鄧德志

（中交四航局第二工程有限公司 廣州 510230）

0 引言

沉管法施工因其具有可淺埋、與兩岸道路銜接容易、對地質(zhì)水文條件適應(yīng)力強等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于跨江越海隧道和內(nèi)陸城市水下通道等工程建設(shè)，如港珠澳大橋海底隧道［1］、深中通道和車陂南隧道等［2］。由于絕大多數(shù)沉管隧道的主體結(jié)構(gòu)體積自重大、倒角結(jié)構(gòu)復(fù)雜，預(yù)制混凝土澆筑過程中的水化熱反應(yīng)、內(nèi)表溫差逐漸變大會導(dǎo)致不均勻溫度應(yīng)力的產(chǎn)生，極大可能會形成裂縫，將嚴重影響沉管結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和抗?jié)B性能［3］。由于不同工程的技術(shù)及環(huán)境差異性，沉管混凝土溫控措施難以一概而論，因此需結(jié)合不同環(huán)境下對混凝土水化熱進行分析，用于指導(dǎo)混凝土澆筑和養(yǎng)護。

國內(nèi)學(xué)者陳飛翔［4］采用MIDAS FEA 和LUSAS 有限元軟件對預(yù)制沉管混凝土水化熱進行仿真計算，計算出了內(nèi)表最大溫差為24.8 ℃，內(nèi)部最高溫度為38.8 ℃，且兩種軟件的計算結(jié)果匹配性型良好；蔡杰［5］基于某沉管工程全斷面澆筑法，再無冷卻管的條件下采用溫度監(jiān)測與防裂措施，顯著減少了裂縫產(chǎn)生提升了抗裂防滲性能；申昌洲［6］通過監(jiān)測大連灣沉管隧道的混凝土溫度和裂縫發(fā)展情況，調(diào)整優(yōu)化了冬季預(yù)制沉管施工技術(shù)；李進輝［7］對超大斷面沉管混凝土進行溫度應(yīng)力仿真計算，基于監(jiān)測結(jié)果優(yōu)化了混凝土溫控措施，達到了溫控效果良好的目的；胡健中［8］結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測，開展了大體積混凝土水化熱規(guī)律研究，提出澆筑分層厚度是控制大體積混凝土內(nèi)部溫峰的關(guān)鍵因素；連春明［9］研究了混凝土原材和入模溫度在不同氣候季節(jié)環(huán)境下對大體積混凝土水化熱反應(yīng)的影響，得出了混凝土原材溫度隨環(huán)境溫度呈線性變化的結(jié)論。

綜上所述，沉管大體積混凝土水化熱分析與溫控技術(shù)研究已漸進成熟，但在實際施工中的溫度裂縫仍層見迭出，且環(huán)境溫度對大體積混凝土水化熱也有顯著影響，因此研究不同季節(jié)下混凝土的水化熱對實際工程產(chǎn)生的溫度場規(guī)律需要進一步分析與研究。論文依托某沉管過江隧道工程，采用數(shù)值模擬和溫度監(jiān)測研究手段，將數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析，研究不同季節(jié)下沉管的混凝土溫度場變化規(guī)律，基于上述研究提出適用于大體積混凝土澆筑溫控措施，為類似沉管大體積混凝土施工提供理論技術(shù)支持和參考。

1 工程概況

某沉管過江隧道工程過江段采用沉管結(jié)構(gòu)，總長407 m，管節(jié)編號由南往北依次為E1、E2、E3、E4，最終接頭為水中接頭。沉管為干塢法預(yù)制，在干塢內(nèi)進行預(yù)制，分兩批次澆筑完成。標準節(jié)段混凝土方量約1 560 m3，采用全斷面一次澆筑成型工藝。

沉管采用單箱三室型結(jié)構(gòu)型式，除E1 為變截面直線管節(jié)，其余為等寬直線管節(jié)，橫向總寬為29.6～37.1 m，總高為9.2 m，頂板、底板混凝土厚度為1.25 m，側(cè)墻混凝土厚度為1.0 m，中隔墻混凝土厚度厚度為0.6 m，采用全斷面一次澆筑成型［10］。管節(jié)標準斷面設(shè)計如圖1所示。

