葉平先汲生偉

（1.金誠(chéng)信礦山設(shè)計(jì)院有限公司；2.航天建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司）

大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生主要受水泥水化熱、澆筑溫度與外界氣溫、混凝土的收縮變形以及約束條件的影響［1-5］。在-1 188 m 超深井治水中，由于受到地?zé)嵊绊?，井筒中環(huán)境溫度高達(dá)39 ℃，地下水溫度達(dá)到43 ℃。高溫高濕環(huán)境是超深豎井大體積混凝土施工的一大難題，如果不重視大體積混凝土的水化熱問題，不僅會(huì)給止?jié){墊帶來安全隱患，也會(huì)造成工期、人工和建設(shè)資金的浪費(fèi)，更會(huì)導(dǎo)致治水工作前功盡棄。

1 工程概況

該超深井為某礦山采礦副井，位于我國(guó)東部某地。工程設(shè)計(jì)井深為-1 600 m，在施工到-1 188 m時(shí)，遇到高壓高溫地下水，涌水量約為120 m3/h，水溫度達(dá)到40 ℃。止?jié){墊用于深井施工遭遇涌水時(shí)治水的臨時(shí)措施，由大體積素混凝土制成，外形為圓臺(tái)體，頂部直徑為8.2 m，底部尺寸為13.8 m，高15 m，混凝土澆筑量約為1 450 m3，要求連續(xù)澆筑一次性完成施工。表1 為本工程所采用的混凝土配合比，表2 為混凝土和基巖的熱力學(xué)參數(shù)，表3為水泥水化熱檢測(cè)結(jié)果。

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2 有限元模型建立

2.1 基本假定

假定混凝土結(jié)構(gòu)為均質(zhì)體，各單元放熱速率相同；忽略外界環(huán)境差異，假定混凝土表面的放熱系數(shù)為定值；假定混凝土澆筑的初始溫度相同；忽略冷卻管的體積，只考慮其冷卻效用。

2.2 混凝土絕熱溫升計(jì)算

根據(jù)水泥水化熱檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，按照《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50496—2018）提供的計(jì)算方法，計(jì)算水泥總水化熱及絕熱溫升，混凝土的絕熱溫升與齡期變化曲線見圖1，最高升溫出現(xiàn)在第15 天，T（15）=26.5 ℃。

2.3 模型的建立

由于止?jié){墊結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，結(jié)合工程實(shí)際情況，在Midas 中建立1/4 模型進(jìn)行建模和分析。為方便操作和提高計(jì)算效率，將止?jié){墊模型簡(jiǎn)化為直徑5.5 m、高15 m 的圓柱體；止?jié){墊周邊基巖取6.0 m 厚，高度取27 m（止?jié){墊頂面、底面各取6 m），來模擬周圍環(huán)境?？紤]水冷卻時(shí)，在中心布置主冷卻管1 根，水流量為60 m3/h；布置輔管1 根，水流量為12 m3/h。根據(jù)水冷管布置位置，選擇相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)并賦予其初始水溫為40 ℃，水流從止?jié){墊底部流入，從頂部流出。有限元模型中，基巖網(wǎng)格尺寸為1.0 m，止?jié){墊、止?jié){墊正下方及與其側(cè)壁接觸部分基巖網(wǎng)格尺寸為0.5 m，整個(gè)模型總共劃分9 241 個(gè)節(jié)點(diǎn)和8 208 個(gè)實(shí)體單元。圖2為止?jié){墊模型，圖3為基巖模型。

2.4 模型初始條件

通常情況下，環(huán)境溫度函數(shù)的定義，需考慮外界環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化。鑒于本工程的特殊性，在-1 188 m 的深井中，受地?zé)嵊绊戄^大，受地表氣溫影響甚微，巖石環(huán)境初始溫度設(shè)置為40 ℃。本工程中，考慮到工人在超深井下作業(yè)，加強(qiáng)了制冷通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行降溫，使井筒工作面環(huán)境溫度控制在30 ℃；混凝土澆筑過程中，混凝土從井口到澆筑面需要約24 min 的運(yùn)送時(shí)間，整個(gè)過程中與周圍環(huán)境進(jìn)行熱量交換，故止?jié){墊混凝土頂面初始溫度設(shè)置為30 ℃，混凝土的入模溫度設(shè)置為30 ℃。

