚分别搭设。墩身第一节混凝土浇筑前，脚手架内侧及模板顶部采用防火保温篷布进行围护覆盖，形成密闭的暖棚，满足规范要求后，浇筑墩身第一节混凝土。

③对高于14米以上的墩身，待墩身第一节混凝土强度达到设计强度的60%之后，拆除第一节暖棚顶部篷布，拆除篷布后的混凝土表面采取覆盖保温措施。墩身第二节和顶帽钢筋及模板安装完成后，搭设第二节暖棚。暖棚底部由第一节墩身模板顶部以下2m位置开始，沿脚手架内侧及顶帽模板顶部采用防火保温篷布进行围护覆盖，形成密闭的暖棚，并对暖棚加热，满足规范要求后，浇筑墩身混凝土。

5.2 暖棚蒸汽管道布置

蒸汽管道使用夹布橡胶管。由锅炉出气口连入暖棚内，蒸汽管道沿墩身模板螺旋状安装，在蒸汽管道上设置蒸汽孔，孔口直径3mm，蒸汽孔间距为0.6-1m，远离锅炉端蒸汽孔间距布置较小。如图2所示。

5.3 测温点布置

墩身混凝土内布置两处测温点，混凝土芯部和表层各安装一个测温元件;暖棚内布置八处测温点，按两个截面高度各布置四处，第一个截面高度布置在距暖棚底部以上2m处，在墩身大小里程及左右侧的中间位置各安装一个测温元件，第二个截面高度布置在距暖棚顶部以下1m处，在墩身大小里程及左右侧的中间位置各安装一个测温元件，测温元件距离保温篷布0.5m，并避开管道蒸汽出口，测温线伸出暖棚至施工平台，便于棚内温度的数据采集。如图3所示。

5.4 蒸汽养护相关规定

①蒸汽养护期间，混凝土静停环境温度不应低于5℃，静停时间宜为4-6h，混凝土周围蒸汽的升、降温速度不宜大于10℃/h。②混凝土芯部开始降温前不得拆模，大风及气温急聚变化时不应拆模。混凝土表面温度冷却至5℃以下且混凝土与环境之间的温差不大于15℃时方可拆除模板。混凝土拆除模后表面采取覆盖保温。③冬期施工期间，混凝土强度达到设计强度的60%之前，不得受冻。④混凝土浇筑采用分层连续的方法浇筑，分层厚度不得小于20cm。⑤采用蒸汽养护在升、降温期间每1h检测一次，在恒温期间每2h检测一次。⑥室外气温和施工环境温度每昼夜定时、定点观测4次，并及时记录。当班技术人员负责测温工作。

6  施工安全及质量控制措施

①根据冬季施工措施要求，对墩身四周范围采用防火、防水篷布（阻燃材料）对脚手架进行围护覆盖，用扎丝与脚手架杆件绑扎牢固，顶部用棚布进行封闭，形成保温暖棚，顶面做成排水坡面，及时排除积水积雪。

②因晚上环境温度过低，浇筑混凝土过程不能保证施工保温环境，承台混凝土浇筑只能在白天进行。混凝土浇筑前测量模板温度，视情况调整电蒸汽锅炉的启用时间。

③混凝土浇筑时在暖棚的顶面开设混凝土进料窗口（汽车泵输送），在暖棚的侧面开设人员进出门洞，开设的门洞位置使用方便，封闭严密。保温棚内设置灭火器，并设专人管理。暖棚尽量减少进料口的设置，尽可能增加暖棚顶覆盖面积，混凝土浇筑结束后立即封盖进料口，密封暖棚，缩短混凝土表面外露时间。

④墩身混凝土灌注过程中，暖棚顶部进料口未完全封闭，暖棚内需要采用电热蒸汽锅炉生产蒸汽升温，使暖棚内温度满足施工要求。

⑤混凝土灌注完毕后及时封闭暖棚，控制环境温度升温速度及最高温度，升温速度控制在小于10℃/h以内，并保证混凝土内部最高温度不大于60℃。

⑥测温元件应在混凝土浇筑前，在墩身内部及暖棚四周安装到位，保证数据采集的及时性。在暖棚内底部和顶部各设置4个温度测点，混凝土芯部和表层各设置1个温度测点。混凝土浇注完成后每2小时检测一次，确保暖棚内的温度均匀。

