超深圓形豎井結構混凝土溫控及養護技術研究

劉燦平

(廣東粵海珠三角供水有限公司，廣州 511458）

0 引 言

近年來，盾構隧道施工在地下空間的應用越來越多，尤其是在城市地鐵工程、水利工程、城市綜合管廊工程等方面[1-3]。因盾構隧道往往下穿重要建筑物、江河湖海及地質條件差的地層，這導致盾構線路埋深大，盾構始發時常采用超深豎井作為始發井，其平面設計在工程中通常采用圓形截面布置，對于這類超深開挖的圓形豎井,目前工程案例及其支護結構的系統性研究較少，而當豎井開挖深度很大時,支護結構分析不合理極易造成重大工程事故[4]。為了確保超深豎井的結構安全，陳文霞探究了巖土層差異、圓形豎井直徑、支護結構厚度和地下連續墻環向剛度對圓形超深支護結構的影響,初步嘗試求解了工程設計實踐中遇到的一些難題。符志遠等對豎井的結構特性進行了研究，提出地下連續墻與滿堂內襯聯合受力計算方法，且為滿足盾構機始發要求而研發了新型反力座[5-6]。吳華柒采用彈性地基梁法和增量法對工作井各施工工況進行計算并與實測值進行對比與分析,為復雜工況下越江隧道超大超深工作井結構在施工過程中的變形以及對周邊環境的影響提供工程類比和參考經驗[7]。

文章結合珠江三角洲水資源配置工程某超深圓形豎井逆作法內襯結構工程實例，對工程中出現的內襯結構內外溫差大、新澆內襯結構表面與空氣溫差大及由于豎井超深引起逆作法內襯結構分層養護難度大等技術難題進行了研究，提出了相應的解決措施，進一步推動超深圓形豎井逆作法內襯結構施工技術研究。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程是國務院部署的的172項節水供水重大水利工程之一，工程輸水線路總長113.2km，全線主要采用地下深埋盾構施工，最大限度地保護灣區生態環境，為未來發展預留寶貴地表和淺層地下空間，為此本工程盾構工作井基本為50~73m（含底板）的超深豎井[8]。其中，某圓形豎井井深為73.98m，采用順挖逆做施工工藝，標準開挖層層高4.5m。工作井外圍地連墻厚1.2m，內襯墻墻體厚度及工作井開挖內徑隨開挖深度有所變化，共分兩種情況：其中上部分（▽0.12~-16.05m)范圍內襯墻體厚度1.2m，內直徑31.1m；下部分（▽-16.05~-63.43m)范圍內襯墻體厚度1.5m，內直徑30.5m。

2 施工中出現的主要技術難題

1）豎井內襯結構尺寸大，內襯混凝土澆筑后，結構內外溫差大，存在混凝土開裂的問題。

2）隨著內襯結構往深處施作，內襯結構懸于高處，存在難以養護或養護時間不足的問題。

3 問題產生的原因及危害

1）內襯結構內外溫差大：

內襯墻厚1.2~1.5m，洞門墻位置厚2.5~3.58m，工作井底板厚3.5m，在狹小的豎井施工作業時，均可視作為大體積混凝土。結構內部水泥水化反應產生大量熱量，由于混凝土導熱系數小，熱量難于及時散發，導致內部溫度急劇升高，高達65℃，而內襯表面暴露在空氣中，散熱較快，導致結構內外溫差較大。內部溫度高，混凝土體積膨脹大，外部溫度相對偏低，其膨脹相對較小，隨著時間的推移，內部溫度緩緩降低至常溫，混凝土體積收縮。在此過程中，內襯結構受拉產生裂紋，嚴重時，甚至產生貫穿裂紋，影響結構受力并出現滲漏水現象。

2）逆作法內襯結構養護：

豎井內襯結構采用逆作法施工，隨著內襯結構往深處施作，結構高處養護將難以實施，內襯結構面難以得到充分養護，其表面溫度高，易產生龜裂，且由于結構表面水份散發快，表面混凝土失水，混凝土水化反應水量不足，導致表層局部混凝土強度不足。

