段　寅，胡中平，羅立哲

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 湖北 武漢 430010)

大型地下洞室襯砌混凝土溫控防裂研究

段寅，胡中平，羅立哲

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 湖北 武漢 430010)

摘要：隨著現(xiàn)代地下工程規(guī)模不斷增大，地下工程混凝土溫控防裂問(wèn)題也越來(lái)越突出，需引起更多重視。采用有限元法對(duì)地下洞室襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工期溫度及溫度應(yīng)力仿真，重點(diǎn)對(duì)襯砌厚度、分縫長(zhǎng)度、圍巖彈模及約束情況、洞室氣溫等進(jìn)行敏感性分析，歸納影響地下洞室襯砌結(jié)構(gòu)溫度裂縫產(chǎn)生的主要因素。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)分塊尺寸及約束條件等對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力影響較大，施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)需要采取適當(dāng)溫控措施降低最高溫度、減小結(jié)構(gòu)約束情況，進(jìn)而減小溫度應(yīng)力，以提高地下洞室襯砌結(jié)構(gòu)抗裂安全。

關(guān)鍵詞：地下工程；襯砌混凝土；溫度裂縫；溫控仿真

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)混凝土溫度控制的研究主要集中在大壩等大體積混凝土[1-6]，而地下工程混凝土(地下廠房、泄洪洞、導(dǎo)流洞等)溫度控制相關(guān)研究較少[7-10]，也缺乏較為統(tǒng)一的溫控標(biāo)準(zhǔn)和溫控手段。近些年隨著現(xiàn)代地下工程規(guī)模不斷增大，高標(biāo)號(hào)、大體積混凝土的大量使用，對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性能要求越來(lái)越高，地下工程混凝土溫控防裂問(wèn)題也越來(lái)越突出[11-13]。特別是對(duì)于巖錨梁、尾水管、泄洪洞等部位，混凝土標(biāo)號(hào)高，約束強(qiáng)，早期最高溫度若控制不當(dāng)，極易產(chǎn)生裂縫。過(guò)寬的裂縫會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件鋼筋的銹蝕，降低結(jié)構(gòu)耐久性；并且，帶裂縫的鋼筋混凝土構(gòu)件會(huì)在各種作用下產(chǎn)生過(guò)大的變形，影響結(jié)構(gòu)的正常使用，特別是對(duì)于泄洪洞等過(guò)水建筑物，在高速水流沖蝕作用下，會(huì)進(jìn)一步加速結(jié)構(gòu)破壞，極大危害結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定與安全。地下工程混凝土溫度裂縫的防治需引起足夠的重視。

本文結(jié)合地下工程結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)的敏感性分析研究，歸納影響施工期溫度裂縫產(chǎn)生的主要因素，并對(duì)控制溫度及溫度應(yīng)力的主要溫控措施進(jìn)行研究，有效提高地下洞室襯砌結(jié)構(gòu)抗裂安全性，提升地下工程設(shè)計(jì)的整體水平。

1計(jì)算分析模型及參數(shù)選取

與大壩大體積混凝土不同的是，地下工程結(jié)構(gòu)多為薄壁或細(xì)長(zhǎng)型混凝土結(jié)構(gòu)，受?chē)鷰r約束更強(qiáng)；且混凝土標(biāo)號(hào)高，水泥用量大，結(jié)構(gòu)配筋多；另外，地下洞室內(nèi)溫度環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。這些特點(diǎn)有些利于溫控防裂，有些又對(duì)防裂不利[14-15]。本文通過(guò)系統(tǒng)的有限元計(jì)算分析[1,4-6]，以掌握地下工程混凝土溫控特點(diǎn)及主要影響因素。

圖1給出一城門(mén)洞形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)模型。一般來(lái)說(shuō)，尺寸較大的襯砌結(jié)構(gòu)往往會(huì)分層澆筑，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本次分析取襯砌結(jié)構(gòu)的單個(gè)澆筑塊進(jìn)行比較。

