隧道敞開段底板大體積混凝土溫度應(yīng)力控制技術(shù)

劉海青，谷坤鵬，趙輝，陳克偉

隧道敞開段底板大體積混凝土溫度應(yīng)力控制技術(shù)

劉海青1，谷坤鵬2，趙輝3，陳克偉2

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海200032；2.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海200032；3.中交三航局第二工程有限公司，上海200122）

港珠澳大橋東人工島敞開段隧道底板最大寬度超過55 m，軸向長度為15~30 m，厚度最大超過3 m，屬于典型的板式大體積混凝土結(jié)構(gòu)，溫度和裂縫控制難度較高。針對底板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用有限元對混凝土溫度場進(jìn)行了模擬計(jì)算分析，提出了冷卻水管布設(shè)方案和一系列的溫控技術(shù)措施，并對底板的溫度和應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測。結(jié)果表明，混凝土芯部最高溫度降低至69.7℃，端頭冷卻水管加密區(qū)最高溫度降低至65.8℃，最大芯表溫差為11.1℃；橫向應(yīng)變不超過160×10-6，軸向應(yīng)變不超過250×10-6，端頭應(yīng)變小于中心應(yīng)變。因此，采用的溫控技術(shù)措施，有效地控制了底板大體積混凝土的溫升，降低了混凝土內(nèi)應(yīng)力和開裂風(fēng)險(xiǎn)。

大體積混凝土；敞開段隧道；底板；溫度控制；應(yīng)變

0 引言

港珠澳大橋整體設(shè)計(jì)使用壽命為120 a，其中東人工島敞開段隧道全長288.781 m，底板為大體積混凝土板式結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級為C45，共分為OE1~OE10段，結(jié)構(gòu)尺寸較大。如港珠澳大橋東人工島敞開段隧道OE1-1，底板軸向?yàn)闁|西方向，整體結(jié)構(gòu)形式為梯形結(jié)構(gòu)，最大寬度為56.777 m，最小寬度為54.102 m，分段長度為15 m，中間厚度為3.15 m，并向南北兩側(cè)厚度漸變?yōu)?.60 m，兩側(cè)結(jié)構(gòu)不完全對稱，整體一次性澆筑，混凝土設(shè)計(jì)方量約2 400 m3，且受常年高溫多雨的影響，溫度裂縫控制難度較高[1]。由于敞開段隧道底板長期處于海平面以下，受海水腐蝕嚴(yán)重，耐久性問題突出，溫度控制不利將對主體結(jié)構(gòu)壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此溫度及裂縫控制及其重要。

本文以東人工島敞開段隧道OE1-1為例，詳述大體積混凝土底板溫度控制主要施工技術(shù)措施，并進(jìn)行了溫度和應(yīng)變的監(jiān)測，同時(shí)對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，為類似工程結(jié)構(gòu)溫度控制提供參考。

1 底板混凝土溫度場有限元計(jì)算分析

采用MADAS對底板混凝土溫度場進(jìn)行有限元計(jì)算分析，混凝土熱物理參數(shù)取值按相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行[2-3]，混凝土環(huán)境溫度和澆筑溫度取35℃。計(jì)算時(shí)不考慮氣溫隨時(shí)間變化，混凝土升溫函數(shù)取指數(shù)式，絕熱溫升取55℃。未布設(shè)冷卻水管底板混凝土溫度場計(jì)算，底板混凝土溫峰出現(xiàn)在底板中心位置，最高為81.0℃，出現(xiàn)在72 h，溫升達(dá)46℃，混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，需采取冷卻循環(huán)水的方式以降低混凝土溫升，進(jìn)一步降低此處的溫度應(yīng)力和開裂風(fēng)險(xiǎn)。

大體積混凝土底板特別是在軸向兩側(cè)端部極易產(chǎn)生溫度裂縫，研究提出了在兩側(cè)端頭易產(chǎn)生裂縫區(qū)域進(jìn)行冷卻水管加密，同時(shí)針對敞開段隧道底板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及溫度和裂縫控制要求，并經(jīng)過多次溫度場的有限元分析計(jì)算，敞開段隧道底板冷卻水管布設(shè)方案如下：冷卻水管直徑取50 mm，底板中部（未加密區(qū)）布設(shè)3層冷卻水管，每層間距90 cm；軸向東西兩側(cè)端頭2 m區(qū)域（加密區(qū)）布設(shè)4層冷卻水管，每層間距60 cm，加密區(qū)與未加密區(qū)最下層和最上層的冷卻水管在同一高度，而由于南北兩側(cè)高度較低，最上層冷卻水管只布設(shè)在中部寬26 m區(qū)域。

仿真計(jì)算時(shí)，水溫取30℃，流速取4 m3/h，自澆筑混凝土覆蓋冷卻水管時(shí)開始通水，通水周期按照72 h考慮。布設(shè)冷卻水管的混凝土溫度場有限元代表性的計(jì)算分析結(jié)果見圖1，由有限元溫度場計(jì)算結(jié)果可知，布設(shè)冷卻水管后未加密區(qū)模型計(jì)算的芯部理論最高溫度為70.0℃，溫峰降低了11℃，兩側(cè)端頭加密區(qū)，溫峰進(jìn)一步降低至67.4℃，降低了13.6℃。因此，按此冷卻水管布設(shè)方案可有效降低底板混凝土的芯部溫度，特別是可大幅度降低軸向兩端頭混凝土的溫度，有利于混凝土溫度裂縫的控制。