4 內襯結構溫控技術措施

4.1 混凝土施工溫控措施

4.1.1 優選原材料

1）水泥采用低水化熱的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。

2）選擇優質粉煤灰，以達到合理減少混凝土單位水泥用量的目的。

3）通過對各生產廠家骨料的比選，選擇粒徑相對較大，級配最優的骨料，以達到合理減少混凝土單位水泥用量的目的。

4） 通過對各類外加劑的比選，選擇優質外加劑，以達到合理減少混凝土單位水泥用量的目的。

4.1.2 控制原材料溫度

1）水泥、粉煤灰、外加劑均設置降溫措施，水泥的入罐溫度不宜高于65℃。

2）優先采用進場時間較長的水泥和摻合料拌制混凝土，盡可能降低水泥及摻合料在生產過程中存留的余熱。

3）采用通風良好的遮陽大棚料場存放骨料，避免太陽直射。

4）夏季高溫施工階段，通過往水池投放冰塊控制拌合用水水溫，每班混凝土生產前提前測取實際水溫，通過試驗確定加冰量，確保拌合用水水溫不高于15℃。

5）對骨料灑水降溫，同時注意骨料含水率的檢測，以保證混凝土配合比的質量。

4.1.3 優化配合比

1）在滿足混凝土各項指標的前提下，采用優化配合比設計，合理減少混凝土單位水泥用量，將水泥用量控制在260~300kg/m3范圍內。

2）所配制的混凝土拌合物，到澆筑工作面的坍落度控制在160mm 以內。

3）拌和水用量不宜大于170kg/m3。

4）在滿足混凝土各項指標的前提下，采用優化配合比設計，適當提高粉煤灰摻量，但粉煤灰摻量不宜超過膠凝材料用量的30%；礦渣粉的摻量不宜超過膠凝材料用量的40%；粉煤灰和礦渣粉摻合料的總量不宜大于混凝土中膠凝材料用量的50%。

5）水膠比不宜大于0.45。

6）砂率宜為38~45%。

4.1.4 控制混凝土拌合及運輸溫度

1）混凝土出機溫度較高時，可采取加冰拌合，降低出機口溫度。

2）按要求定期對拌合站計量系統進行校驗，控制計量誤差。

3） 混凝土出廠前按要求進行出機溫度、坍落度、含氣量等指標檢測，各項指標均檢測合格后方可出廠。

4）加強施工管理，盡量減少混凝土轉運次數；縮短運輸時間，避免混凝土運輸車輛在受料斗前長時間等候。

5） 運輸車儲運罐裝混凝土前用涼水沖洗降溫，并在混凝土攪拌運輸車罐體周邊設置一層棉紗降溫，并及時澆水降溫，在罐車行走、轉動過程中，使罐體周邊濕潤。

4.1.5 控制混凝土澆筑溫度

1）進行倉面設計，混凝土整體分層澆筑，每層澆筑厚度以30~50cm 為宜。

2）混凝土澆筑時盡量避開白天高溫時段，在下午16：00 以后和早上10：00 之前進行澆筑。

3）在混凝土澆筑過程中，應至少每2~4h 測量一次混凝土出機口溫度和入倉溫度，并做好記錄，混凝土入倉溫度不得超過28℃。

4）混凝土澆筑后應及時進行保溫保濕養護，保溫保濕養護可采用覆蓋土工膜、噴霧、灑水等方式。

4.2 預埋冷卻水管降溫

4.2.1 冷卻水管

豎井內襯墻冷卻水管采用高導熱性HDPE 塑料管，規格為：內徑28mm,壁厚2mm,外徑32mm。工作井洞門墻和底板混凝土冷卻水管采用焊接鋼管，規格為：內徑28.5mm,壁厚2.6mm,外徑33.7mm。