圖1混凝土澆筑塊模型

計(jì)算中主要參數(shù)及邊界條件參考某工程取值如下：

主要尺寸參數(shù)：澆筑塊厚度H=1.5 m；澆筑塊分縫長(zhǎng)度L=12 m。

主要邊界條件：洞室溫度環(huán)境25℃；地基溫度25℃；地基彈模30 GPa。

主要溫控措施：澆筑溫度22℃；無(wú)通水冷卻。

混凝土主要熱力學(xué)參數(shù)值見(jiàn)表1、表2。

表1　混凝土主要熱學(xué)參數(shù)

表2　混凝土主要力學(xué)參數(shù)

2襯砌結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力主要影響因素

2.1　襯砌厚度敏感性分析

襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是散熱快，但同時(shí)它對(duì)溫度變化也更為敏感，受地基約束也更為強(qiáng)烈。圖2、圖3給出0.6 m～2.0 m不同襯砌厚度混凝土最高溫度及最大拉應(yīng)力沿深度分布，表3給出不同襯砌厚度敏感性分析成果匯總，其中，Tmax代表混凝土內(nèi)部最高溫度，σmax代表混凝土最大拉應(yīng)力值，K為混凝土抗裂安全系數(shù)，取εE/σ及Rt/σ中的小值，結(jié)果表明：

表3　不同襯砌厚度敏感性分析成果

圖2　不同深度下最高溫度分布圖

圖3不同深度下最大拉應(yīng)力分布圖

(1) 襯砌厚度增大，結(jié)構(gòu)整體最高溫度增高，且在厚度方向中間部位增加最為明顯。其中，襯砌厚度在0.6 m～1.5 m時(shí)，襯砌厚度每增加0.1 m，最高溫度增加1.4℃～0.9℃。而最高溫度每增加1℃，內(nèi)部最大拉應(yīng)力約增加0.11 MPa，增幅相對(duì)較大。

(2) 襯砌厚度0.6 m～1.2 m時(shí)，抗裂安全系數(shù)能達(dá)到2.0以上，當(dāng)襯砌厚度達(dá)到1.5 m甚至更大時(shí)，抗裂安全系數(shù)僅為1.7甚至更低，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)大大增加，此時(shí)需要采取一定溫控手段降低混凝土內(nèi)部最高溫度。

2.2　分縫長(zhǎng)度敏感性分析

分縫長(zhǎng)度變化主要影響混凝土拉應(yīng)力結(jié)果，表4給出混凝土分縫長(zhǎng)度L為6 m～24 m各工況敏感性分析成果，結(jié)果表明，澆筑塊長(zhǎng)邊尺寸增大，在相同溫度條件下會(huì)產(chǎn)生更大的溫度應(yīng)力。當(dāng)L達(dá)到12 m以上，即L/H達(dá)到8以上時(shí)，內(nèi)部最大應(yīng)力增大至2.34 MPa以上，抗裂安全系數(shù)達(dá)到1.7以下。施工過(guò)程中應(yīng)控制分縫長(zhǎng)度在9 m～12 m以?xún)?nèi)，特殊部位應(yīng)更低。

表4　不同分縫長(zhǎng)度敏感性分析成果

2.3　圍巖彈模敏感性分析

為比較不同圍巖彈模對(duì)混凝土溫度應(yīng)力的影響程度，采用有限元法對(duì)10 GPa～40 GPa的圍巖彈模進(jìn)行敏感性分析，表5給出不同圍巖彈模工況敏感性分析成果匯總。結(jié)果表明，由于地下工程混凝土結(jié)構(gòu)較薄，圍巖彈模的變化會(huì)影響結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力情況。圍巖彈模每增加10 GPa，結(jié)構(gòu)各深度范圍混凝土最大應(yīng)力增加約0.15 MPa，增幅約達(dá)6%。

