孫虹波

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610000）

近年來，我國在基礎設施建設方面的力度越來越大。特別是在水利水電工程項目方面，建設了很多相關的項目以滿足人們對電能日益增長的需求。在水利水電工程項目建設方面積累了很多實踐經(jīng)驗，并取得了很大的成就。部分水利水電工程項目在建設過程中受到相關區(qū)域地理條件的限制，需要用到隧洞。由于施工環(huán)境特殊，在水電站隧洞施工中，需要考慮的問題比較多，比如隧洞的安全性、經(jīng)濟性以及可實施性等。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在水電站隧洞施工技術方面積累了大量的實踐經(jīng)驗，解決了一大批技術難題，形成了相對比較成熟的技術體系。但在已有的關于隧洞混凝土施工技術的研究中，很少有關注混凝土溫控防裂問題的報道。這主要是因為隧洞內(nèi)部溫度通常比較穩(wěn)定，人們不是特別關注混凝土溫度控制問題。但實際上，隧洞混凝土襯砌施工中，因溫度控制不當導致的裂縫現(xiàn)象時有發(fā)生，只不過出現(xiàn)的裂縫程度不同?；诖耍斜匾獙λ娬舅矶椿炷烈r砌施工中的溫控防裂問題進行深入分析和研究，避免出現(xiàn)混凝土裂縫問題，提升隧洞混凝土施工質(zhì)量，保證水電站的安全穩(wěn)定運行。

1 溫度應力影響下混凝土出現(xiàn)裂縫的基本原理

通常情況下，水電站隧洞混凝土都比較薄，同時還會受到附近圍巖對其產(chǎn)生的約束作用。襯砌混凝土的厚度通常在50～100mm。水電站隧洞具有特殊性，為了保障其性能達到設計要求，使用的水泥標號通常都相對較大?；炷猎跐仓瓿珊蟮挠不^程中會產(chǎn)生水化效應，釋放出大量的熱量，水泥標號越高，這種現(xiàn)象越顯著。水化效應產(chǎn)生的熱量會導致混凝土內(nèi)部溫度出現(xiàn)一定程度的升高，如果不及時降低溫度，就會使混凝土的體積出現(xiàn)一定程度的膨脹。而混凝土又會受到周圍圍巖的約束作用，導致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)溫度應力。當溫度應力增加到一定程度，超過了對應齡期條件下混凝土的抗拉強度后，混凝土表面首先會出現(xiàn)裂縫，然后裂縫逐漸向心部拓展，可能會出現(xiàn)貫穿整個混凝土的裂縫。對于上述的水電站隧洞混凝土襯砌施工過程中的溫度應力現(xiàn)象，有必要采取行之有效的措施對其進行控制，進而避免混凝土出現(xiàn)裂縫問題?？梢圆扇〉拇胧┲饕ǎ哼m當降低混凝土襯砌施工溫度、在拆除模板之前做好通風工作使水化效應產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)出去等。

2 水電站隧洞工程中混凝土襯砌施工溫度應力影響因素

實踐經(jīng)驗表明，在春季時節(jié)進行混凝土襯砌施工時，通常不會出現(xiàn)貫穿整個混凝土的裂縫，春季澆筑施工過程中需要重點防范的是混凝土早期表面裂縫現(xiàn)象。在夏季開展混凝土襯砌施工時，在完成澆筑后期降溫過程中，容易出現(xiàn)貫穿整個混凝土的裂縫。而在秋季和冬季進行隧洞混凝土襯砌施工時，同樣可能出現(xiàn)由溫度應力引發(fā)的裂縫現(xiàn)象。文章以某水電站隧洞混凝土襯砌施工過程為例進行分析，在秋季進行施工，利用有限元方法針研究混凝土襯砌施工溫度應力，并進行模擬計算，分析了不同工藝條件下的溫度應力值以及工藝條件對混凝土溫度應力的影響規(guī)律。該工程項目的斷面見圖1。

圖1 水電站隧洞的斷面示意圖

2.1 混凝土襯砌施工長度對溫度應力的影響

為了研究襯砌施工長度對混凝土溫度應力產(chǎn)生的影響，在保持其他工況條件全部相同的情況下，只改變襯砌施工長度大小，并開展相關的模擬仿真工作。分別設置襯砌施工的長度值為6m、9m和18m，工程中標準的襯砌施工長度為12m，通過分析計算可得到不同襯砌施工長度時混凝土截面的溫度應力情況。結果表明，不同襯砌施工長度對應的混凝土截面溫度應力存在差異，隨著襯砌施工長度增加，溫度應力逐漸增強，但是增大的幅度非常有限，基本上可以忽略不計。由此可以看出，襯砌施工長度對溫度應力的影響非常小，很難通過改變襯砌施工長度來控制混凝土內(nèi)部的溫度應力進而實現(xiàn)對裂紋的控制。

