高寒地區混凝土拌和站保溫系統設計研究

曹軍龍，陳 林

中交第二航務工程局有限公司第五工程分公司，湖北 武漢 430000

1 工程概況

項目所處位置北倚內蒙古草原，屬陰山山脈東段到大馬山群山支系和燕山余脈交接地帶，地貌屬壩上、壩下過渡型山區。該區域屬大陸性季風氣候中溫帶亞干旱區，項目區域海拔超過1800m。夏季雨量大、次數多；冬季寒冷漫長，降雪量較大。年均降水量約424mm，且分布不均。全年無霜期平均115.9d，平均氣溫5.5℃，施工期最低氣溫為-40℃，最大凍土深度為193cm。

2 拌和站加熱、保暖系統設計

冬季施工難點：冬季施工期長，每年有7 個月處于冬季施工期；極寒期長，每年有3 個月平均溫度＜-20℃；施工強度高，全天候施工，且沒有施工休息期，每天混凝土方量接近800m3，對工作穩定性需求高。由于有3 個月極寒天氣溫度＜-20℃，且最低溫度為-40℃，考慮到極寒低溫出現時間有限，為保證施工強度和避免設計富余值過大，拌和站極限運轉溫度設計為-34℃[1]。

2.1 拌和站供熱系統

（1）拌和站供熱鍋爐系統選型。鍋爐房采用CWNS2.1-85/60-Q 型0.7MW+2.1MW 燃氣鍋爐，在攪拌站保溫棚內布設熱力管道，確保攪拌站內溫度≥10℃。封閉式料倉面積為6000m2，料倉棚內需要的熱量按其散熱量計算見式（1）：

式中：F 為料倉棚面積，取6000m2；ρ 為料倉棚傳熱系數，取1/0.15；β 為料倉棚透風系數，取1.6；Qd為料倉棚設計溫度，取10℃；Qa為室外氣溫，取-34℃。經計算，Q1=226961.19kJ/h。

考慮料倉棚開啟時的熱量損失，則Q1=1.2Q1= 272353.43kJ/h。

鍋爐供熱時，其供熱量按式（2）計算：Q2=2μqw （2）式中：μ 為鍋爐效率，一般取95%；q 為燃料發熱量，取平均天然氣36000 ～40000kJ/m3；w 為燃料消耗量，一般取70m3/h。經計算，Q2=5.3×106kJ/h。

而且在額定工況下（出水溫度為85℃，回水溫度為60℃），該供暖系統所采用的0.7MW+2.1MW 燃氣鍋爐每小時所產生的熱量Q3為6.3×106kJ/h，0.7MW+2.1MW 燃氣鍋爐滿足使料倉棚溫度由-34℃升溫至10℃的要求。

（2）料倉結構及供熱系統。項目部在拌和站附近選取向陽面設置了砂石料備料區，儲料量按照冬季施工混凝土需求保證3 個月的用量。根據砂石料用量提前將備料區的砂石料倒運到料倉棚內進行化凍處理。

（3）上料臺供熱系統。在上料臺周邊布設暖通管道，利用暖通水管對上料倉內砂石料進行保溫，暖通水管采用φ50mm 鋼管，間距為50cm，單面共布設4 根。

（4）皮帶機供熱系統。主要采用彩鋼板對四周進行覆蓋，下部采用鋼梁支撐，防止砂石熱量散失，內側兩邊安裝暖氣管道進行加熱保溫。

（5）攪拌主機供熱系統。根據攪拌站的特點攪拌主機位于攪拌樓內，攪拌樓四周需封閉嚴實，出料口加彩鋼板封閉，內部采用暖通水管加熱，每次開盤前先加熱機身。

2.2 冬季施工第一階段

第一階段冬季施工，根據項目計算和實測情況統計，發現在外界環境-5℃的情況下，拌和站封閉環境下內部氣溫為3℃左右，這時砂石料經過3d 左右的堆放溫度可以控制在1℃右左。為保證混凝土入模溫度不低于5℃，需要確保混凝土出料溫度＞10℃（根據運輸過程中熱損計算），此時僅需要對拌和用水進行加熱，熱工計算如下。

（1）為保證混凝土入模溫度不得低于5℃，按下式求得出機溫度：

式中：T2為混凝土入模溫，℃；T1為混凝土出機溫度，℃；a 為溫度損失系數，當用混凝土攪拌輸送車時，a=0.25；t 為混凝土自動運輸至澆筑成型完成的時間，h；n 為混凝土運轉次數，不二次裝車則為1；Tm為運輸時的環境氣溫，℃。

