于書萍，張忠舉，歐陽海濱，王振紅

(1.北京江河中基工程咨詢有限公司，北京 100073；2.中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 611830；3.中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038)

0 引 言

為了解決城市生活生產(chǎn)缺水問題，水資源配置工程建設(shè)速度逐漸加快，基坑開挖深度越來越深，工程規(guī)模和技術(shù)難度也越來越大，保證工程建設(shè)質(zhì)量并提高供水保證程度顯得尤其重要。目前，基坑工程的施工方案按照其開挖順序可分為順作法和逆作法[1]。孟偉波等[2]采用有限元軟件分別對(duì)基坑工程順作法和逆作法施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析不同施工方案對(duì)基坑變形的影響規(guī)律。研究表明，兩種方法各有利弊，如何將順作法和逆作法合理結(jié)合應(yīng)用到工程實(shí)際建設(shè)中成為研究的重點(diǎn)[3-4]。

豎井內(nèi)襯混凝土厚度較小，屬于薄壁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式和受力條件復(fù)雜，施工期容易出現(xiàn)裂縫[5-7]。近年來，工程界對(duì)于襯砌等薄壁結(jié)構(gòu)的溫控防裂研究成果顯著。王振紅等[8]研究了混凝土薄壁結(jié)構(gòu)裂縫形成機(jī)理，提出水管冷卻、表面保溫等溫控措施。樊啟祥等[9]結(jié)合三峽、溪洛渡、向家壩等工程，研究了降低澆筑溫度、優(yōu)化通水冷水參數(shù)和流水養(yǎng)護(hù)等溫控防裂效果。但目前對(duì)于大直徑超深圓豎井采用逆-順結(jié)合作法施工內(nèi)襯混凝土的溫度應(yīng)力研究較少。

本文以珠三角水資源配置工程中的典型大直徑超深圓豎井為例，根據(jù)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)將其內(nèi)襯混凝土劃分為內(nèi)襯墻、洞門墻和底板3個(gè)部分，使用三維有限元程序SAPTIS[10]，采用逆-順結(jié)合施工方法，在上部內(nèi)襯墻部分采用逆作法，下部底板及洞門墻部分采用順作法，基于內(nèi)襯混凝土施工方案，對(duì)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究內(nèi)襯墻、洞門墻和底板溫度、應(yīng)力發(fā)展情況，總結(jié)規(guī)律和特點(diǎn)，為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)和建議。

1 工程概況

1.1 工程簡介

珠江三角洲水資源配置工程由“一條干線、二條分干線、一條支線、三座泵站、四座交水水庫”組成[11]，工程輸水線路總長113.2 km，多年平均引水量17.87億m3。工程從佛山市順德區(qū)杏壇鎮(zhèn)的西江水系向東引水至珠江三角洲東部，主要向廣州南沙區(qū)、深圳市和東莞市的缺水地區(qū)供水。該工程A2標(biāo)段輸水隧洞埋深為60.8 m，采用盾構(gòu)法施工。LG03號(hào)井為2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)始發(fā)井，為外徑35.9 m圓形豎井，開挖深度為73.98 m，采用地下連續(xù)墻+混凝土內(nèi)襯墻支護(hù)方案。盾構(gòu)井內(nèi)襯墻采用逆作法施工，洞門墻及底板采用順作法。地下連續(xù)墻厚1.2 m，深77.3 m，嵌入井底；逆作法內(nèi)襯墻厚1.2～1.5 m，襯砌后直徑分別為31.1 m和30.5 m；洞門墻厚4.0 m，底板厚4.0～6.5 m。盾構(gòu)井體形結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 盾構(gòu)井體形結(jié)構(gòu)(單位：m)

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)鉆孔揭露，井身上部為沖積層，厚30 m左右，包括②-2淤泥、②-4淤質(zhì)黏土層、③-1粉質(zhì)黏土層、③-3泥質(zhì)中細(xì)砂、③-4泥質(zhì)中粗砂、③-5含泥砂卵石層等；其下為厚約19 m的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(Ⅳ類)，高程-47 m以下至井身底部為厚約25 m的弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(Ⅲ類)。從上到下各地層參數(shù)見表1。

