盾構(gòu)井內(nèi)襯墻薄壁混凝土施工仿真和溫控防裂研究

程 嚴(yán)，王振紅，汪 娟，辛建達(dá)

(1.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635；2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038)

0 引 言

隨著我國(guó)水資源配置工程建設(shè)的開展，需要進(jìn)行大量的開挖工作，為了提供盾構(gòu)機(jī)的工作條件，就要修建盾構(gòu)工作井，盾構(gòu)工作井平面尺寸大且結(jié)構(gòu)相對(duì)單薄，屬于混凝土薄壁結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式與地基約束較強(qiáng)，且多采用高標(biāo)號(hào)抗沖耐磨混凝土[1-4]，其水泥用量多，絕熱溫升高，早期溫升快，彈性模量大。盾構(gòu)井是水資源配置工程施工中常見的混凝土建筑物，對(duì)盾構(gòu)井內(nèi)襯墻進(jìn)行溫度控制是防止裂縫產(chǎn)生的必要措施，進(jìn)而確保供水安全。

在現(xiàn)有溫控措施條件下，水工薄壁混凝土結(jié)構(gòu)中裂縫的出現(xiàn)較難避免，并且影響因素眾多，裂縫形成機(jī)理復(fù)雜[5-8]。段亞輝等[9]對(duì)典型門洞形斷面襯砌混凝土溫度和溫度應(yīng)力的變化發(fā)展規(guī)律、溫度裂縫的機(jī)理和發(fā)生發(fā)展過程進(jìn)行了深入研究，得出在早期7～30 d和冬季2個(gè)溫降階段極易產(chǎn)生溫度裂縫，施工期溫度裂縫控制設(shè)計(jì)應(yīng)該以這2個(gè)階段溫差控制為重點(diǎn)。關(guān)莉莉等[10]綜合考慮分縫長(zhǎng)度、澆筑溫度、通水水溫、是否保溫4個(gè)方面對(duì)導(dǎo)流洞襯砌混凝土進(jìn)行低溫季節(jié)澆筑溫控方案優(yōu)選。

但是，上述研究在進(jìn)行有限元仿真計(jì)算時(shí)，多基于順作法進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)于需要逆作法施工的盾構(gòu)機(jī)工作井的參考具有一定的局限性。針對(duì)這一問題，本文選取珠江三角洲水資源配置工程中B4標(biāo)GS10號(hào)典型盾構(gòu)井內(nèi)襯墻結(jié)構(gòu)，運(yùn)用三維有限元仿真分析方法SAPTIS[11]，采用逆作法施工順序，考慮內(nèi)襯墻和連續(xù)墻之間3種不同的連接方式(完全粘接、無粘接和弱粘接)下、研究無溫控措施、不同澆筑溫度及不同通水冷卻措施(水管間距、通水時(shí)長(zhǎng)和通水水溫)下的內(nèi)襯墻混凝土結(jié)構(gòu)溫度、應(yīng)力發(fā)展變化規(guī)律和開裂風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)選出合理有效的溫控防裂方案，指導(dǎo)工程現(xiàn)場(chǎng)施工。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《珠江流域綜合規(guī)劃(2012—2030年)》提出的重要水資源配置工程，也是國(guó)務(wù)院要求加快建設(shè)的全國(guó)172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一。珠江三角洲水資源配置工程由1條輸水主干線、2條分干線、1條支線、3座泵站、4座水庫(kù)組成，從西江水系向珠江三角洲東部地區(qū)引水，解決城市生活生產(chǎn)缺水問題，提高供水保證程度。主干線鯉魚洲泵站～高新沙水庫(kù)段為雙線Ф6000 mm盾構(gòu)隧洞，施工期共計(jì)17個(gè)盾構(gòu)工作井，工作井基本為直徑35.9 m的圓形井、井深約43～67 m，工作井由外圈地下連續(xù)墻和內(nèi)襯墻、底板組成，均為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻厚1～1.2 m，內(nèi)襯墻厚1.2～1.5 m，工作井底板厚度約3.5～6 m。盾構(gòu)工作井工程現(xiàn)場(chǎng)施工情況見圖1。

