李進(jìn)輝，劉可心，黃 俊，焦運(yùn)攀，徐文冰

(1．中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430040;2．長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430040)

港珠澳大橋島隧工程是我國交通建設(shè)史上技術(shù)最復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)最高的海中隧道工程，也是世界范圍內(nèi)已建和在建沉管隧道中長度最長、埋置最深、單孔跨度最寬、單節(jié)柔性管節(jié)最長、規(guī)模最大的海底公路沉管隧道。島隧工程設(shè)計(jì)使用年限為120年，其沉管結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):①沉管結(jié)構(gòu)處于Ⅰ類碳化和Ⅲ類海洋氯化物腐蝕環(huán)境條件下，海洋氯化物腐蝕環(huán)境作用為控制因素，其作用等級(jí)為嚴(yán)重(D級(jí))至非常嚴(yán)重(E級(jí))，腐蝕環(huán)境非常嚴(yán)酷，一旦出現(xiàn)裂縫會(huì)加速氯鹽侵蝕危害;②沉管結(jié)構(gòu)在海平面以下40多米深度，在長期水壓條件下，表面裂縫可能連通、延伸，成為滲水通道，導(dǎo)致其自身抗?jié)B能力降低，加速氯鹽侵蝕;③沉管混凝土結(jié)構(gòu)長埋于水下，結(jié)構(gòu)無法修復(fù)，一旦出現(xiàn)腐蝕將極大影響結(jié)構(gòu)使用壽命;④沉管結(jié)構(gòu)采用自防水設(shè)計(jì)，無外包防水，對(duì)防裂防滲要求非常嚴(yán)格。此外，作為具有國家戰(zhàn)略意義的世界級(jí)跨海通道，其社會(huì)影響和受關(guān)注度極高。因此，預(yù)制沉管混凝土不允許出現(xiàn)危害性裂縫［1-3］。

港珠澳大橋島隧工程預(yù)制沉管采用工廠化預(yù)制，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)連續(xù)不斷，對(duì)溫控監(jiān)測(cè)和控制時(shí)效性及精確性要求極高。傳統(tǒng)溫控采用(溫度、濕度、應(yīng)變、壓力)傳感器+人工巡檢+人工記錄+Excel報(bào)表的工作方式，在工作效率、工作準(zhǔn)確性上已經(jīng)不能滿足工廠化施工的管理要求。應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字化測(cè)量技術(shù)，滿足數(shù)據(jù)從采集、統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)警一體化處理要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化的施工管理，是大體積混凝土溫控技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。因此，需要開發(fā)一個(gè)全面覆蓋預(yù)制各環(huán)節(jié)、全過程的可視化溫控監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)制沉管混凝土自動(dòng)化、專業(yè)化的裂縫控制，有效保證沉管質(zhì)量，滿足港珠澳工程建設(shè)的需要。同時(shí)，高度自動(dòng)化、智能化的控制系統(tǒng)將填補(bǔ)我國交通行業(yè)工廠法預(yù)制構(gòu)件溫控研究領(lǐng)域的空白，對(duì)提升我國類似工程的施工技術(shù)水平具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)效益。

1 現(xiàn)場(chǎng)溫控監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)確定

1.1 總體思路

因材料性能和環(huán)境因素的不確定性，現(xiàn)場(chǎng)控裂參數(shù)的確定僅依靠仿真計(jì)算是不夠的，需要經(jīng)過室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，經(jīng)過多次反演和校核計(jì)算的循環(huán)才能最終確定。溫控監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)確定流程如圖1。

1.2 控裂方案

根據(jù)前期研究成果，對(duì)優(yōu)化后的沉管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力仿真分析，在混凝土配合比初步選定，抗裂安全系數(shù)1.4條件下，確定不出現(xiàn)有害溫度裂縫的混凝土澆筑溫度、最高溫度、內(nèi)表溫差、降溫速率等溫控指標(biāo)［4-5］。

在溫度應(yīng)力仿真分析的基礎(chǔ)上，為滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求，現(xiàn)場(chǎng)采取優(yōu)選原材料、優(yōu)化配合比、控制原材料溫度、片冰和制冷水拌合混凝土、噴霧降溫和養(yǎng)護(hù)、自動(dòng)化溫度監(jiān)測(cè)等綜合溫控措施，控制大體積混凝土溫度裂縫［6-9］。

1.3 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前期研究成果提出的沉管混凝土配合比進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)［4］。具體做法是，試驗(yàn)室內(nèi)澆筑一定尺寸的混凝土塊體，檢測(cè)塊體混凝土相關(guān)力學(xué)和熱學(xué)性能，包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、混凝土溫升和升溫速率等。依據(jù)檢測(cè)結(jié)果，通過仿真反演分析，修正和調(diào)整仿真分析計(jì)算參數(shù)取值，提高仿真計(jì)算的可靠性。

1.4 關(guān)鍵參數(shù)確定

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工的具體情況，基于前期專題研究成果，經(jīng)過模型試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化確定現(xiàn)場(chǎng)溫控監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)［4-5］。關(guān)鍵參數(shù)包括溫度、濕度、壓力三大類。

