李 萌，楊軍義，楊俊峰

(1.陜西省東莊水利樞紐工程建設有限責任公司， 陜西 禮泉 713208；2.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司， 河南 鄭州 450003)

目前水工隧洞邊頂拱襯砌施工優(yōu)先選用模板臺車，隨著國內水工隧洞的斷面尺寸、過流流量、過流流速和混凝土標號的不斷提高，施工工藝也得到了長足發(fā)展[1-2]。為了提升隧洞的施工效率，在保證結構安全性的前提下，研究分析拆模時間顯得尤為重要?！端せ炷潦┕ひ?guī)范》[3](SL 677—2014)規(guī)定，采用模板臺車進行隧洞混凝土襯砌施工，拆除模板臺車時，應符合以下要求：直立面混凝土的強度不得小于0.8 MPa；拆模時混凝土能承受自重，并且表面和棱角不被破壞。洞徑不大于10 m的隧洞頂拱強度可按照達到5.0 MPa控制；洞徑大于10 m的隧洞頂拱混凝土需達到的強度，應進行專門的論證；隧洞混凝土襯砌結構承受圍巖壓力時，應經計算和試驗確定脫膜時混凝土需要達到的強度。

目前國內高水頭、大流量、大斷面的水工隧洞越來越多，許多學者專家開展了混凝土拆模時間研究，趙路[4]結合三板溪水電站研究了拆模時間對混凝土溫度應力的影響；段斌等[5]采用英國規(guī)范對深溪溝水電站導流洞混凝土的拆模時間進行了研究；王玉孝等[6]采用結構力學方法確定了拉西瓦水電站的拆模時間；何文戰(zhàn)等[7]采用三維有限元方法研究了巴基斯坦的卡洛特水電站導流洞邊頂拱襯砌混凝土的拆模時間；相昆山等[8]研究了襯砌拆模時間為24 h、36 h對混凝土強度的影響，為優(yōu)化臺車循環(huán)時間、加快施工進度取得了良好的經濟效益。但由于每個水工隧洞襯砌受施工環(huán)境、施工工藝及混凝土材料性質等因素差異[9-11]，目前還沒有統(tǒng)一、明確的脫膜時間節(jié)點，特別是對考慮超挖因素的影響下的拆模時間還有待進一步研究，因此十分有必要對超挖的邊頂拱襯砌混凝土的拆模時間進行專門的研究。

1 工程實例概況

東莊水利樞紐工程位于黃河的二級支流涇河大峽谷出口段以上29 km，大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高230 m，水庫總庫容32.76億m3，該工程是黃河水沙調控體系中重要的水庫，是渭河流域唯一的防洪減淤控制性骨干工程。東莊水利樞紐工程初期導流采用單一隧洞導流，導流洞設計過流流量5 300 m3/s，導流標準為全年10年一遇洪水標準。

導流洞進口高程593.00 m，出口高程589.81 m，導流洞全長912.5 m，隧洞底坡3.5‰，襯砌后斷面尺寸17 m×19 m(頂拱120°)。導流洞圍巖為灰?guī)r，以Ⅱ類和Ⅲ類為主，局部存在Ⅳ類圍巖，襯砌厚度主要分為0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.5 m、2.2 m和2.5 m六種。導流洞洞身結構采用城門洞型，施工時先澆筑底板襯砌混凝土，后澆筑邊墻和頂拱；底板采用新型微砂模板，邊頂拱采用鋼模臺車澆筑。洞身襯砌混凝土軸向分縫長度12 m，底板采用C9040W6F100，邊墻和頂拱采用C30W6F100，澆筑方式采用混凝土罐車運輸，泵送入倉。本文在之前專家學者的研究基礎上，采用三維有限元方法，考慮超挖因素的影響下，研究分析東莊導流洞邊墻頂拱混凝土的拆模時間。

2 導流洞襯砌的有限元計算

通過建立不同襯砌厚度的三維有限元模型，進行有限元計算，確定出鋼模臺車拆模時，邊頂拱混凝土襯砌的位移和應力，結合材料試驗的成果，確定拆模時間。

2.1 有限元計算模型

導流洞洞身襯砌混凝土軸向分縫長度12 m，所以將一個12 m的混凝土襯砌段作為整體模型進行有限元分析，圖1、圖2為襯砌厚度為0.6 m的混凝土襯砌三維有限元模型。模型以水平面內垂直于洞軸線方向為X軸方向，以鉛直方向為Y軸，以順水流方向為Z軸方向，X軸方向以向左為正，Y軸方向以鉛直向上為正，Z軸方向以順水流方向為正。模型全部單元均采用Solid 185單元， 共剖分單元8 700個，其中底板部位3 240個單元，邊墻和頂拱部位5 460個單元。

圖1 混凝土襯砌三維有限元模型

圖2 混凝土襯砌三維有限元模型(考慮頂部超挖)

2.2 計算荷載

由于導流洞圍巖地質條件良好，根據監(jiān)測資料，混凝土襯砌澆筑時，圍巖變形早已經收斂，因此不用考慮作用在襯砌上的圍巖壓力?；炷翝仓r，從兩側邊墻向上部依次分層澆筑邊墻混凝土和頂拱混凝土，此時混凝土的自重由鋼模臺車承擔。鋼模臺車拆模后，襯砌自重由襯砌結構獨立承擔，由于頂拱混凝土澆筑最晚，所以鋼模臺車拆模時，頂拱部位的混凝土齡期也最短，其強度也最低，承載能力也最弱。綜合考慮，鋼模臺車拆模后的襯砌結構的受力狀態(tài)，考慮頂拱范圍內的超挖1 m～2 m(本次計算取2 m)，襯砌結構獨立承受自重，錨桿和頂部鋼筋的聯(lián)合作用作為安全儲備，在計算中不再考慮。