圖1 盾構(gòu)工作井工程現(xiàn)場(chǎng)施工情景

2 基本理論

2.1 溫度場(chǎng)基本理論

考慮均勻的、各向同性的固體、溫度場(chǎng)滿足熱傳導(dǎo)方程[12]，即

(1)

式中，T為溫度，℃；a為導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h；θ為混凝土絕熱溫升，℃；t為時(shí)間，d；τ為齡期，d。

根據(jù)變分原理和有限元離散，溫度場(chǎng)有限元計(jì)算的遞推方程見式(2)，可根據(jù)上一時(shí)刻的溫度場(chǎng)Tn求解下一時(shí)刻的溫度場(chǎng)Tn+1。

(2)

式中，H為傳導(dǎo)矩陣；R為計(jì)算域；Tn和Tn+1為結(jié)點(diǎn)溫度列陣；Fn+1為計(jì)算荷載列陣。

2.2 應(yīng)力場(chǎng)基本理論

混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變?cè)隽堪◤椥詰?yīng)變?cè)隽俊⑿熳儜?yīng)變?cè)隽俊囟葢?yīng)變?cè)隽俊⒏煽s應(yīng)變?cè)隽亢妥陨w積應(yīng)變?cè)隽浚?/p>

(3)

由物理方程、幾何方程和平衡方程可得任一時(shí)段Δti在區(qū)域Ri上的有限元支配方程，即

(4)

3 有限元模型和參數(shù)

3.1 有限元模型

B4標(biāo)GS10號(hào)盾構(gòu)井有限元計(jì)算模型與網(wǎng)格如圖2所示。模型包括連續(xù)墻、內(nèi)襯墻、壓頂梁、洞門墻和底板。盾構(gòu)井外徑31.8 m，壓頂梁高程0.82～2.32 m；連續(xù)墻高程-56.20～0.82 m，厚1.0 m；內(nèi)襯墻高程-35.30～0.82 m，厚1.2～1.5 m；洞門墻高程-49.10～-35.30 m，厚1.15 m；底板高程-52.10～-49.10 m，厚3.0 m。共剖分單元162 504，結(jié)點(diǎn)總數(shù)176 219個(gè)。溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，地基四周為絕熱邊界，工作井內(nèi)為散熱邊界，通水冷卻時(shí)，按等效算法計(jì)算；應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算時(shí)，地基四周為三向約束。

圖2 盾構(gòu)井有限元計(jì)算模型和網(wǎng)格剖分

3.2 逆作法施工順序

B4標(biāo)GS10號(hào)工作井為外徑31.8 m的圓形豎井，地面平整高程3.0 m，基坑底高程-52.20 m，開挖深度55.20 m。采用地下連續(xù)墻+混凝土內(nèi)襯墻支護(hù)方案。

基坑開挖采用地下連續(xù)墻垂直支護(hù)，盾構(gòu)井內(nèi)襯墻采用逆作法施工，洞門墻以下結(jié)構(gòu)采用順作法施工。其具體的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：地下連續(xù)墻厚1.0 m，嵌入井底，逆作法內(nèi)襯墻厚1.2～1.5 m，襯砌后內(nèi)直徑分別為27.4 m和26.8 m。洞門墻厚1.15 m，底板厚3.0 m。盾構(gòu)井澆筑分層和施工順序見圖3。

圖3 盾構(gòu)井澆筑分層和施工順序

3.3 混凝土熱、力學(xué)參數(shù)

B4標(biāo)GS10號(hào)盾構(gòu)井內(nèi)襯墻為C30混凝土，配合比參數(shù)見表1，混凝土熱力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 工作井內(nèi)襯墻混凝土配合比參數(shù)

表2 工作井內(nèi)襯墻熱力學(xué)參數(shù)