取值：入模溫度T2取5℃；一般一車混凝土施工完畢需耗費0.5h，則t 取經驗值為0.5h；n=1；Tm取最高溫度，Tm=-5℃；a=0.25。經計算，出機溫度T1=6.9℃。出機溫度要求≥10℃，因此T1取值10℃。

（2）根據出機溫度可反算混凝土拌和溫度，見式（4）：

式中：T0為混凝土拌和溫度，℃；Tp為攪拌機棚內溫度，℃。

取值：T1=10℃；根據現場實測，當外界環境溫度為-5℃時，此時不對攪拌機棚和料倉棚內進行加熱，棚內溫度為4℃，故Tp=4℃。經計算，混凝土拌和溫度T0=11.1℃。

（3）拌和站控制水溫。根據混凝土出機溫度反算拌和水溫，見式（5）：

式中：mw、mce、msa、mg分別為每立方米混凝土水、水泥、砂、石的用量，kg；c1為水的比熱容，kJ/（kg·K）；c2為冰的溶解熱，kJ/kg，當骨料溫度＞0℃時，c1=4.2×c2= 0kJ/kg，當骨料溫度≤0℃時，c1=2.1×c2=335kJ/kg；Tw、Tce、Tsa、Tg分別為水、水泥、砂、石的溫度，℃；wsa、wg分別為砂、石含水率，取值分別為2%、0%。

取值原則為考慮最不利因素。出機溫度T0取11.1℃，同時也滿足了出機溫度不得＜10℃的要求。水、水泥、砂、石的用量分別為160kg、345kg、754kg、1086kg；水泥運進平均溫度為45℃，每1.5d 運進一罐水泥，水泥出罐溫度為10℃左右，考慮天氣過冷不利因素，水泥溫度取5℃；根據現場實測，當外界環境溫度為-5℃時，若不對砂石料進行加熱，則砂石料溫度為1℃；砂、石實測最高含水率分別為4%、0%。將上述數據代入式（5），求得拌和水溫為47.6℃，可滿足出機溫度為10℃的要求。

2.3 冬季施工第二階段

當溫度低于-5℃時，料倉內溫度下降，砂石料存在結塊情況，會影響混凝土拌和均勻性和施工性能，此時需要在加熱水的基礎上，加熱砂石料；當溫度降低到拌和站設計的極限情況-34℃時，鍋爐房出水溫度將接近60℃，此時砂石料經過加熱后的保溫溫度會＞0℃，拌和用水的計算和具體實施情況與第一階段一樣。以最低溫度-34℃為例，此時根據料倉內溫度檢測，隔間底板溫度為35℃，料倉內空氣溫度為10℃，初步估算將-34℃砂石料加熱到2℃需要的時間為1d，＜3d，符合要求。

實際施工過程中，由于料倉內車輛進出和密閉性不嚴等問題造成空氣流通較快熱損失較多，因此在砂石料加熱化凍過程中還需使用裝載機翻晾2 次，一般需要2d 才能使砂石料全部化凍，使其溫度達到2℃。石子的計算方式同砂，也滿足要求。

2.4 結論

對冬季施工期間的環境溫度和水溫等情況進行驗算，具體情況如表1 所示。當外界環境溫度＞-5℃時處于冬季施工第一階段，此時拌和站內溫度為4℃，砂石料溫度為1℃，只需要對拌和用水采用電加熱棒加熱到47.6℃即可滿足施工要求；當外界環境溫度＜-5℃時處于冬季施工第二階段，此時需要采用鍋爐同時對拌和用水和砂石料進行加熱，將砂石料加熱到2℃，拌和用水加熱到55℃，才能滿足混凝土的溫度要求。

表1 混凝土環境溫度所需水溫對照表 單位：℃

3 信息管理技術應用

引入簡單的數據集成和信息化手段，對拌和站工作區域和生活區域進行溫度集中監控和調整，顯著降低了冬季維護保養工作量，并能通過實時監控提高管理效率，高效保證了冬季施工的穩定性。

4 效果分析

混凝土拌和站冬季施工的順利完工，有力地保證了棋盤梁特長隧道冬季的進一步施工。棋盤梁特長隧道及時順利貫通，保障了延崇高速（河北段）項目順利通車，獲得了各級政府和媒體的廣泛關注和好評。

5 結束語

棋盤梁特長隧道冬季施工的成功是拌和站加熱、保溫設計和措施到位的結果，整體系統內容包括環境調查、數據分析、結構設計和信息化應用等方面，為其他類似隧道施工提供了借鑒。