1.4.1 溫度控制參數(shù)

包括混凝土各種原材料溫度以及攪拌站混凝土出機(jī)溫度、混凝土澆筑溫度、沉管混凝土內(nèi)部最高溫度、廠區(qū)環(huán)境溫度、養(yǎng)護(hù)溫度等。

1)原材料溫控標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)水泥、粉煤灰、礦粉、骨料等原材料溫度提出了一定的要求。允許原材料溫度出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)，見表1。但是最終澆筑溫度必須滿足溫控設(shè)計(jì)要求。

表1 原材料溫控標(biāo)準(zhǔn) ℃

2)混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)。①混凝土澆筑溫度控制:高溫季節(jié)(月平均溫度≥25℃)澆筑溫度≤26℃，常溫季節(jié)(月平均溫度18～25℃)澆筑溫度≤23℃，低溫季節(jié)(月平均溫度≤18℃)澆筑溫度≤20℃;②最高溫度控制:高溫季節(jié)沉管內(nèi)部最高溫度≤70℃，常溫和低溫季節(jié)沉管內(nèi)部最高溫度≤65℃;③混凝土溫差控制:混凝土最大內(nèi)、表溫差≤25℃，混凝土表面與環(huán)境溫差≤15℃，養(yǎng)護(hù)水與混凝土表面溫差≤15℃;④降溫速率控制:拆模后≤3℃/d。

1.4.2 濕度控制參數(shù)

1)澆筑完后所有裸露面覆蓋土工布保溫，并保持濕潤;

2)拆模后進(jìn)入養(yǎng)護(hù)棚噴霧養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)區(qū)相對(duì)濕度控制在85%以上;

2.2.2 BIND BIND≥4分者24例，其預(yù)測(cè)神經(jīng)系統(tǒng)不良預(yù)后的靈敏度為76.9%，特異度為75.9%，陽性預(yù)測(cè)值為43.5%，陰性預(yù)測(cè)值為93.2%。

3)預(yù)制沉管拆模后濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d。

1.4.3 凝結(jié)狀態(tài)參數(shù)

1)控制側(cè)壓力在合理范圍，即保證其不超過模板設(shè)計(jì)承壓力;

2)混凝土初凝時(shí)間為10～15 h，防止混凝土出現(xiàn)冷縫。

2 溫控監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)基本構(gòu)架

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想和原則，結(jié)合分布式應(yīng)用及數(shù)據(jù)庫技術(shù)，系統(tǒng)采用三層C/S架構(gòu)。后端為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，采用Oracle數(shù)據(jù)庫。中間層為應(yīng)用邏輯層，提供應(yīng)用服務(wù)。接入層分為數(shù)據(jù)采集層和展現(xiàn)服務(wù)層，以客戶端的形式分布，具體包括桌面系統(tǒng)數(shù)據(jù)錄入、多視角綜合查詢終端、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集接口程序、報(bào)表打印服務(wù)等。

系統(tǒng)組成分硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件包含數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)輸出設(shè)備，軟件主要功能為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析計(jì)算、綜合查詢、形象展示、生成報(bào)表、溫控預(yù)警，同時(shí)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，通過數(shù)據(jù)接口連接其他系統(tǒng)，見圖2。

圖2 混凝土溫控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框架

2.2 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

依據(jù)前期溫控監(jiān)測(cè)參數(shù)，開發(fā)可視化溫控監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)依托控制平臺(tái)軟件，自動(dòng)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析處理，輸出實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)可視化數(shù)據(jù)，并具有報(bào)警、控制或提出控制建議功能，實(shí)現(xiàn)溫度應(yīng)力自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和控制。軟件包括系統(tǒng)管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)采集、綜合查詢和溫控預(yù)警功能。此外，軟件還需要有一定的抗突發(fā)事件和容錯(cuò)能力，例如出現(xiàn)突然停電、某監(jiān)測(cè)點(diǎn)短路、數(shù)據(jù)異常等情況的自動(dòng)處理。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控關(guān)鍵點(diǎn)

結(jié)合溫控監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參數(shù)控制要求，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵控制點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面:

1)對(duì)原材料溫度檢查和控制，不合格則計(jì)算是否可以通過增加加冰量解決，不能解決則不允許澆筑。

2)對(duì)混凝土澆筑溫度的控制，監(jiān)測(cè)各原材料溫度和混凝土溫度，一旦發(fā)現(xiàn)澆筑溫度控制異常，及時(shí)反饋信息，作為加冰量調(diào)整的依據(jù);加冰不能解決則需要密切關(guān)注最高溫度和成品是否開裂并注意加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。同時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，尋求下一次澆筑前的改進(jìn)措施。

3)最高溫度檢查和控制，發(fā)現(xiàn)不合格則需分析原因，尋求下一次澆筑前的改進(jìn)措施，考慮澆筑溫度是否要繼續(xù)降低。

4)對(duì)預(yù)制區(qū)溫度和濕度控制，預(yù)制區(qū)溫濕度反饋信息作為預(yù)制區(qū)溫濕度控制設(shè)備的控制參數(shù)來源。

