嚴寒地區地下水封洞庫冬季施工保溫措施的優化與應用

關 頌，劉創業，王立超，馬健雄

大慶油田工程質量監督站，黑龍江大慶 163458

某地下水封洞庫項目，按照國家發改委和大慶油田公司確定的工期目標，需要在冬季低溫下不間斷施工6～7 個月。該項目所處地區冬季氣溫在-20～-40 ℃之間，每年12 月至次年2 月溫度最低，若需連續不間斷施工，必須解決溫度這一大難題，保障工程施工中各項要素的溫度要求。

1 地下水封洞庫項目冬季施工主要特點

1）冬季施工安全、質量風險大。冬季施工的周期長，技術要求復雜，不確定因素影響大[1]。如遇場地結冰、噴射混凝土養護不到位、注漿達不到預期效果、作業面結冰等極易引發質量和安全事故。防寒保溫稍有疏漏就會產生混凝土凍脹、裂縫（紋）、結構疏散、表面泛霜等質量問題，路基填筑控制稍有不慎，會形成壓實度不足、軟弱夾層、路面面層開裂等質量缺陷[1-2]。

2）冬季施工質量事故多發。冬季混凝土特點： 0～4 ℃時，混凝土凝結時間比15 ℃時延長3倍，0.3～0.5 ℃時，混凝土開始凍結，水化反應基本停止；-10 ℃時水化反應完全停止，混凝土強度不再增長。在負溫條件下混凝土中的游離水結冰，體積增加9%，硬化的混凝土結構會發生凍脹破壞。同時，冬季施工質量事故具有隱蔽性、滯后性，冬季施工，春季才開始暴露出問題，輕者修補，重者返工處理，不僅給工程帶來巨大經濟損失，而且影響工程的工期及使用壽命[2-5]。

3）冬季施工成本投入高[3]。冬季施工需要對混凝土進行全過程防寒保溫，以及對已施工的項目進行全部防寒保溫，這些措施需投入大量的保溫材料、設施、設備和能源。另外，水封洞庫內的通風會帶走大量的熱量，熱損耗極大，因此需要制訂詳細方案，既保證洞庫內空氣清潔又能最大程度降低能耗，保證施工質量安全。

4）冬季施工生產效率低下。嚴寒條件下，防寒保溫消耗工時多、工序組織間隙時間長、混凝土強度增長慢等因素造成生產效率低下[6]。

根據以上特點，在該工程施工中，現場通過初步的模擬計算，借鑒以往工程和其他行業冬季施工的經驗，結合工程周邊條件，反復試驗現場加熱供暖效果，摸索出一套適合本工程的冬季供暖加熱方法。選擇電能作為基礎的加熱供暖能源，采用保溫材料搭建廠棚儲存混凝土等原材料，利用電加熱器進行室內加熱升溫，采用電鍋爐加熱施工用水，通風管道加裝管道電加熱器加熱冷空氣，供排水管道采用地埋及外部電伴熱輔熱包裹，洞口加裝防寒門及電暖風機供熱等方式，嚴格控制施工各環節的溫度，成功實現了各項溫度指標，確保了工程進度和實體質量。

2 加熱供暖能源選取

結合工程周邊的能源供應條件和實際施工需求，將周邊電能、燃油、氣體、可燃供熱材料（煤炭、秸稈等）從技術可行、安全環保、成本控制方面進行分析，確定將電能作為供暖加熱能源。

2.1 技術可行性

1）該地區電、燃油、煤炭應用廣泛且供應充足，但燃氣主要供應市民生活所需，存儲有限，因此電、燃油、煤炭作為能源可行性高。

2）轉化效率方面，電能加熱轉化效率在4種能源中最高（95%以上），其次為燃油、燃氣和煤炭。

3）電能轉化配套設備簡單，安裝方便；煤炭及燃油需要配套相應的成套設施方可實現加熱供暖，初期投入較高；燃氣基礎設施更為復雜，難以實施。綜上，電能使用廣泛，實施可行性高。