表5　不同圍巖彈模敏感性分析成果

2.4　圍巖約束敏感性分析

地下工程混凝土結(jié)構(gòu)約束復(fù)雜，對(duì)于一個(gè)澆筑塊，除底面受基礎(chǔ)約束以外，側(cè)面也往往會(huì)受到基礎(chǔ)或老混凝土約束。表6給出不同圍巖約束情況敏感性分析成果，與側(cè)面無(wú)約束情況相比，側(cè)面受約束時(shí)應(yīng)力增大約達(dá)5%～14%，且約束面越多，相同溫差情況下所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力越大。施工中對(duì)于混凝土塊約束較強(qiáng)情況，施工期溫度應(yīng)從嚴(yán)控制。

表6　不同環(huán)境溫度敏感性分析成果

2.5　洞室氣溫敏感性分析

在地下洞室的襯砌混凝土施工過(guò)程中，對(duì)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力造成直接影響的環(huán)境溫度主要是洞室氣溫，不考慮太陽(yáng)輻射影響。表7給出20℃～35℃洞室氣溫敏感性分析成果匯總，結(jié)果表明，洞室環(huán)境溫度每增加1℃，內(nèi)部最高溫度增加約0.2℃，內(nèi)部最大應(yīng)力變化不到1%，表明內(nèi)部最大溫度應(yīng)力受環(huán)境溫度影響相對(duì)較小。

表7　不同環(huán)境溫度敏感性分析成果

3主要溫度控制措施研究

3.1　通水冷卻

實(shí)際工程中，襯砌較厚的地方需施加通水冷卻等溫控措施。表8給出考慮通水冷卻作用下不同襯砌厚度敏感性分析成果。與表3結(jié)果相比，通水后結(jié)構(gòu)的最高溫度得到有效控制，襯砌厚度越大，降溫效果越明顯，最大應(yīng)力也得到明顯降低，安全系數(shù)大幅提升。

表8　通水冷卻作用下不同襯砌厚度敏感性分析成果

3.2　澆筑溫度

控制混凝土澆筑溫度是工程中常用且較為有效的溫控手段。為比較不同澆筑溫度對(duì)混凝土最高溫度及溫度應(yīng)力的影響程度，采用有限元法對(duì)16℃～28℃的澆筑溫度進(jìn)行敏感性分析，表9給出不同澆筑溫度工況敏感性分析成果匯總，計(jì)算結(jié)果表明：澆筑溫度的高低對(duì)襯砌內(nèi)部最高溫度及最大拉應(yīng)力影響極大。無(wú)通水情況下，澆筑溫度每增加1℃，內(nèi)部最高溫度增加約0.65℃，最大拉應(yīng)力增加約0.08 MPa；有通水情況下，澆筑溫度每增加1℃，內(nèi)部最高溫度增加約0.60℃，相應(yīng)地最大拉應(yīng)力增加約0.10 MPa。

表9　不同澆筑溫度敏感性分析成果

降低澆筑溫度以及增加通水冷卻均能有效降低襯砌混凝土內(nèi)部最高溫度，提高抗裂安全系數(shù)。施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)具體情況，采取適當(dāng)溫控措施，保證地下洞室襯砌結(jié)構(gòu)施工期抗裂安全。

4結(jié)論

研究表明，對(duì)于地下工程襯砌結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸、形狀、基礎(chǔ)約束等條件對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)溫度及溫度應(yīng)力影響較大，而洞室環(huán)境溫度等也有一定影響。降低混凝土最高溫度、降低結(jié)構(gòu)約束是減小溫度應(yīng)力、提高地下工程結(jié)構(gòu)抗裂安全最有效的手段，施工過(guò)程中應(yīng)主要從以下幾個(gè)方面著手：(1) 溫差控制上，以控制最高溫度為主，在混凝土澆筑過(guò)程中通過(guò)增加初期通水冷卻，降低澆筑溫度、降低洞內(nèi)環(huán)境溫度等能有效降低最高溫度及溫度應(yīng)力；(2) 約束控制上，合理的分縫分塊、控制各邊尺寸比有助于減小約束系數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]朱伯芳.混凝土壩溫度控制與防止裂縫的現(xiàn)狀與展望[J].水利學(xué)報(bào)，2006，37(12)：1424-1428．

[3]朱伯芳.論混凝土壩抗裂安全系數(shù)[J].水利水電技術(shù)，2005(7):33-36.