5)對(duì)養(yǎng)護(hù)區(qū)溫度和濕度控制，監(jiān)測(cè)養(yǎng)護(hù)區(qū)溫濕度，發(fā)現(xiàn)不滿足要求，即調(diào)整養(yǎng)護(hù)區(qū)噴霧裝置水溫、噴水量、噴水區(qū)域和時(shí)間等。

6)凝結(jié)狀態(tài)參數(shù)控制，控制側(cè)壓力在合理范圍，既保證其不超過模板設(shè)計(jì)承壓力。同時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)混凝土凝結(jié)時(shí)間，防止混凝土出現(xiàn)冷縫。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過前期足尺模型試驗(yàn)對(duì)可視化溫控監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，經(jīng)過仿真分析計(jì)算和反演，全面驗(yàn)證了前期制定控裂方案及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控參數(shù)的合理性，同時(shí)證明了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性［5］。在足尺模型試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上采用研發(fā)的可視化溫控監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)港珠澳大橋預(yù)制管節(jié)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，見圖3。其中前兩個(gè)管節(jié)監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2。

圖3 沉管預(yù)制溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

從表中監(jiān)測(cè)結(jié)果和預(yù)制沉管拆模后外觀(圖4)可以看出:通過現(xiàn)場(chǎng)采取的溫控措施，混凝土各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)均滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求，預(yù)制沉管管節(jié)沒有出現(xiàn)裂縫。可視化溫控監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)與沉管工廠化預(yù)制的自動(dòng)化需求相匹配，滿足了時(shí)效性要求。實(shí)現(xiàn)了預(yù)制沉管溫度、濕度、側(cè)壓力的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和控制，有效保證了沉管的質(zhì)量，為港珠澳大橋預(yù)制沉管耐久性實(shí)現(xiàn)提供了有利的保障。

表2 前兩個(gè)管節(jié)溫度情況匯總

圖4 預(yù)制沉管管節(jié)拆模后外觀

4 結(jié)論

1)基于前期專題研究成果，確定了現(xiàn)場(chǎng)裂縫控制關(guān)鍵參數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)，包括溫度、濕度、壓力三大類。其中溫度包括混凝土各種原材料溫度、攪拌站混凝土出機(jī)溫度、混凝土澆筑溫度、沉管混凝土內(nèi)部最高溫度、廠區(qū)環(huán)境溫度、養(yǎng)護(hù)溫度等;濕度包括預(yù)制區(qū)和養(yǎng)護(hù)區(qū)濕度;壓力指預(yù)制沉管混凝土側(cè)壓力。

2)研發(fā)出了預(yù)制沉管混凝土溫控監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)基于無線傳輸技術(shù)，包括了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)輸出設(shè)備，同時(shí)進(jìn)行溫控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的設(shè)計(jì)。開發(fā)了可視化溫控監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件，軟件主要功能為系統(tǒng)管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)采集、綜合查詢和溫控預(yù)警等，同時(shí)具有容錯(cuò)能力。

3)在足尺模型試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上采用研發(fā)的可視化溫控監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)港珠澳大橋預(yù)制管節(jié)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)預(yù)制沉管溫度、濕度、側(cè)壓力的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和控制，混凝土各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)均滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求，預(yù)制沉管管節(jié)沒有出現(xiàn)裂縫。

4)綜合溫控監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用實(shí)踐表明，本系統(tǒng)具有全面覆蓋預(yù)制各環(huán)節(jié)、可視化、全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)控的特點(diǎn)，填補(bǔ)我國交通行業(yè)工廠法預(yù)制構(gòu)件溫控監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域的空白，對(duì)提升我國類似工程的施工技術(shù)水平具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)效益。

［1］孟凡超，劉曉東，徐國平．港珠澳大橋主體工程總體設(shè)計(jì)［C］∥第十九屆全國橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(上冊(cè))．北京:人民交通出版社，2010．

［2］劉曉東．港珠澳大橋總體設(shè)計(jì)與技術(shù)挑戰(zhàn)［C］∥第十五屆中國海洋(岸)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集．北京:海洋出版社，2011．

［3］李英，陳越．港珠澳大橋島隧工程的意義及技術(shù)難點(diǎn)［J］．工程力學(xué)，2011，28(增 2):67-77．

［4］港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目總經(jīng)理部．港珠澳大橋主體工程島隧工程預(yù)制沉管混凝土配制和控裂方案研究［R］．珠海:港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目總經(jīng)理部，2012．

［5］港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目總經(jīng)理部．港珠澳大橋主體工程島隧工程沉管節(jié)段足尺模型試驗(yàn)研究［R］．珠海:港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目總經(jīng)理部，2013．

［6］朱伯芳．大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］．北京:中國電力出版社，1999．

［7］王鐵夢(mèng)．工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004．

［8］張明雷，李進(jìn)輝，劉可心．大體積混凝土現(xiàn)場(chǎng)溫控措施比較分析［J］．施工技術(shù)，2013(增1):168-171．

［9］馬少雄，劉超群，符敏．大體積混凝土施工溫度控制研究［J］．鐵道建筑，2011(4):40-41．