表1 地層參數(shù)特性

2 逆-順結(jié)合作法施工模擬

2.1 模型建立

數(shù)值模擬采用三維有限單元法計(jì)算，結(jié)合本工程實(shí)際情況，綜合考慮盾構(gòu)井周邊工程地質(zhì)分布情況，取模型范圍為長150 m、寬150 m、深150 m，計(jì)算模型如圖2所示，模型單元數(shù)122 332，結(jié)點(diǎn)數(shù)133 132。模型包括地下連續(xù)墻、內(nèi)襯墻、洞門墻、底板和一定范圍的地基。計(jì)算單元為空間六面體等參單元。應(yīng)力場(chǎng)的邊界條件：地基四周采用法向約束，地基底面采用全約束。溫度場(chǎng)的邊界條件，井內(nèi)的混凝土邊界采用第三類熱力學(xué)邊界，并采用實(shí)測(cè)的環(huán)境溫度。

圖2 盾構(gòu)井三維有限元計(jì)算模型

2.2 施工工序

結(jié)合井身結(jié)構(gòu)布置，內(nèi)襯混凝土采用逆-順結(jié)合作法從上往下施工，每挖完一層，及時(shí)進(jìn)行內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工，使地下連續(xù)墻和內(nèi)襯墻形成聯(lián)合受力體，保障結(jié)構(gòu)施工安全。內(nèi)襯施工共分16層，高程-53.78～2.92 m采用逆作法施工，除第1層壓頂梁施工層高2.7 m以外，第2～13層內(nèi)襯墻層高4.5 m；高程-70.38～-53.78 m采用順作法施工，包括底板和洞門墻。施工工序見圖3。

圖3 施工工序示意

2.3 計(jì)算參數(shù)

(1)地基計(jì)算參數(shù)。根據(jù)工程地質(zhì)分布情況，仿真計(jì)算時(shí)，高程-47 m以上地基彈模取值為0.03～8.0 GPa；高程-47 m以下地基彈模取值為10.23 GPa。

(2)混凝土計(jì)算參數(shù)。內(nèi)襯混凝土采用C30混凝土，熱、力學(xué)計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 內(nèi)襯混凝土熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)

2.4 內(nèi)襯混凝土施工方案

2.4.1 內(nèi)襯墻

澆筑溫度。4月～10月不高于25 ℃，11月～翌年3月為月均氣溫+3 ℃，但不高于18 ℃。

通水冷卻。水管間距1.0 m×1.0 m(水平排距×豎直層距)，冷卻時(shí)間5～7 d，通水水溫20 ℃，通水流量2.1～2.4 m3/h。每24 h改變一次通水方向。

表面保溫。保溫系數(shù)β=5 kJ/(m2·h ·℃)，保溫時(shí)間是4 d齡期后，保溫時(shí)間不少于28 d。

2.4.2 洞門墻

澆筑溫度。4月～10月不高于23 ℃，11月～翌年3月為月均氣溫+3 ℃，但不高于18 ℃。

通水冷卻。水管間距1.0 m×0.75 m(水平排距×豎直層距)，冷卻時(shí)間5～8 d，通水水溫20 ℃，通水流量2.1～2.4 m3/h。每24 h改變一次通水方向。

表面保溫。保溫系數(shù)β=5 kJ/(m2·h ·℃)，保溫時(shí)間是4 d齡期后，保溫時(shí)間不少于28 d。

2.4.3 底板

澆筑溫度。4月～10月不高于23 ℃，11月～翌年3月為月均氣溫+3 ℃，但不高于18 ℃。

通水冷卻。水管間距1.0 m×0.75 m(水平排距×豎直層距)，冷卻時(shí)間5～8 d，通水水溫20 ℃，通水流量2.1～2.4 m3/h。每24 h改變一次通水方向。

表面保溫。保溫系數(shù)β=5 kJ/(m2·h·℃)，保溫時(shí)間是4 d齡期后，保溫時(shí)間不少于28 d。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