4.2.2 冷卻水管埋設

內襯墻及部分洞門墻冷卻水管采用分層環形布置，部分洞門墻及底板冷卻水管采用蛇形布置，要求如下：

1）冷卻水管單根水管長度≤150m。

2）內襯墻每層水管環形布置、并沿內襯墻中間埋設，每層水管設進、出水口，并于主管相接。

3）每層內襯墻布置4 圈冷卻水管，冷卻水管層間間距lm,第1 層距離內襯墻頂部為0.75m,第4層距離內襯墻底部均為0.75m。

4）洞門墻冷卻水管層間間距0.75m,水管沿洞門墻中間布置，洞門以上視高度進行環形布置，洞門高度范圍內采用蛇形布置，冷卻水管距離洞門邊線lm。

5）底板冷卻水管采用蛇形布置，層間間距1m，冷卻水管層數為2 層。

6）混凝土鋼模板拼裝前，冷卻水管穿入鋼筋籠后固定于內襯墻中部，確保混凝土澆筑過程中不會出現移位的情況

4.2.3 冷卻水循環溫度控制

1）在混凝土澆筑前將冷卻水管與外部循環水管連接，同時在進水口加裝水閥控制進水流量，循環水溫過高，則需向水池加冰降溫。

2）混凝土澆筑完成12h 后，通水對混凝土內部進行降溫，模板拆除時將冷卻水管與外部循環水管斷開，該塊模板拆除完成后恢復連接，繼續通水降溫。

3）冷卻水熱交換過程應控制在150~200s，冷卻水進水流速宜為0.6~0.7m/s。

4）通過調節進水流量及水溫控制進水溫度與混凝土最高溫度之差，溫差宜為15~25℃，出水溫度與進水溫度之差宜為3~6℃(2h 測定一次)，24h水流方向調整一次。

5）混凝土澆筑前預先在冷卻水管中充滿水，使冷卻水管中的水在混凝土升溫的同時被加熱，以保證開啟冷卻水管時，其冷卻水的溫度和混凝土的溫差不會過大。

6）當混凝土最高溫度與表層溫度之差不大于15℃時可暫停水冷卻作業；當混凝土最高溫度與表層溫度之差大于25℃時，應重新啟動水冷卻系統。

7）水冷卻結束后，采用水泥漿對冷卻水管進行封堵灌漿，壓漿材料水灰比≤0.6。

8）混凝土在水冷卻過程中，混凝土表面應保持濕潤，保證混凝土表里溫差＜25℃。

9）循環水水箱水溫可采取更換循環水或加冰進行調節，水溫主要根據混凝土內部溫度進行調節。

4.2.4 結構溫度監測

1）監測點布置：

在內襯墻0℃、90℃、180℃、270℃方向的墻體中間布置4 組溫度計，測量混凝土溫度，每組設3 支溫度計，分別監測混凝土外表、內部、底部溫度。

工作井底板混凝土測溫計共設4 個斷面（0℃、90℃、180℃、270℃方向），每個斷面按半徑方向均勻布置5 個點(內側點位于井中心，外側點距離地連墻表面0.05m),每個點設3 支溫度計，分別監測底板表面點、中間點（底板中心）、內部點的溫度。

混凝土澆筑體的外表溫度，為混凝土外表以內50mm 處的溫度。混凝土澆筑體的內部溫度，為混凝土澆筑體中心溫度，測點布置在H/2處(H為板厚、或墻厚)。混凝土澆筑體底面的溫度，為混凝土澆筑體底面上50mm 處的溫度。對于預埋冷卻水管的部位，測溫點應布置在相鄰兩冷卻水管的中間位置，并在冷卻水管進出口分別布置測溫點。

2）監測頻次：

溫度測量使用電子自動類溫度計，溫度計測量誤差控制在0.5℃以內。溫度測溫頻次：混凝土澆筑后，第一至二天每2h 測量次混凝土溫度、第三至四天每4h 次，后續每天檢測1 次。

5 內襯結構養護措施

1）混凝土強度達到2.5MPa 以上，保證其表面及菱角不因拆模而損壞時，方可拆除模板。

2）延長拆模時間，拆模時混凝土齡期不少于3d，選擇在高溫時段拆模，不宜在夜間和氣溫驟降期間拆模。

3）內襯墻養護采用霧化噴淋系統，由帶霧化噴頭內徑12mm 的防爆水管及一臺100W 水泵組成。防爆水管沿內襯墻環形布置，高程比上層內襯墻距底高約10cm 處。混凝土拆模前利用模板頂部的行走平臺將防爆水管安裝到位，通過水管連接至井口，循環水管開關布置于井口位置。養護防爆水管根據噴淋范圍每層安裝一圈，噴霧養護應能保持結構表面處于濕潤狀態。

6 結 語

通過對內襯結構內部增加冷卻水循環系統及針對性養護措施將內襯結構大體積混凝土溫度控制在設計要求的范圍內，極大程度的減少了裂紋的產生，消除了因養護不到位對混凝土表觀強度的影響，達到了預期的效果。