圖1 管節(jié)斷面設(shè)計Fig.1 Section Design of Pipe Section （m）

2 沉管溫度場數(shù)值模擬

2.1 絕熱升溫理論計算

混凝土絕熱溫升按照式⑴進行計算［11-12］：

式中：T（t）為齡期為t時的混凝土絕熱溫升（℃）；W為混凝土的膠凝材料用量；Q為膠凝材料水化熱總量，Q=k1·k2·Q0，k1和k2按照表1 取值，可根據(jù)3 d 和7 d 水化熱數(shù)據(jù)求得，Q0=4/（7/Q7-3/Q3）；C為混凝土的比熱，取0.96 kJ/（kg·℃）；ρ為混凝土容重，ρ=2 370 kg/m3；m為與水泥品種、澆筑溫度等有關(guān)的系數(shù)，取1.4d-1；t為混凝土齡期（d）。

表1 礦物摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)Tab.1 Mineral Admixture Hydration Heat Adjustment Coefficient

常見P·II 42.5R水泥水化熱Q0=305.0～345.0 kJ/kg，取中間值Q0=325.0 kJ/kg作為有限元模擬計算用值。

當(dāng)膠凝材料總用量為400 kg/m3時，按照表1 取摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)k1=0.89和k2=0.95進行計算，得到混凝土的膠凝材料水化熱總量為266.11 kJ/kg，并由此計算得到采用P·II 42.5R水泥加摻粉煤灰的該混凝土在不同齡期下的絕熱溫升，由此計算得到該混凝土在不同齡期下的絕熱溫升，結(jié)果如表2所示。

表2 混凝土絕熱溫升計算結(jié)果Tab.2 Calculation Results of Adiabatic Temperature Rise of Condensate

2.2 數(shù)值計算模型建立及參數(shù)

論文選取標準管節(jié)中的某一節(jié)段（E4-S3），采用Midas FEA 軟件，按照沉管單管節(jié)實際尺寸建立模型，尺寸為16.0 m×29.6 m×9.2 m，選用三維實體單元對建立的沉管模型進行網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)為286 260 個，如圖2所示。沉管澆筑方向為從底板往頂板方向。

圖2 沉管節(jié)段實體有限單元模型Fig.2 Solid Finite Element Model of Submerged Tube Segment

主體結(jié)構(gòu)混凝土采用C40（P10）混凝土，本次開展夏季和冬季兩種工況下沉管施工期混凝土內(nèi)部溫度場有限元模擬，計算參數(shù)如表3所示。

表3 計算參數(shù)Tab.3 Calculation Parameters

2.3 邊界條件

工程所在的夏季環(huán)境平均溫度介于25～35 ℃范圍，冬季環(huán)境平均溫度介于15～25 ℃范圍。溫度場仿真計算中采用正弦函數(shù)擬合得到沉管外界氣溫變化過程，僅考慮對流作用，結(jié)果如圖3所示。分析時沉管底板采用第一類邊界條件，側(cè)墻和頂板采用第三類邊界條件。

圖3 環(huán)境溫度變化情況Fig.3 Changes in Ambient Temperature

2.4 溫度場計算結(jié)果及分析

通過計算得到夏季和冬季沉管單管節(jié)澆筑后達到內(nèi)部溫峰時的溫度場分布云圖，如圖4所示?？芍炷翝仓笤谙募竞投竟r下內(nèi)部到達溫峰值處都出現(xiàn)在底板中隔墻下方，溫峰值為72.8 ℃和67.3 ℃，說明底板與中隔墻連接倒角處澆筑厚度和方量較大且內(nèi)部散熱不易，混凝土水化熱程度高故溫度達到整個管節(jié)的峰值。而側(cè)墻與頂板較底板有更多的面積暴露在外，受環(huán)境影響較大散熱效果更加顯著故溫度較低。

圖4 混凝土澆筑后內(nèi)部達到溫峰時溫度場Fig.4 Temperature Field when the Internal Temperature Peak Reaches after Concrete Pouring