2.2 混凝土襯砌施工溫度對溫度應力的影響

保持其他工況條件相同，以襯砌施工溫度為控制變量，分別設置混凝土襯砌施工溫度為13℃、10℃和8℃，并開展仿真模擬工作，統(tǒng)計分析了3種混凝土襯砌施工溫度條件下對應的混凝土截面溫度應力情況。需要說明的是，統(tǒng)計分析的是混凝土28d齡期時的溫度應力。結果發(fā)現(xiàn)，與襯砌施工溫度為13℃時相比，襯砌施工溫度為10℃時的溫度應力更低，其中混凝土表面溫度應力和圍巖側(cè)面溫度應力的降低幅度值分別為8.2%和11.2%。而當襯砌施工溫度為8℃時，混凝土表面溫度應力和圍巖側(cè)面溫度應力的降低幅度值分別為13.5%和18.6%?；谠摻Y果可以發(fā)現(xiàn)，混凝土襯砌施工溫度對溫度應力有非常大的影響，通過降低混凝土襯砌施工溫度，能夠有效控制混凝土溫度應力。

2.3 開始保溫時間和保溫方式對溫度應力的影響

標準工況條件下，在18d齡期時，襯砌施工混凝土表面溫度應力和圍巖側(cè)面溫度應力分別為2.155MPa和2.239MPa。而對應齡期的混凝土抗拉強度卻只有2.217MPa?？梢钥闯觯瑖鷰r側(cè)面溫度應力已經(jīng)超過了對應齡期的混凝土抗拉強度，非常容易出現(xiàn)裂紋問題。因此，為了降低溫度應力，應該在18d齡期之前就做好保溫工作。模擬仿真研究了不同保溫起始時間對溫度應力的影響，結果發(fā)現(xiàn)，開始保溫時間越早，混凝土截面溫度應力值就越小。相反的，如果開始保溫時間較晚，那么混凝土表面溫度應力就越大。結合具體情況，最終確定開始保溫的時間為混凝土襯砌施工完成后的15d。

下文分析不同保溫方式對混凝土溫度應力的影響，下述的所有工況全部是從混凝土襯砌施工完成后的第15d開始。

保溫方式1：使用的保溫材料為聚乙烯泡沫塑料板，厚度為20mm，該種材料的導熱系數(shù)為3.015kJ/（m·h·℃），其他條件按照標準工況進行設置。

保溫方式2：使用的保溫材料為聚乙烯泡沫塑料板，厚度為20mm，其他條件按照標準工況進行設置。當環(huán)境溫度低于5℃時，通過保溫簾對襯砌混凝土進行保溫，確保環(huán)境溫度保持在5℃以上。

保溫方式3：使用的保溫材料為聚乙烯泡沫塑料板，厚度為40mm，其他條件按照標準工況進行設置。

分別分析計算上述的3種保溫方式，可得到混凝土表面以及圍巖側(cè)面的溫度應力。在保溫方式1下，混凝土完成襯砌施工后的第15d開始進行保溫，隨著混凝土齡期的不斷增大，混凝土表面和圍巖側(cè)面的溫度應力均逐漸增大，兩者的最大值分別為4.389MPa和4.855MPa，溫度應力達到最大值后，隨著混凝土齡期的增大，溫度應力又開始逐漸降低。在保溫方式3下，得到的溫度應力變化規(guī)律與保溫方式1基本相同，所不同的是達到溫度應力最大值所需時間更短。保溫方式2與保溫方式1相比較，兩者的不同之處在于保溫方式2添加設置了保溫簾，保證了隧洞內(nèi)部的溫度始終維持在5℃以上。通過采取該項保溫措施，使混凝土溫度應力出現(xiàn)了大幅度降低。在60d齡期時，保溫方式2與保溫方式1對比，混凝土表面溫度應力和圍巖側(cè)面溫度應力分別降低了48.2%和30.7%。且在整個凝固過程中混凝土的溫度應力都沒有超過對應齡期的抗拉強度。

3 水電站隧洞混凝土襯砌施工溫控防裂措施

通過上述分析可以看出，對混凝土溫度應力產(chǎn)生影響的因素是多方面的。如果只對某一個因素進行控制，很難達到最好的控制效果?；诖?，可以同時對多個因素進行綜合控制，以達到最優(yōu)的溫控防裂效果，保證水電站隧洞混凝土襯砌施工的質(zhì)量。襯砌施工長度對混凝土溫度應力的影響幾乎可以忽略不計，此項因素不在溫控防裂的考慮范圍內(nèi)。主要從其他影響因素方面著手來實現(xiàn)溫度的控制，進而避免混凝土出現(xiàn)裂紋問題。結合此工程項目的具體情況，提出如下溫控防裂措施：將混凝土襯砌施工長度控制在12m，混凝土襯砌施工溫度設置為8℃，在完成混凝土襯砌施工后的第15d開始開展保溫工作，具體保溫方式是在混凝土表面覆蓋一層聚乙烯泡沫塑料板，厚度為20mm。同時，利用保溫簾確保混凝土的溫度維持在5℃以上。

4 結束語

隨著各項基礎設施建設進程的逐漸加快，我國在水電站建設方面的速度越來越快。與此同時，對建設質(zhì)量的要求也越來越高。溫度應力導致的混凝土裂紋問題是影響工程項目施工質(zhì)量的重要因素之一。文章通過數(shù)值仿真方法研究了不同工藝條件對混凝土溫度應力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)混凝土襯砌施工長度對溫度應力的影響幾乎可以忽略不計，而混凝土襯砌施工溫度和開始保溫時間、保溫方式對最終的溫度應力有顯著影響。為此，可以從混凝土襯砌施工溫度和開始保溫時間、保溫方式等方面著手做好溫度應力控制和溫度裂紋防治工作。