港珠澳大橋東人工島敞開段隧道側墻大體積混凝土溫度控制

趙 輝，谷坤鵬，陳克偉

港珠澳大橋東人工島敞開段隧道側墻大體積混凝土溫度控制

趙 輝1，谷坤鵬2，陳克偉2

（1.中交三航局第二工程有限公司，上海200122；2.中交上海三航科學研究院有限公司，上海200032）

港珠澳大橋東人工島敞開段隧道側墻屬于超高長墻式大體積混凝土結構，且與底板分步澆筑，溫度控制和裂縫控制技術難度較高。采用有限元對混凝土溫度場進行了模擬計算分析，并根據墻體的結構特點，提出了采用冷水機降低混凝土拌制用水溫度，采用循環冷卻水控制墻體混凝土的溫升，冷卻水管間距從80 cm加密至30 cm等成套溫控技術措施。結果表明，成套技術措施有效控制了敞開段隧道側墻大體積混凝土的溫度，大幅度降低了墻體應力集中區的開裂風險。

港珠澳大橋；敞開段隧道；大體積混凝土；冷卻水管；溫度控制；裂縫控制

1 概述

港珠澳大橋東人工島敞開段隧道東側與橋梁銜接，西側與暗埋段隧道相接，敞開段隧道為鋼筋混凝土結構，全長288.781 m，縱向有2.98%坡度，共分為10段（OE1—OE10），每段之間設置1道變形縫。

敞開段隧道由底板、側墻和中墻3部分組成，主要結構斷面形式為“山”字形，見圖1。敞開段整體采用先澆筑底板，后澆筑側墻和中墻的分步澆筑方式進行混凝土澆筑施工。

敞開段隧道側墻高度最大超過11m，厚度最大約2.5 m，分段長度約15 m，屬于長墻式大體積混凝土結構，而設計要求為清水混凝土，混凝土強度等級為C45，設計使用壽命為120 a，對裂縫控制要求較高。

圖1 敞開段隧道典型斷面圖（單位:cm）Fig.1 Typical cross-section of open tunnel（cm）

根據長墻收縮應力計算理論[1]及底板上長墻溫度及應力相關研究[2-4]，后澆筑墻體除受底板不同步澆筑約束應力影響外，大體積混凝土溫度應力也是影響墻體裂縫開展的主要因素之一，特別是側墻下部至與底板結合部位為應力集中區，約束應力較大，需進一步降低大體積混凝土的溫度，進而降低開裂風險。

另外港珠澳大橋所處環境為常年高溫多雨，且受外海孤島作業條件限制，大體積混凝土溫度控制難度較大。

為控制敞開段隧道側墻大體積混凝土的溫度，本文以OE1-1北側墻為例，通過有限元溫度場仿真計算分析，并從混凝土配合比設計、原材料降溫和冷卻水管降溫等方面，闡述了港珠澳大橋東人工島敞開段隧道側墻大體積混凝土溫度控制施工技術措施，并給出了溫度監測結果。

2 混凝土原材料優選及配合比優化設計

敞開段混凝土配合比設計需同時考慮清水混凝土外觀質量、大體積混凝土溫度控制和低收縮3個方面，因此如何在保證混凝土外觀質量滿足清水混凝土要求的同時，降低混凝土的水化熱和收縮是一個技術難題。

針對設計要求，進行了大量的配合比試驗研究，采用了低水化熱硅酸鹽水泥，大摻量復摻礦粉和粉煤灰，同時采用具有緩凝組分的高效減水劑的方式進行混凝土配合比優化設計，以期配制具有低水化熱、凝結時間相對較長且不影響外觀質量的混凝土。

2.1 混凝土原材料

1）水泥:采用華潤水泥（平南）有限公司的P.II 42.5低水化熱硅酸鹽水泥。

2）粉煤灰:采用鎮江華源集團新型建材分公司的Ⅰ級粉煤灰。

3）礦渣粉:采用唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司的S95礦渣粉。

4）粗骨料:采用新會白水帶石場的5~10 mm、10~20mm兩級配碎石。

5）細骨料:采用西江河砂，其細度模數為2.7~2.9。

6）減水劑:采用江蘇特密斯外加劑有限公司生產的TMS-YJ-1型聚羧酸高效減水劑。

2.2 混凝土配合比

混凝土單方膠凝材料用量為420 kg/m3，粉煤灰摻量為25%，礦粉摻量為30%，水膠比為0.34，具體配合比及參數見表1，混凝土初凝時間為9 h 45min，終凝時間為12 h 55 min。

表1 混凝土配合比及配合比參數Table1 Mix ratio of concrete and parameters forMix ratio

3 側墻混凝土溫度場有限元計算及冷卻水管布設方案

3.1 未布設冷卻水管混凝土溫度場有限元計算

采用MADAS進行側墻混凝土溫度場有限元計算分析。計算時，大氣溫度取35℃，不考慮氣溫隨時間變化，墻身混凝土澆筑溫度取31℃，混凝土升溫函數取指數式，絕熱溫升取55℃。混凝土采用德國PERI公司的木模板，雙層面板側對流系數取16.744 kJ/（m2·h·℃），單層面板側對流系數取33.488 kJ/（m2·h·℃），表2為混凝土熱物理參數取值。