內(nèi)襯混凝土內(nèi)部最高溫度和拉應(yīng)力與開挖深度關(guān)系曲線見圖4。由圖4可知，受澆筑季節(jié)、環(huán)境氣溫和結(jié)構(gòu)幾何尺寸影響，高溫季節(jié)澆筑的混凝土最高溫度高，內(nèi)襯墻第2～10層混凝土內(nèi)部最高溫度明顯高于其他部位，最高溫度達(dá)到46 ℃。低溫季節(jié)澆筑的混凝土最高溫度低，內(nèi)襯墻第11～13層、底板和洞門墻均在低溫季節(jié)澆筑，這些部位的最高溫度不超過43 ℃；內(nèi)襯墻從第6層開始，墻體厚度從1.2 m增加至1.5 m，澆筑溫度高，最高溫度高，同時(shí)受地下連續(xù)墻約束作用，在第7～10層中出現(xiàn)了較大的溫度應(yīng)力，施工澆筑后60 d齡期拉應(yīng)力達(dá)到5 MPa，最大溫度應(yīng)力出現(xiàn)在靠近內(nèi)襯中間的位置。底板和洞門墻地溫季節(jié)澆筑，最高溫度較低，基礎(chǔ)溫差小，故相較于內(nèi)襯墻，其拉應(yīng)力有所降低。

圖4 內(nèi)襯混凝土內(nèi)部最高溫度和拉應(yīng)力與開挖深度關(guān)系曲線

在盾構(gòu)井整體施工中，隨著高程的降低，環(huán)境溫度日均變幅減小以及結(jié)構(gòu)體型的改變，溫控難度逐步下降，內(nèi)襯墻厚度較小，受地下連續(xù)墻約束和氣溫變化影響較大，在高溫季節(jié)澆筑的部位開裂風(fēng)險(xiǎn)較大。洞門墻和底板距離地表較遠(yuǎn)，環(huán)境氣溫低，變化慢，開裂風(fēng)險(xiǎn)小。

3.1 內(nèi)襯墻溫度應(yīng)力分析

選取第7層混凝土內(nèi)襯墻內(nèi)部中間點(diǎn)和表面點(diǎn)進(jìn)行分析。圖5為內(nèi)襯墻內(nèi)部點(diǎn)和表面點(diǎn)溫度和應(yīng)力變化曲線，圖6為盾構(gòu)井縱剖面與水平剖面溫度和應(yīng)力包絡(luò)圖。根據(jù)圖5和圖6，內(nèi)襯墻混凝土澆筑時(shí)間為9月，根據(jù)施工方案，高溫季節(jié)澆筑溫度不超過25 ℃，采取通水冷卻措施，內(nèi)襯墻內(nèi)部和表面最高溫度分別為45.74 ℃和41.52 ℃，均在第3 d齡期時(shí)達(dá)到，隨后溫度在環(huán)境溫度和通水冷卻作用下持續(xù)降低，施工澆筑后60 d齡期溫度降至24.74 ℃和22.56 ℃，降溫速率約為0.28 ℃/d。內(nèi)襯墻厚1.5 m，在地下連續(xù)墻約束和溫降收縮共同作用下，此時(shí)內(nèi)襯墻混凝土內(nèi)部和表面拉應(yīng)力分別為4.66 MPa和4.87 MPa，抗裂安全系數(shù)分別為1.07和1.02，安全富裕度不大，有開裂風(fēng)險(xiǎn)。由強(qiáng)度曲線可知，內(nèi)襯墻的混凝土強(qiáng)度發(fā)展迅速，早齡期可以承受較大的降溫速率，施工時(shí)可考慮適當(dāng)延長通水冷卻時(shí)間或者對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分縫。

圖5 內(nèi)襯墻內(nèi)部點(diǎn)和表面點(diǎn)溫度和應(yīng)力變化曲線對(duì)比

圖6 盾構(gòu)井縱剖面與水平剖面溫度和應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：溫度℃，應(yīng)力0.01 MPa)