2.2 安全環保分析

當地實行煤改電政策，未來電能將逐步取代煤炭進行加熱供暖；燃煤需設置除塵、脫硫、脫硝裝置，保障排放指標達標方可；燃氣需要設置成套儲存使用設備，安全要求高；燃油鍋爐需要做好防靜電、防凍、防水以及燃燒物的處理等措施，使用安全風險較高。

燃料型鍋爐在密閉廠房或地下洞室內污染空氣，使用中火災和爆炸安全風險較高；電能作為能源，對空氣無污染，在規范用電下安全可控。

2.3 經濟適用性

4 種燃料鍋爐熱效率、經濟性由低到高依次為煤→氣→電→油。燃氣投入成本大，建設周期長，保障供應困難；因環保要求，燃煤及燃油鍋爐的蒸發容量嚴重受限，要求的低蒸發容量的鍋爐無法滿足實際需要，采用多臺低蒸發容量的鍋爐極不經濟，且建設大型鍋爐周期較長，審批手續繁雜，不能及時投入使用。

經總體分析，最終優選電能作為本工程供熱保溫的能源。

3 加熱供暖設備選擇

3.1 熱功耗計算

鑒于該工程冬季施工時間長、溫度低，工程建設所需的生產輔助設施應根據當地的風、雪載荷及冬季保溫要求選擇設備材料，以適應當地的氣候條件，保障工程施工。

地面臨時建筑方面，委托有相應資質的設計單位根據荷載和氣溫條件進行設計。根據GB 50019—2018《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中供暖參數取值，計算各類生產輔助設施的供熱指標，從而確定電力線路直徑、變壓器容量、加熱設備型號及功率等參數。

施工前進行初步計算，并根據計算結果開展廣泛市場調查，選擇合適的電能加熱設備。

3.2 材料、設備選擇

建筑物為臨時設施時以鋼結構為主，型鋼骨架外部覆蓋保溫材料，盡可能杜絕“熱橋”問題出現。保溫材料面板主要以玻璃絲綿夾層為主，厚度≥15 cm。為防止屋頂積雪結冰問題，屋頂保溫板外鋪25 W/m電熱阻絲，間排距25 cm。根據實際情況進行開啟。

采用壓制保溫板制作洞口的防寒門，洞口內側設置鋼管或型鋼骨架支撐。洞口通道設置人員和車輛分離通道門。車輛通道設置快速卷簾門，及時開啟、關閉減少冷空氣進入量，確保洞內恒溫。通道門在無人員、車輛進出時處于關閉狀態。

拌合用水加熱設備選取電鍋爐加熱，配置自動控制柜，根據設定溫度實時進行拌合水循環加熱。

選用石墨烯電暖器對綜合加工廠和辦公房屋進行室內加熱，電暖器個數根據面積和規定溫度設定，維持24 h控溫。

洞內加熱、通風選用與風管配套的風道加熱器，對新鮮冷空氣加熱后輸送至作業面。供排水系統則選用電伴熱帶進行纏繞加熱，外部包裹保溫巖棉保溫。

局部需要集中升溫時，采用電暖風機進行空氣循環加熱，保障施工生產所需溫度。

3.3 供暖系統應用

1）在綜合加工廠內，石墨烯電加熱器布設在墻壁高度2.0 m，間隔2.0 m，暖風炮在地面上間隔3 m 設置，見圖1。根據供暖面積和所需加熱功率，計算布置數量；同時根據加工廠內鋼筋加工、混凝土拌合、材料儲存等功能區劃分，調整布設電加熱器的個數和間距，以保障室內基本作業溫度。為防止車輛進出廠房失溫過快，設置兩道防寒門，配置快速卷簾門，減少冷熱空氣對流，降低因頻繁進出造成室內溫度降低的情況。