基于沉管混凝土結(jié)構(gòu)對稱規(guī)律，于沉管混凝土結(jié)構(gòu)頂板、側(cè)墻、底板各布設(shè)6 個（Ta1、Ta2、Ta3、Tb1、Tb2、Tb3）、3 個（Tf1、Tf2、Tf3）、7 個（Tc1、Tc2、Td1、Td2、Td3、Te1、Te2）關(guān)鍵測點，便于研究其中心和內(nèi)表溫度變化規(guī)律，關(guān)鍵測點布設(shè)如圖5所示。

圖5 關(guān)鍵測點選取Fig.5 Selection of Key Measurement Points

根據(jù)溫度場模擬結(jié)果，關(guān)鍵測點在夏季和冬季兩種工況下管節(jié)混凝土溫度隨時間變化如圖6、圖7所示。

圖6 頂板及側(cè)墻模擬溫度時程Fig.6 Simulated Temperature Time History of Roof and Side Wall

圖7 底板模擬溫度時程Fig.7 Base Plate Simulated Temperature Time History

分析在夏季和冬季工況下管節(jié)關(guān)鍵測點的溫度變化趨勢，可直觀反映管節(jié)不同位置的溫度變化情況。管節(jié)頂板、底板、側(cè)墻關(guān)鍵測點的溫升規(guī)律均呈現(xiàn)出先快速升溫后緩速降溫的變化趨勢。溫峰出現(xiàn)在底板中隔墻倒角測點Tc2 處，在夏季工況下澆筑后62 h后達到72.8 ℃，在冬季工況下澆筑62 h 后達到67.3 ℃。管節(jié)混凝土內(nèi)外溫差的變化趨勢在夏季與冬季工況下與溫度變化趨勢大致相同，即內(nèi)外溫差呈現(xiàn)先快速增大后緩速減小的規(guī)律，其中，管節(jié)最大內(nèi)外溫差峰值出現(xiàn)在頂板中隔墻倒角測點Tb2 范圍，在夏季工況下澆筑90 h 后內(nèi)外溫差值達到27.1 ℃，在冬季工況下澆筑90 h 后內(nèi)外溫差值達到29.4 ℃。說明頂板與中隔墻連接倒角處澆筑厚度和方量較大且內(nèi)部散熱不易，且頂板相對標高較高表層混凝土大面積暴露在外，容易受氣流影響散熱過快故內(nèi)外溫差較大。

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，夏季沉管主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫度（72.8 ℃）不滿足溫控標準低于70 ℃的規(guī)定要求，最大內(nèi)表溫差（27.1 ℃）不滿足溫控標準低于25 ℃的規(guī)定要求；冬季沉管主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫度（67.3 ℃）滿足溫控標準低于70 ℃的規(guī)定要求，最大內(nèi)表溫差（29.4 ℃）不滿足溫控標準低于25 ℃的規(guī)定要求，因此混凝土澆筑后應(yīng)及時做好養(yǎng)護。

3 階段式溫控措施

沉管是大體積結(jié)構(gòu)而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，混凝土在養(yǎng)護過程中，容易因為養(yǎng)護不到位而出現(xiàn)溫度收縮裂縫。針對沉管預(yù)制干塢法施工的特點，依托于數(shù)值模擬計算結(jié)果，根據(jù)季節(jié)不同采取保溫和散熱的綜合措施，保證混凝土內(nèi)表溫差及氣溫與混凝土表面的溫差在控制范圍內(nèi)。總體分為以下3個階段：

⑴第一階段：混凝土澆筑準備

為降低混凝土澆筑環(huán)境溫度，減少混凝土的暴曬或雨水天氣，在管節(jié)頂部利用模板對拉行架搭設(shè)遮蔭棚。

⑵第二階段：混凝土澆筑完成后

混凝土澆筑完成并達到初凝收面后，所有混凝土裸露面應(yīng)及時覆蓋高分子養(yǎng)護膜+土工布進行保濕保溫養(yǎng)護。待底板、頂面混凝土終凝后再前基礎(chǔ)上增加進行蓄水養(yǎng)護，養(yǎng)護水溫度與混凝土表面溫度差≤15 ℃；

⑶第三階段：模板拆除后

外模拆除后，對外側(cè)墻混凝土進行土工布覆蓋包裹，噴淋養(yǎng)護；噴淋水溫度控制內(nèi)表溫差≤20 ℃；內(nèi)拆模后兩端進行掛簾封閉，行車道內(nèi)采用超聲霧化儀進行噴霧養(yǎng)護，養(yǎng)護相對濕度控制≥85%，預(yù)制沉管拆模后濕養(yǎng)護時間不少于14 d。