⑦养护期间及撤除保温设施时，混凝土芯部与表面、表面与环境温差不大于15℃，养护期间1h观测一次;蒸汽养护结束后对墩身及时喷涂养护剂养护。

⑧暖棚上部应搭设安全平台，便于人员上下，方便观测记录温度数据。

⑨测温元件线路末端应固定在位置明显处并做好标记，方便夜间值班人员查找，避免遗漏影响数据收集。

⑩保暖篷布安装时应将相邻卡环全部绑扎到位，防止篷布连接缝隙较大，避免蒸汽损失过快。

{11}篷布应与暖棚支架绑扎牢固，并用缆风绳固定牢靠，防止大风将篷布掀开，失去暖棚保温效果。

{12}设备部定期检查维护电蒸汽锅炉，预先准备易损坏配件，防止设备损坏后无法及时维修正常。准备除垢剂，及时清除蒸汽锅炉内水垢。

{13}值班人员发现异常现象，及时通知相关人员，第一时间解决问题。值班小组交接时，必须将测温仪器和记录表亲手交于下组人员手中，说明现场情况并签字确认。

7  数据分析

7.1 混凝土养护温度记录

2017年11月16日14：00墩身混凝土浇筑完成，大气温度6℃，暖棚内平均温度10.5℃。

15：40暖棚顶部进料口封堵完成，暖棚形成密闭空间，15：50启动电热蒸汽锅炉。16：25大气温度6℃，暖棚内平均温度17.4℃。

17：34大气温度4℃，暖棚内平均温度18.3℃、18：17大气温度2℃，暖棚内平均温度18.8℃。此后室外气温及暖棚内温度每2h检测一次。

7.2 混凝土强度试验记录

33#墩身混凝土设计强度C40。如表2所示。

2017年11月20日20：30距同条件试件制作约106小时，抗压强度25.1MPa，达到设计强度的62.3%;距混凝土浇筑结束约106小时，回弹墩身顶表面强度代表值24.2MPa，达到设计强度的60.5%。

11月20日21：00关闭蒸汽锅炉，33#墩身混凝土强度达到设计强度的60%。

因加热养护完毕后的环境温度为-2℃，混凝土芯部温度为51℃，表面温度为24℃，33#墩身不满足拆模条件，利用篷布继续包裹养护，待混凝土与环境温度小于15℃时拆除模板。

7.3 水电消耗

电热蒸汽锅炉规格型号：额定功率72kW，额定蒸汽压力0.7MPa，额定蒸汽温度171℃，额定蒸汽发生量90kg/h。

①耗电量：电热蒸汽锅炉启用功率为72kW时，实际每小时耗电量75度;②用水量：电热蒸汽锅炉启用功率为72kW时，实际每小时用水量约150升。

8  墩身冬期施工经济分析

8.1 材料设备成本

33#墩身冬期施工材料设备成本：75×75×8mm角钢20m，材料费778.30元;Φ48mm钢管120m，材料费1918.20元;直径28mm缆绳400米，材料费2800.00元;直径7.7mm钢丝绳200米，材料费770.00元;橡胶软管白色内径20mm×3m，材料费15.00元;夹布橡胶管黑色（规格：内径Φ35mm）100m，材料费800.00元;防火保温篷布1400m2，材料费26600.00元;蓄水桶两个（材质：塑料 规格：1000升），价值1216.00元;三级配电箱一个，价值800.00元;锅炉（规格：LDR0.1），价值10500元;测温元件20个，价值960元;测温线200m，价值400元;测温仪器2个，价值760元;单个墩身材料设备成本共计48317.5元。

8.2 安装成本

墩身暖棚搭设一次需10名人工，搭设16小时，费用5600元;暖棚拆除需10名人工，工作8小时，费用2800元。单个墩身暖棚搭拆一次费用共计8400元。

8.3 维护成本

养护期间，电蒸汽锅炉每次补水需水1t，洒水车1小时，费用约200元，人工0.25個，费用70元，单次补水费用约270元。养护时间3天，共补水12次，费用共约3240元。

电蒸汽锅炉电费5184元。

单个墩身冬施养护维护成本共计8424元。

8.4 成本合计

①单个墩身材料设备成本共计48317.5元。

②单个墩身暖棚搭拆一次费用共计8400元。

③单个墩身冬施养护维护成本共计8424元。

单个墩身冬施养护成本共计65141.5元，33号墩身混凝土设计方量143m3，墩身冬施每方混凝土455.5元。

9  结束语

通过京霸铁路黄固特大桥部分墩身冬季施工措施实施，从混凝土制拌、加热设备选择、保温篷布选择、现场搭设及加固、施工过程控制等一系列措施，圆满完成冬季施工任务，达到规范要求标准，保证施工质量，总体施工效果达到了预期的要求，类似工程可以借鉴实施。

参考文献：

[1]中铁三局集团有限公司，中铁城建集团有限公司.Q/CR 9207—2017铁路混凝土工程施工技术规程[S].北京：中国铁道出版社，2017：125.

[2]江正荣.建筑施工计算手册[M].中国建筑工业出版社，2001：1006.

[3]李未红.高速铁路梁面防水层冬期施工关键技术探讨[J].铁道勘察，2010（03）.

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