圖1 石墨烯電加熱器和暖風炮

2）臨時辦公設施內，按面積進行布設電加熱設備。人員工作期間全功率運行，休班時則低功率運轉。一般集裝箱式板房，配置兩個4 kW 電加熱器可滿足供暖需要。

3）拌合站內采用100 kW 電鍋爐加熱拌合用水。配置水箱、控制柜、溫度感應器等，實現溫度自動控制。

4）砂、碎石的升溫與保溫措施。合格倉內的砂、碎石等大堆料頂部以篷布遮蓋保溫，選擇一個砂倉、一個5～10 mm 碎石料合格倉布設地暖，增設鍋爐加熱系統加熱。對于骨料升溫，最高溫度不超過40 ℃，優先選擇加熱砂倉，當只加熱砂子不能滿足施工要求時再加熱碎石，通常情況下盡量不加熱碎石。

5）供排水管道地埋深度2.6 m以上，外露部分采用24 V電伴熱帶3根，均布鋪設進行加熱，利用保溫巖棉或橡膠材料進行包裹，防止管道凍結。

6）巷道口采用防寒門配置快速卷簾門進行防護，防寒門設置兩道，抵御-30～-40 ℃低溫情況，保障地面不結冰，車輛可正常通行。防寒門上頂部預留窗口，作為污濁空氣排出通道。正面預留施工通風管道，安裝風管后四周堵塞密閉。

7）通風方面，根據溫度和加熱空氣體積所需熱量計算，購置500～600 kW 組裝式風道加熱器，根據不同溫度啟用不同組數的電阻，加熱空氣后輸送至洞內各作業面。風道加熱器（見圖2～圖3）安裝于主管道段，可靠近風機也可在風管合適部位安裝。

圖2 雙管組裝式風道加熱器

4 冬季施工標準與管理

4.1 質量保證措施

1）根據冬季施工規范標準的溫度要求，選擇經濟可靠的加熱措施，保障施工溫度符合標準。

2）施工過程中由專人負責溫度測定，及時調整設備配置和功率，保障溫度始終達到標準要求。

3）對已施工實體的質量進行實驗檢測，保障施工質量合格。

4）嚴格執行巡視檢查制度，及時解決加熱供暖方面的問題，在溫度達到標準情況下保證工程質量達到合格標準。

4.2 質量檢驗標準

1）鋼筋加工廠：根據GBZ1—2010《工業企業設計衛生標準》第6.2.2.2條表B.1常見職業勞動強度分級表規定，結合本工程鋼筋加工廠面積、工作人數計算。勞動者人均占用面積為50～100 m2，勞動強度為Ⅱ級中等勞動強度，故鋼筋加工廠溫度≥7 ℃。

2）現場辦公區、值班室：根據GBZ1—2010《工業企業設計衛生標準》第6.2.2.2 條表B.1 常見職業勞動強度分級表規定，本工程現場辦公區、值班室為Ⅰ級勞動強度，為輕勞動，故現場辦公區、值班室溫度≥18 ℃。

3） 混凝土拌合站：根據JTG/T 3050—2020《公路橋涵施工技術規范》 第25.2.5 條、DL/T 5144—2015《水工混凝土施工規范》第9.2.6 條，混凝土入模溫度≥5 ℃，考慮到運輸過程、澆筑過程中混凝土溫度會降低，混凝土拌合物的出機溫度按10 ℃控制。結合GBZ1—2010《工業企業設計衛生標準》第6.2.2.2 條表B.1 常見職業勞動強度分級表規定，廠房內溫度≥5 ℃。

5 結論

1）經過實際應用，在水封洞庫的冬季施工中采取以上保溫措施，能夠有效保障施工生產的溫度指標，保證工程正常施工。

2）冬季加熱供暖系統的建設及應用，為同類型或同地區工程積累了實踐經驗。

3）摸索冬季施工各項措施，合理選取能源和設備，降低施工成本，可為冬季施工綜合方案和成本控制提供參考。