4 施工仿真和溫控防裂研究

4.1 有無溫控措施研究

B4標(biāo)GS10號(hào)盾構(gòu)井內(nèi)襯墻混凝土于高溫季節(jié)(7月份)澆筑，澆筑層厚4.5～6.0 m，層間歇期15 d，澆筑溫度27 ℃。本文研究有無溫控措施2種方案下的混凝土開裂情況。方案1無溫控措施。方案2有基本溫控措施，澆筑結(jié)束后立即通水冷卻，水管間距為1.0 m×1.0 m，通水時(shí)間為5 d，通水水溫20 ℃，通水流量2.1～2.4 m3/h，水流方向每24 h變換一次；保溫系數(shù)β=5 kJ/(m·h·℃)，保溫時(shí)間是4 d齡期后，保溫時(shí)間不少于28 d。內(nèi)襯墻和連續(xù)墻之間完全粘結(jié)。

表3為有無溫控措施對(duì)內(nèi)襯墻混凝土溫度應(yīng)力的影響，圖4為2種方案下內(nèi)襯墻內(nèi)部點(diǎn)溫度和應(yīng)力過程線比較，圖5為2種方案下盾構(gòu)井典型剖面最高溫度包絡(luò)圖對(duì)比。

表3 有無溫控措施對(duì)內(nèi)襯墻混凝土溫度應(yīng)力的影響

圖4 有無溫控措施內(nèi)襯墻內(nèi)部點(diǎn)溫度和應(yīng)力過程線比較

圖5 有無溫控措施下盾構(gòu)井典型剖面最高溫度包絡(luò)圖對(duì)比(單位：℃)

由表3、4和圖5可知，當(dāng)內(nèi)襯墻厚度為1.5 m時(shí)，在方案1(無溫控措施)條件下，其最高溫度和最大應(yīng)力均出現(xiàn)在內(nèi)襯墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部。內(nèi)襯墻澆筑3 d齡期后內(nèi)部溫度達(dá)到最高值，為52.22 ℃；60 d齡期拉應(yīng)力為5.15 MPa，高于對(duì)應(yīng)齡期混凝土的抗拉強(qiáng)度4.97 MPa，安全系數(shù)為0.97，存在較大開裂風(fēng)險(xiǎn)。在方案2(通水冷卻+表面保溫)條件下，內(nèi)襯墻混凝土內(nèi)部最高溫度明顯降低，最高溫度由不通水的52.22 ℃降低為47.30 ℃，溫度降幅10.34%；60 d齡期拉應(yīng)力由不通水的5.15 MPa降低為4.28 MPa，應(yīng)力降幅9.90%；安全系數(shù)由0.97增加到1.16。通過對(duì)比可以看出，采取通水冷卻及表面保溫措施可以有效的降低內(nèi)襯墻最高溫度，減小基礎(chǔ)溫差，降低拉應(yīng)力，增加結(jié)構(gòu)安全裕度。

4.2 降低澆筑溫度研究

改變內(nèi)襯墻澆筑溫度，其他條件不變，進(jìn)行混凝土澆筑溫度分別為23 ℃(方案3)、25 ℃(方案4)、27 ℃(方案2)和29 ℃(方案5)共4個(gè)方案的仿真計(jì)算。內(nèi)襯墻溫度應(yīng)力與澆筑溫度關(guān)系曲線如圖6所示，內(nèi)襯墻內(nèi)部應(yīng)力過程線如圖7所示。由圖6和圖7可知，對(duì)于1.5 m厚內(nèi)襯墻，隨著澆筑溫度的升高，內(nèi)襯墻混凝土內(nèi)部最高溫度和應(yīng)力線性遞增。澆筑溫度從23 ℃升高到29 ℃時(shí)，最高溫度從44.54 ℃增高到48.68 ℃，60 d齡期拉應(yīng)力從3.95 MPa增大到4.44 MPa。仿真結(jié)果表明，澆筑溫度每提高1 ℃，內(nèi)襯墻混凝土最高溫度升高0.69 ℃，應(yīng)力增大0.12 MPa，降低澆筑溫度是內(nèi)襯墻混凝土溫控防裂的有效措施。