[4]周偉，常曉林，劉杏紅，等．基于溫度應(yīng)力仿真分析的碾壓混凝土重力壩誘導(dǎo)縫開(kāi)裂研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006,25(1):122-127.

[5]劉杏紅，周偉，常曉林．改進(jìn)的非線性徐變模型及其在混凝土壩施工期溫度應(yīng)力仿真分析中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2009，30(2)：440-446.

[6]朱伯芳.考慮外界溫度影響的水管冷卻等效熱傳導(dǎo)方程[J].水利學(xué)報(bào)，2003(3):49-54.

[7]方朝陽(yáng)，段亞輝.利用嵌固板理論計(jì)算隧洞襯砌施工期溫度應(yīng)力[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2003(11):59-61.

[8]劉強(qiáng)，楊敬，廖桂英.溪洛渡水電站大型泄洪洞高強(qiáng)度襯砌混凝土溫控設(shè)計(jì)[J].水電站設(shè)計(jì)，2011,27(3):67-70.

[9]司政，李守義，陳堯隆，等.泄洪洞混凝土襯砌溫變效應(yīng)及溫控防裂措施研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011,39(3):211-218.

[10]樊啟祥,黎汝潮.襯砌混凝土溫控試驗(yàn)研究與裂縫原因分析[J].中國(guó)三峽建設(shè)，2001(5):11-13.

[11]呂克志，呂克金.溫度作用下蝸殼外圍混凝土裂縫穩(wěn)定性分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2012，10(1):73-77.

[12]史雁飛，余詠，劉澤敏.三峽工程地下廠房引水洞混凝土裂縫的防治及處理[J].云南水力發(fā)電，2009，25(3):59-61.

[13]趙路，馮艷，段亞輝，等.三板溪泄洪洞襯砌混凝土裂縫發(fā)生與發(fā)展過(guò)程[J].水力發(fā)電，2011，37(9):35-38.

[14]李俊,陳鵬.澆筑層厚度對(duì)約束區(qū)大體積混凝土溫度應(yīng)力影響研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014，12(2):199-202.

[15]亢景付,趙蒙蒙,蔣元成,等.約束程度與溫度應(yīng)力之間的關(guān)系研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014，12(6):21-25.

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.04.021

收稿日期：2015-02-05修稿日期：2015-03-24

基金項(xiàng)目：湖北省博士后創(chuàng)新崗位資助項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：段寅(1986—)，男，湖北武漢人，博士，主要從事大體積混凝土溫度控制方面的工作。 E-mail:duanyin0224@126.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TV315

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2015)04—0107—04

Study on Temperature Control and Crack Prevention for Lining Structure of Underground Engineering

DUAN Yin, HU Zhongping, LUO Lizhe

(ChangjiangInstituteofSurvey,Planning,DesignandResearch,Wuhan,Hubei430010,China)

Abstract：As the increase of underground construction scales, the concrete temperature control of underground construction becomes a more outstanding problem demarding more attention. Here, the finite element method was adopted to simulate the temperature and thermal stress of the construction period for the underground concrete lining structure with the emphasized analysis of the thickness of the lining, the length of the parting, elastic modulus of the surrounding rock, constraint conditions, and cavity temperature. And then the main factors that affected lining structure temperature crack during the construction of underground engineering were summed up according to the analysis. The results indicate that the structure unit size and constraint conditions significantly affect the thermal stress of the structure. Thus, it's necessary to take appropriate temperature control measures based on the actual situation, to reduce the temperature and thermal stress and improve the anti-cracking safety for the lining structure of the underground engineering.

Keywords:underground engineering; lining concrete; temperature crack; temperature control simulation