針對沉管混凝土的不同階段養(yǎng)護采取不同的養(yǎng)護要求，如表4所示。

表4 不同階段養(yǎng)護要求Tab.4 Maintenance Requirements at Different Stages

4 管節(jié)現(xiàn)場溫度監(jiān)測

4.1 監(jiān)測點布設(shè)

為直觀反映沉管大體積混凝土的澆筑溫升狀態(tài)，基于沉管節(jié)段結(jié)構(gòu)的對稱性與前面第二章節(jié)所述數(shù)值模擬計算結(jié)果，將溫度傳感器布設(shè)在管節(jié)節(jié)段的頂板、底板、側(cè)墻及中隔墻處，測點布置具體位置如表5所示。自動化采集裝與溫度傳感器連接，并通過無線通訊的方式將數(shù)據(jù)傳輸至電腦端，實現(xiàn)沉管節(jié)段溫測自動化，可發(fā)現(xiàn)異常及時發(fā)出預(yù)警信息和處理建議，提醒工程技術(shù)人員采取措施同時也便于為后續(xù)節(jié)段混凝土溫控進行指導(dǎo)和調(diào)整。

表5 測點布置Tab.5 Test Point Layout

采集頻率為澆筑7 d 內(nèi)1 h 采集一次數(shù)據(jù)，7～14 d齡期內(nèi)2 h 采集一次數(shù)據(jù)，而后4 h 采集一次數(shù)據(jù)，根據(jù)動態(tài)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整養(yǎng)護措施，直至溫度穩(wěn)定符合溫控標準及強度達到設(shè)計要求。

4.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

由于該節(jié)段澆筑時間為夏季，本次研究節(jié)段溫測處于夏季工況。如圖8、圖9所示，該節(jié)段頂板、底板、側(cè)墻測點溫升規(guī)律均呈現(xiàn)出先快速升溫后緩速降溫的變化趨勢，與上述數(shù)值模擬結(jié)果規(guī)律基本一致。溫峰出現(xiàn)在底板中隔墻倒角測點Nc2 處，在澆筑后70 h 后達到73.5 ℃。其中，管節(jié)最大內(nèi)外溫差峰值出現(xiàn)在頂板中隔墻倒角測點Nb2 范圍，在澆筑88 h 后內(nèi)外溫差值達到19.5 ℃，較數(shù)值模擬結(jié)果27.1 ℃下降了28%，且滿足溫控標準低于25 ℃的規(guī)定要求，也進一步驗證了溫控措施的合理性和可行性。

圖8 頂板及側(cè)墻模擬溫度時程（夏季）Fig.8 Simulated Temperature Time History of Roof and Side Wall （Summer）

圖9 底板模擬溫度時程（夏季）Fig.9 Time History of Base Plate Simulated Temperature （Summer）

5 結(jié)論

⑴通過數(shù)值模擬研究夏季與冬季不同工況下管節(jié)混凝土溫升規(guī)律，結(jié)果表明管節(jié)混凝土溫升規(guī)律和內(nèi)外溫差變化規(guī)律在兩種工況下大致相同，即先快速增大后緩速減小，且溫峰出現(xiàn)在底板中隔墻倒角處，最大內(nèi)外溫差峰值出現(xiàn)在頂板中隔墻倒角處。

⑵結(jié)合數(shù)值模擬計算結(jié)果，提出了不同季節(jié)分階段式混凝土溫控措施，保證混凝土內(nèi)表溫差及氣溫與混凝土表面的溫差在控制范圍內(nèi)?？傮w分為以下3 個階段：混凝土澆筑準備、混凝土澆筑完成后、模板拆除后。

⑶由現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬對比分析得出，仿真結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果規(guī)律基本一致，說明數(shù)值模擬結(jié)果的可行性和可用于指導(dǎo)施工，同時在采取分階段式溫控措施后，澆筑后的內(nèi)外溫差值較數(shù)值模擬結(jié)果下降了28%，進一步驗證了該措施的科學(xué)性和合理性。