圖6 內(nèi)襯墻溫度應(yīng)力與澆筑溫度關(guān)系曲線

圖7 不同澆筑溫度內(nèi)襯墻內(nèi)部應(yīng)力過程線對(duì)比

4.3 通水冷卻參數(shù)優(yōu)化研究

4.3.1 水管間距

改變通水冷卻水管間距，其他條件不變，進(jìn)行水管間距1.0 m×0.75 m(方案6)、1.0 m×1.0 m(方案2)和1.0 m×1.5 m(方案7)共3個(gè)方案的仿真計(jì)算。不同水管間距內(nèi)襯墻內(nèi)部點(diǎn)溫度和應(yīng)力過程線如圖8所示。由圖8可知，水管間距分別為1.0 m×0.75 m、1.0 m×1.0 m和1.0 m×1.5 m時(shí)，內(nèi)襯墻混凝土內(nèi)部最高溫度分別為45.94、47.30、48.75 ℃，增幅分別為2.96%和6.12%；60 d齡期拉應(yīng)力分別為4.00、4.28、4.59 MPa，增幅分別為7.00%和14.75%。仿真結(jié)果表明，水管間距加密后，有利于控制最高溫度，降低溫度應(yīng)力。

圖8 不同水管間距內(nèi)襯墻內(nèi)部點(diǎn)溫度和應(yīng)力過程線比較

4.3.2 通水時(shí)長(zhǎng)

改變通水時(shí)長(zhǎng)，其他條件不變，進(jìn)行通水2 d(方案8)、5 d(方案2)、10d(方案9)、15 d(方案10)和20 d(方案11)共5個(gè)方案的仿真計(jì)算。內(nèi)襯墻溫度應(yīng)力與通水時(shí)長(zhǎng)關(guān)系曲線如圖9 所示，不同通水時(shí)長(zhǎng)內(nèi)襯墻內(nèi)部溫度過程線如圖10所示。由圖9和圖10可知，通水2 d時(shí)，冷卻結(jié)束后混凝土?xí)霈F(xiàn)較大的溫度反彈，出現(xiàn)第2個(gè)峰值，超過第1個(gè)溫度峰值，最高溫度為48.02 ℃；內(nèi)襯墻混凝土在齡期3 d時(shí)達(dá)到最高溫度，通水冷卻時(shí)間5～20 d不影響其最高溫度，均為47.30 ℃。計(jì)算結(jié)果表明，通水時(shí)長(zhǎng)越短，混凝土內(nèi)部早期拉應(yīng)力越小，但后期拉應(yīng)力會(huì)較大，如通水時(shí)長(zhǎng)為2 d時(shí)，14、28、60 d齡期拉應(yīng)力分別為1.18、3.01、4.84 MPa；通水時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，早期溫降幅度較大，應(yīng)力較大，增大早期開裂風(fēng)險(xiǎn)，但后期拉應(yīng)力較小，如通水時(shí)長(zhǎng)為15 d時(shí)，14、28、60 d齡期拉應(yīng)力分別為2.91、2.84、3.77 MPa。

圖9 內(nèi)襯墻溫度應(yīng)力與通水時(shí)長(zhǎng)關(guān)系曲線

圖10 不同通水時(shí)長(zhǎng)內(nèi)襯墻內(nèi)部溫度過程線對(duì)比

4.3.3 通水水溫

改變通水水溫，其他條件不變，進(jìn)行通水水溫16 ℃(方案12)、20 ℃(方案2)和24 ℃(方案13)共3個(gè)方案的仿真計(jì)算。內(nèi)襯墻溫度應(yīng)力與通水水溫關(guān)系曲線如圖11所示，不同通水水溫內(nèi)襯墻內(nèi)部應(yīng)力過程線如圖12所示。由圖11和圖12可知，當(dāng)通水水溫分別為16、20、24 ℃時(shí)，內(nèi)襯墻內(nèi)部最高溫度分別為46.38、47.30、49.28 ℃，增幅為1.98%和6.25%；60 d齡期拉應(yīng)力分別為4.08、4.28、4.71 MPa，增幅為4.90%和15.44%。計(jì)算結(jié)果表明，通水水溫降低，一方面可以增強(qiáng)削峰效果，致使最高溫度降低，溫降幅度減小，應(yīng)力略有減小；但要防止早期水溫過低而在管壁周圍產(chǎn)生過大的溫度梯度，容易產(chǎn)生微裂紋，對(duì)混凝土防裂不利。通水水溫過高，溫控效果差，對(duì)溫控防裂不利。