止?jié){墊混凝土頂面與空氣進(jìn)行熱量對(duì)流交換，側(cè)表面及底面與周圍基巖相接觸，同時(shí)進(jìn)行溫度傳導(dǎo)［6］。

3 數(shù)值仿真分析結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比

3.1 仿真分析結(jié)果

有限元模型分析了無冷卻管的溫度場(chǎng)以及有冷卻管的溫度場(chǎng)2 種情況。圖4 為無冷卻管時(shí)溫度場(chǎng)分布圖，圖5 為有冷卻管時(shí)溫度場(chǎng)分布圖，圖6 為無冷卻管時(shí)中心與頂部和側(cè)壁表面溫差數(shù)據(jù)，圖7為有冷卻管時(shí)中心與頂部和側(cè)壁表面溫差數(shù)據(jù)。

數(shù)值仿真分析結(jié)果表明：無冷卻管時(shí)，在施工后第8～9天中心溫度達(dá)到最大值，為66.5 ℃。由于處于深井環(huán)境且受地?zé)嵊绊?，溫度達(dá)到最高值后，并無明顯的降溫過程。混凝土內(nèi)部中心與頂部表面溫差達(dá)到36.5 ℃，與側(cè)壁表面溫差達(dá)到26.5 ℃，兩者溫差均大于25 ℃，均不符合規(guī)范要求。有冷卻管時(shí)，在施工后第7～8 天，中心溫度達(dá)到最大值，為61.3 ℃?；炷羶?nèi)部中心溫度達(dá)到最高值后，存在明顯的降溫過程。混凝土內(nèi)部中心與頂部表面溫差達(dá)到30.2 ℃，與側(cè)壁表面溫差達(dá)到21.3℃，兩者有明顯的改善，滿足規(guī)范要求。雖然混凝土內(nèi)部中心與頂部表面溫差大于25 ℃，但也可以滿足止?jié){墊壓力注漿治水要求。

3.2 實(shí)測(cè)點(diǎn)的布置

為保證施工安全，并積累相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)有限元溫度場(chǎng)分析結(jié)果，在止?jié){墊中部偏下位置，即混凝土頂面向下約8 m 的位置等間距設(shè)置4 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，取其中最高溫度作為混凝土中部的監(jiān)測(cè)溫度。

3.3 仿真分析結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖8 為有、無冷卻管仿真模擬混凝土中心溫度與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果，可以看出，數(shù)值仿真分析值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值能較好地吻合，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果在澆筑混凝土后第8天，中心溫度達(dá)到峰值60.5 ℃。數(shù)值仿真分析結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)值均具有升溫速率較快、峰值較為接近、降溫速率較慢的特點(diǎn)，符合大體積混凝土水化熱放熱規(guī)律。

4 施工控制措施

根據(jù)有限元數(shù)值仿真分析的結(jié)果，結(jié)合以往類似項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)以及本項(xiàng)目具體的實(shí)際情況，提出了以下要求。

（1）為降低澆筑強(qiáng)度，施工時(shí)應(yīng)采用“整體分層，薄層施工，循序澆筑，一次成型”的原則進(jìn)行澆筑。每層混凝土的厚度以30 cm為宜。

（2）采取快插慢拔的方式振搗混凝土，保證其密實(shí)性；不斷移動(dòng)振搗棒的位置，保證混凝土的均勻性；將振搗棒插入上一施工面至少10 cm，保證連續(xù)澆筑時(shí)每層連接密實(shí)，不留施工縫。

（3）澆筑混凝土前應(yīng)在止?jié){墊內(nèi)部安裝溫度監(jiān)控設(shè)施，監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部溫度，并定時(shí)觀測(cè)、記錄混凝土的內(nèi)外溫度。

5 結(jié) 語

（1）有限元數(shù)值仿真分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好，可以采用有限元程序?qū)Υ篌w積混凝土施工期的溫度場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)施工具有指導(dǎo)意義。

（2）混凝土澆筑后的升溫速率非常快，而降溫速率則較慢，最高溫度持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，需采用合理的降溫、控溫措施。