表2 混凝土熱物理參數取值Table2 Thermophysicalparametersof concrete

未布設冷卻水管的側墻混凝土溫度場分布見圖2。

圖2 未布設冷卻水管混凝土溫度場Fig.2 Temperature field of concretewithoutcooling water pipes

由計算結果可知，不采取冷卻水管降溫措施情況下，混凝土芯部最高溫度約為72℃，溫升較大，產生溫度裂縫的風險較大，因此，需采取冷卻循環水的方式以降低混凝土溫度，特別為進一步降低側墻下部應力集中區混凝土的溫度應力，需對下部混凝土進一步加密冷卻水管。

3.2 冷卻水管布設方案

針對敞開段隧道側墻的結構特點及溫度和裂縫控制要求，并經過多次溫度場的有限元分析計算，采用變間距的方式進行冷卻水管布設，即從墻體上部至下部依次加密冷卻水管，共分3層分別布設，第1層為2 m以下區域至墻體底部，冷卻水管水平和豎直方向間距均為30 cm；第2層為高度約2~3.5 m區域，水平和豎直方向間距增加至50 cm；第3層為3.5m以上區域，繼續將豎直方向間距增加至80 cm。另外，為方便混凝土澆筑振搗施工，其中第2層和第3層中間兩列水管水平間距加寬為80 cm。冷卻水管布設方案如圖3所示。

圖3 冷卻水管布設方案Fig.3 Plan for laying of coolingwater pipes

3.3 布設冷卻水管混凝土溫度場有限元計算

有限元計算時冷卻水管直徑取50 mm，水溫取30℃，流速取4 m3/h，自澆筑混凝土覆蓋冷卻水管時開始通水，通水周期按照72 h考慮。冷卻水對流系數取740 kJ/（m2·h·℃）。

布設冷卻水管的混凝土有限元溫度場分布見圖4，代表性的冷卻水管30 cm間距區域中心最高溫度歷時曲線見圖5，由有限元溫度場計算結果可知，布設冷卻水管后冷卻水管間距30 cm、50 cm和80 cm的3個區域中心點的芯部最高溫度分別由70℃、72℃和72℃下降為53℃、58℃和64℃。因此，按此冷卻水管布設方案可有效降低墻體混凝土的芯部溫度，特別可大幅度降低底部應力集中區的混凝土溫度，進而大幅度降低側墻開裂風險。

圖4 布設冷卻水管側墻縱斷面混凝土溫度場Fig.4 TeMperature field of concrete in its longitudinal crosssectionw ith coolingwater pipe

圖5 冷卻水管30 cm間距區域中心最高溫度曲線Fig.5 Cu rves of highest teMperature at area center ofcoolingwater pipeswith a spaceof30 cm

4 施工溫度控制技術措施

4.1 混凝土澆筑溫度控制

1）混凝土原材料降溫:采用2臺冷水機（分別為10m3/h、15 m3/h）對攪拌用水進行降溫，澆筑混凝土前4 h打開冷水機，確保水溫<5℃；對于粗骨料和細骨料采用搭設遮陽棚進行遮陽降溫；對于粉料，新進場的水泥需放置一段時間充分降溫后方能使用，并在筒倉側面覆蓋帆布進行遮陽降溫。

2）運輸澆筑過程的降溫:混凝土罐車、泵管包覆隔熱材料，并定時灑水降溫；現場與攪拌站緊密聯系，減少混凝土的運輸等待時間，降低運輸等待過程中混凝土溫升。

3）其他措施:綜合考慮晝夜溫度變化，充分利用夜間溫度降低的時段，選擇合適的澆筑時間，以降低模板溫度、混凝土原材料溫度和環境溫度。混凝土澆筑前對模板鋼筋噴霧降溫。

4.2 冷卻循環水降溫控制

考慮工程實際情況，采用直徑為40 mm的冷卻水管，單根冷卻水管長度不超過200 m，冷卻水管按設計計算分別間隔30 cm、50 cm和80 cm進行布設，每根冷卻水管的流量可調范圍為0～10 m3/h，采用暗埋段消防水池作為冷卻水的蓄水池，儲水量大約為500 m3。施工過程中進行溫度測試，并根據測試結果進行冷卻水流量大小調節和開關操作。

4.3 混凝土澆筑、拆模和養護

澆筑選擇傍晚18:00開始，理論混凝土方量295 m3，澆筑時間約18 h。混凝土澆筑完畢后頂部搭設防水雨棚進行遮陽防雨，頂面抹面完成后覆蓋薄膜和棉被進行保溫保濕養護，7 d后拆模，拆模后迅速以帶膜土工布覆蓋包裹進行保溫保濕養護。

5 溫度測試結果及分析

5.1 原材料溫度和混凝土澆筑溫度

混凝土原材料溫度見表3，使用冷水機大幅度降低了攪拌用水的溫度，水溫測試結果為3~5℃，相應的降溫措施也較好地降低了水泥和礦粉等粉體材料的溫度，水泥溫度降低至40℃以下，同時也較好地控制了骨料的溫度。在此基礎上，混凝土出機溫度測試結果為26.7~28.4℃，澆筑溫度為27.8~30.3℃，均得到了較好的控制。