3.2 洞門墻溫度應(yīng)力分析

圖7為洞門墻內(nèi)部點(diǎn)和表面點(diǎn)溫度和應(yīng)力變化曲線，圖8為盾構(gòu)井洞門墻水平剖面溫度和應(yīng)力包絡(luò)圖。由圖7、8可知，洞門墻混凝土澆筑時(shí)間為1月，根據(jù)施工方案，低溫季節(jié)澆筑溫度不超過18 ℃，采取通水冷卻措施，洞門墻內(nèi)部和表面最高溫度分別為42.42 ℃和41.68 ℃，均在第3 d齡期時(shí)達(dá)到，隨后溫度在環(huán)境溫度和通水冷卻作用下持續(xù)降低，施工澆筑后60 d齡期溫度降至28.43 ℃和22.65 ℃，降溫速率約為0.23 ℃/d。洞門墻厚4.0 m，在地下連續(xù)墻約束和溫降收縮共同作用下，此時(shí)洞門墻混凝土內(nèi)部和表面拉應(yīng)力分別為3.59 MPa和2.97 MPa，抗裂安全系數(shù)分別為1.38和1.67。模擬結(jié)果表明，除內(nèi)襯墻和洞門墻的粘結(jié)處表現(xiàn)了較大的溫度應(yīng)力外，目前的施工方案下洞門墻開裂風(fēng)險(xiǎn)較低。

圖7 洞門墻內(nèi)部點(diǎn)和表面點(diǎn)溫度和應(yīng)力變化曲線對(duì)比

圖8 盾構(gòu)井洞門墻水平剖面溫度和應(yīng)力包絡(luò)圖(-56.28 m高程)(單位：溫度℃，應(yīng)力0.01 MPa)

3.3 底板溫度應(yīng)力分析

圖9為底板內(nèi)部點(diǎn)和表面點(diǎn)溫度和應(yīng)力變化曲線，圖10為盾構(gòu)井底板縱剖面溫度和應(yīng)力包絡(luò)圖。由圖9、10可知，底板混凝土澆筑時(shí)間為12月，根據(jù)施工方案，低溫季節(jié)澆筑溫度不超過18 ℃，采取通水冷卻措施，底板內(nèi)部和表面最高溫度分別為42.38 ℃和39.68 ℃，均在第3 d齡期時(shí)達(dá)到，隨后溫度在環(huán)境溫度和通水冷卻作用下持續(xù)降低，施工澆筑后60 d齡期溫度降至31.08 ℃和22.96 ℃，降溫速率約為0.19 ℃/d。底板澆筑層厚3.0 m，在下層底板混凝土和溫降收縮共同作用下，此時(shí)底板混凝土內(nèi)部和表面拉應(yīng)力分別為3.17 MPa和3.53 MPa，抗裂安全系數(shù)分別為1.57和1.41。模擬結(jié)果表明，除洞門墻和底板的交界處表現(xiàn)了較大的溫度應(yīng)力外，目前的施工方案下底板開裂風(fēng)險(xiǎn)較低。

圖9 底板內(nèi)部點(diǎn)和表面點(diǎn)溫度和應(yīng)力變化曲線對(duì)比

圖10 盾構(gòu)井底板縱剖面溫度和應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：溫度℃，應(yīng)力MPa)

4 結(jié) 論

(1)對(duì)內(nèi)襯混凝土采用逆-順結(jié)合施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)施工方案要求，內(nèi)襯墻、洞門墻和底板內(nèi)部最高溫度分別為45.74、42.42、42.38 ℃，降溫速率分別為0.28、0.23、0.19 ℃/d，施工澆筑后60d齡期拉應(yīng)力分別為4.66、3.59、3.17 MPa，抗裂安全系數(shù)分別為1.07、1.38和1.57。

(2)在盾構(gòu)井整體施工中，隨著高程的降低，環(huán)境溫度日均變幅減小以及結(jié)構(gòu)體型的改變，溫控難度逐步下降，內(nèi)襯墻厚度較小，受地下連續(xù)墻約束和氣溫變化影響較大，在高溫季節(jié)澆筑的部位開裂風(fēng)險(xiǎn)較大，施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

(3)對(duì)于內(nèi)襯墻在做好保溫措施延緩降溫速率前提下，可考慮適當(dāng)延長通水冷卻時(shí)間或者對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分縫釋放溫度應(yīng)力。受到施工工序和間歇期的影響，在結(jié)構(gòu)突變連接處，如內(nèi)襯墻和洞門墻粘結(jié)處及洞門墻和底板交界處均出現(xiàn)了較大溫度應(yīng)力，可能出現(xiàn)裂縫，應(yīng)加強(qiáng)這些部位的觀測(cè)。