圖12 不同通水水溫內(nèi)襯墻內(nèi)部應(yīng)力過程線對(duì)比

4.4 內(nèi)襯墻和連續(xù)墻粘接強(qiáng)度研究

當(dāng)連續(xù)墻和內(nèi)襯墻之間無粘接時(shí)，內(nèi)襯墻混凝土不受連續(xù)墻約束作用，應(yīng)力相對(duì)較小，28 d齡期拉應(yīng)力僅為0.49 MPa；當(dāng)連續(xù)墻和內(nèi)襯墻之間弱粘接時(shí)，內(nèi)襯墻混凝土受連續(xù)墻一定約束作用，當(dāng)內(nèi)襯墻混凝土內(nèi)部應(yīng)力超過粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，粘接消失，內(nèi)襯墻脫開連續(xù)墻，不再受連續(xù)墻約束作用，此時(shí)內(nèi)襯墻混凝土應(yīng)力急劇下降(圖13)，之后，應(yīng)力發(fā)展過程同無粘結(jié)時(shí)相同；當(dāng)連續(xù)墻和內(nèi)襯墻之間完全粘接時(shí)，內(nèi)襯墻混凝土受連續(xù)墻完全約束作用，應(yīng)力較大。結(jié)果表明，連續(xù)墻和內(nèi)襯墻之間不同的連接方式對(duì)內(nèi)襯墻混凝土應(yīng)力作用明顯，可以通過減弱粘結(jié)強(qiáng)度來降低內(nèi)襯墻拉應(yīng)力。

圖13 不同內(nèi)襯墻和連接墻連接方式內(nèi)襯墻內(nèi)部點(diǎn)應(yīng)力過程線比較

5 結(jié) 論

本文對(duì)珠江三角洲水資源配置工程中盾構(gòu)井內(nèi)襯墻薄壁混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維有限元仿真分析，研究了有無溫控措施、澆筑溫度、通水冷卻溫度對(duì)內(nèi)襯墻混凝土溫度、應(yīng)力的影響，同時(shí)，研究了考慮內(nèi)襯墻和連續(xù)墻之間3種不同的連接方式(完全粘接、無粘接和弱粘接)下的內(nèi)襯墻混凝土內(nèi)部應(yīng)力強(qiáng)度，具體如下：

(1)無溫控措施時(shí)，內(nèi)襯墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度較高，拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度，存在較大開裂風(fēng)險(xiǎn)。可以通過合適的通水冷卻方式(通水時(shí)間5～7 d，水管間距1.0 m×1.0 m，水溫20 ℃，流量2.1～2.4 m3/h)以及保溫措施(不影響最高溫度的情況下)來降低混凝土的基礎(chǔ)溫差、降低結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力，以增加安全裕度，減小開裂風(fēng)險(xiǎn)。

(2)降低澆筑溫度是內(nèi)襯墻混凝土溫控防裂的有效措施。隨著澆筑溫度的升高，內(nèi)襯墻混凝土內(nèi)部最高溫度和應(yīng)力線性遞增。澆筑溫度每提高1 ℃，最高溫度升高0.69 ℃，應(yīng)力增大0.12 MPa。

(3)通水冷卻措施對(duì)內(nèi)襯墻薄壁混凝土具有良好的溫控防裂效果。通水水管加密、通水時(shí)間延長(zhǎng)和降低通水水溫均能有效內(nèi)襯墻混凝土最高溫度和溫降產(chǎn)生的拉應(yīng)力，減小結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)。

(4)內(nèi)襯墻和連續(xù)墻粘接強(qiáng)度越大，對(duì)內(nèi)襯墻混凝土的約束越大，從而導(dǎo)致拉應(yīng)力升高，可以通過減弱粘結(jié)強(qiáng)度來降低拉應(yīng)力，增大安全系數(shù)，防止裂縫產(chǎn)生。