表3 混凝土原材料溫度Table3 TeMperatu re of constituentmaterials for concrete℃

5.2 墻體混凝土溫度

混凝土通水降溫過程中，消防水池內水的溫度為30~36℃，對不同冷卻水管布設層中心溫度和表層溫度進行測試，表4為測試結果。根據混凝土澆筑和溫度測試結果，從下至上先后依次開啟和關閉冷卻水管，并進行冷卻水流量調節。由測試結果可知，冷卻水管間距30 cm、50 cm和80 cm的混凝土芯部最高溫度分別為49.6℃、60.4℃和67.8℃，溫峰出現時間分別在23 h、38 h和40 h，內表最大溫差分別為7.8℃、11.2℃和12.4℃，溫峰出現后3 d，平均降溫速率分別為3.1℃、3.6℃和5.4℃。圖6為代表性的溫度測試曲線圖（第1層），從圖中可以看出，冷卻水管間距30 cm的最下層由于溫度較低，受上部較高溫度和停止通水時間晚的影響，降溫速率較小，且在65 h后溫度有一定的回升。因此，冷卻水管的布設方案較好地控制了側墻的溫度，特別是大幅度降低了墻體下部應力集中區混凝土的芯部最高溫度、內表溫差和降溫速率，進一步降低了此部位的溫度應力和開裂風險。

表4 混凝土溫度測試結果Table4 Measured resultsof concrete teMperature

圖6 第1層溫度測試曲線圖Fig.6 CurvesofMeasured teMperature of first layer

6 結語

1）根據敞開段隧道側墻大體積混凝土的結構特點，通過有限元對溫度場進行計算分析，提出了從上至下依次加密冷卻水管的布設方案，上部冷卻水管間距80 cm，中部間距50 cm，特別是下部受底板不同步約束導致應力集中區域冷卻水管加密至間距30 cm。

2）提出了使用冷水機生產拌制混凝土用水的技術措施，控制水溫范圍3~5℃，并通過其他原材料和運輸過程中的降溫技術措施，有效降低了混凝土出機溫度和澆筑溫度。

3）對敞開段隧道側墻進行了溫度監測，冷卻水管間距為30 cm、50 cm和80 cm的混凝土芯部最高溫度分別為49.6℃、60.4℃和67.8℃，加密冷卻水管及其他相應的降溫技術措施有效地控制了側墻的溫度，特別是大幅度降低了墻體下部應力集中區混凝土的芯部最高溫度、內表溫差和降溫速率，因此進一步降低了此部位的溫度應力和開裂風險。

[1]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業出版社，2000.

WANG Tie-meng.Control of cracking of Engineering structures [M].Beijing:China Building Industry Press,2000.

[2]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京:中國水利水電出版社，2012.

ZHU Bo-fang.Temperature stress and temperature control ofmassive concrete[M].Beijing:ChinaWater&Power Press,2012.

[3]徐麗.混凝土底板上長墻的溫度應力計算[J].工程質量，2009，27（3）:60-63.

XU Li.Temperature stress calculation of long-wallon concrete bottoMslab[J].Quality of Civil Engineering and Construction,2009, 27(3):60-63.

[4]谷坤鵬，于銅，陳克偉，等.大尺度現澆暗埋段隧道裂縫控制關鍵技術[J].中國港灣建設，2015，35（11）:4-7.

GU Kun-peng,YU Tong,CHEN Ke-wei,et al.Key technology of crack control for large-scale cast-in-situ buried tunnel[J].China Harbour Engineering,2015,35(11):4-7.

TeMperature control for massive concrete for side walls of open tunnel in east artificial island of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

ZHAOHui1，GUKun-peng2，CHENKe-wei2
（1.No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCCThird Harbor EngineeringCo.,Ltd,Shanghai200122,China；2.CCCCShanghaiThird HarbourEngineeringAcademy ofScience Co.,Ltd,Shanghai200032,China）

Side walls of the open tunnel in the east artificial island of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge is a very high and long-wall typemass concrete structure and the concrete is placed separately froMthe floor slabs,as a result,it is technically difficult for temperatureand crack controlling.Concrete temperature fieldwasanalyzed by finite elementmethod and,according to the structural features of the walls,a series of technicalmeasures for temperature control were used including lowering the temperature of concretemixing water with water-cooling-machines,controlling the temperatures rise in concrete walls by circulating cooling water,and changing the space between cooling water pipes froM80 cMto 30 cm.The results show that the mass concrete temperaturesof the sidewallswere controlled effectively by the technicalmeasures and the cracking risks in the stress concentration areas are reduced significantly.

Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge；open tunnel；mass concrete；cooling water pipe；temperature control；crack control

U654；TV431

A

2095-7874（2016）07-0021-05

10.7640/zggw js201607007

2016-05-23

2016-06-01

趙輝（1974—），男，上海市人，高級工程師，港航專業。E-mail:510980069@qq.com