2.3 材料參數(shù)

根據《大體積混凝土溫度應力與溫度控制》[12]中推薦，混凝土的彈性模量采用公式(1)擬合：

E(τ)=E0(1-e-aτb)

(1)

式中：E0為混凝土最終的彈性模量；τ為混凝土齡期；a/b為常數(shù)。

混凝土的抗壓強度和抗拉強度采用公式(2)擬合：

Rc(τ)=Rc28[1+mln(τ/28)]

(2)

式中：Rc28為28 d齡期混凝土的抗壓強度和抗拉強度；τ為混凝土齡期；m為常數(shù)。

混凝土的施工配合比見表1。

表1 混凝土施工配合比

根據材料試驗結果，整理試驗數(shù)據之后進行參數(shù)擬合，本次有限元計算過程中襯砌混凝土的材料參數(shù)見表2。

表2 東莊導流洞邊墻和頂拱混凝土材料參數(shù)

備注：混凝度材料參數(shù)是由實驗室標準養(yǎng)護條件下獲得，即溫度20℃±2℃，相對濕度95%，表中部分參數(shù)由試驗參數(shù)擬合后推導而來。

2.4 計算結果

在導流洞邊頂拱襯砌混凝土澆筑48 h的情況下，邊墻和頂拱部位的鉛直方向的位移UY，第一主應力S1和第三主應力S3的位移云圖見圖3—圖5。不同拆模齡期下，應力和位移的計算結果見表3，從計算結果可知：

(1) 在襯砌結構的自重作用下，整體呈現(xiàn)出鉛直向下的變形，頂拱部位變形最大，鉛直位移達2.14 mm,從拱頂?shù)竭厜Φ撞裤U直位移逐漸減小。

圖3 鉛直方向位移UY(單位：m)

圖4 第一主應力S1(單位：Pa)

圖5 第三主應力S3(單位：Pa)

(2) 第一主應力以壓應力為主，有些部位第一主應力為拉應力，最大拉應力的位置發(fā)生在頂拱超挖范圍的垂直正下方的襯砌外側，最大拉應力為0.39 MPa，在邊墻和頂拱交接的部位拉應力也相對較大。

(3) 第三主應力全部為壓應力，壓應力最大位置發(fā)生在頂拱超挖部分與頂拱交接部位的內側，最大壓應力值為1.99 MPa。

(4) 隨著拆模齡期的增加，襯砌混凝土的彈性模型的增長，襯砌的位移會隨之減小，但是應力的變化不大。

表3 不同齡期拆模頂拱襯砌結構的位移和應力

3 邊頂拱拆模時間的分析

根據計算結果可知齡期24 h～72 h混凝土拆模的位移變化都很小，能滿足安全性要求，因而下面只討論應力的計算結果。參照英國的規(guī)定[5],當混凝土強度達到足以抵抗結構拆模時的應力的兩倍以上時，模板可以拆除，本次計算安全系數(shù)K=2.0。根據有限元計算結果可知，模板拆除時，在頂拱部位產生的最大拉應力為0.39 MPa,按照兩倍的安全系數(shù)計算，頂拱襯砌混凝土的抗拉強度應該大于0.78 MPa；模板拆除時，頂拱部位最大壓應力1.99 MPa，按照兩倍的安全系數(shù)計算，頂拱襯砌混凝土的抗壓強度應該大于3.98 MPa。對比表2中導流洞邊墻和頂拱混凝土24 h～72 h的材料參數(shù)可知，混凝土的抗壓強度都能滿足要求，混凝土的抗拉強度控制拆模時間，60 h～72 h齡期的混凝土的抗拉強度和抗壓強度都能滿足要求。

在計算過程中，沒有考慮混凝土的溫度應力、干縮變形、自身體積變形和頂部錨桿對襯砌的錨拉作用，因而在上述有限元計算結果的基礎上，還應該預留一定的安全裕度[13-14]。對比國內類似工程(見表4)，烏東德水電站導流洞頂拱拆模時間最長達3 d，小灣水電站導流洞頂拱拆模時間最短僅1 d。但由于這些工程的混凝土材料性質、施工環(huán)境、施工工藝、襯砌厚度[15-16]等一系列因素都與東莊水利樞紐導流洞存在差異，雖然對該導流洞頂拱拆模時間具有參照意義，但不能直接借鑒，因此推薦該導流洞邊頂拱混凝土的拆模時間取為60 h～72 h。

表4 國內類似工程的隧洞邊墻和頂拱拆模時間

4 結 語

東莊水利樞紐工程邊頂拱混凝土澆筑在現(xiàn)已施工完成40%，混凝土襯砌拆模時間按照60 h～72 h控制，模板拆除后對襯砌結構的變形情況進行監(jiān)測，結果表明：考慮超挖影響的混凝土襯砌齡期為60 h～72 h時拆模，襯砌混凝土變形和應力變化范圍很小，拆模時間是合理可行的，施工進度高效可控。該研究對工程施工拆模時間控制具有指導意義。