圖1 布設(shè)冷卻水管底板混凝土溫度場Fig.1Floor concrete temperature field with laying the cooling water pipe

2 混凝土溫控施工技術(shù)措施

2.1 低熱大體積混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

低熱大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，宜采用大摻量復(fù)摻礦粉和粉煤灰、低水化熱硅酸鹽水泥和緩凝型高效減水劑，以最大限度地降低混凝土的水化熱。針對該工程特點(diǎn)，選用的主要原材料為P·II 42.5低水化熱硅酸鹽水泥、Ⅰ級粉煤灰、S95礦粉、5~10 mm和10~20 mm的兩級配碎石、中砂及緩凝型聚羧酸高效減水劑。具體混凝土配合比及參數(shù)見表1，實(shí)驗(yàn)室測試混凝土初凝時(shí)間為9 h 45 min，終凝時(shí)間為12 h 55 min。

2.2 混凝土澆筑溫度控制

有關(guān)研究表明[4-5]，混凝土絕熱溫升隨著混凝土入模溫度的升高而增大，因此降低混凝土澆筑溫度對于控制大體積混凝土溫度尤為重要。澆筑溫度控制主要可從原材料溫度控制、運(yùn)輸過程中的降溫和施工過程控制。其中原材料降溫主要是降低混凝土粗骨料、粉料和攪拌用水的溫度，本工程采用搭設(shè)遮陽棚的方式對混凝土粗細(xì)骨料進(jìn)行遮陽降溫，采用在筒倉側(cè)面覆蓋帆布的方式對粉料進(jìn)行遮陽降溫，采用冷水機(jī)生產(chǎn)攪拌用水的方式降低混凝土攪拌用水溫度，2臺(tái)冷水機(jī)功率分別為10 m3/h和15 m3/h，一般在混凝土澆筑前4 h打開，確保水溫不大于5℃。運(yùn)輸過程中的降溫和施工過程控制的技術(shù)措施主要包括利用包裹、噴霧灑水、充分利用夜間溫度降低的時(shí)段及減少混凝土的運(yùn)輸?shù)却龝r(shí)間等措施。

表1 混凝土配合比及配合比參數(shù)Table 1Mixture ratio and parameters of concrete

2.3 冷卻水管布設(shè)

采用上述的技術(shù)方案進(jìn)行冷卻水管布設(shè)，中部非加密區(qū)分別于60 cm、150 cm和240 cm高處布設(shè)3層冷卻水管，端頭加密區(qū)分別于60 cm、120 cm、180 cm和240 cm高處布設(shè)4層冷卻水管，冷卻水管為直徑50 mm的鋼管，單個(gè)循環(huán)冷卻水管總長度不超過200 m，每根冷卻水管的流量可調(diào)范圍為0~10 m3/h，共設(shè)置20個(gè)進(jìn)口和20個(gè)出口，3個(gè)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。具體冷卻水管布設(shè)方案及進(jìn)出水口設(shè)置見圖2。冷卻水管安裝之后及時(shí)通水測試流量及冷卻水管是否漏水。

圖2 高度60 cm層冷卻水管布設(shè)Fig.2Cooling water pipe scheme for height of 60 cm layer

2.4 混凝土澆筑及冷卻循環(huán)水溫控施工操作

2臺(tái)泵車從南側(cè)依次向北側(cè)采用水平分段、豎向分層的方式進(jìn)行澆筑，早上6時(shí)開始澆筑，共澆筑41 h，混凝土澆筑總方量為2 352 m3。當(dāng)混凝土覆蓋某段冷卻水管時(shí)，此根冷卻水管開始通水，水流量保持在5 m3/h以上，后續(xù)根據(jù)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)及冷卻水管關(guān)閉。澆筑完畢后覆蓋土工布和薄膜灑水保溫養(yǎng)護(hù)，5 d后拆除東端頭模板，11 d后拆除南北兩側(cè)模板，拆模后的側(cè)面同樣采取包覆和灑水進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)。澆筑期間環(huán)境溫度為28.7~29.8℃，實(shí)體混凝土凝結(jié)時(shí)間約8 h，澆筑溫度不超過30℃。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 溫度和應(yīng)變監(jiān)測方案

對底板混凝土同時(shí)進(jìn)行溫度和應(yīng)變監(jiān)測，根據(jù)冷卻水管的布設(shè)，在底板中部和東西兩端頭加密區(qū)布置上、中、下3層測點(diǎn)，在東部分段面中間位置，貼近模板處及距離模板10 cm處布設(shè)有上、中、下3層測點(diǎn)，溫度和應(yīng)變均采用自動(dòng)采集儀測試。

3.2 混凝土溫度

1）芯部最高溫度和降溫速率

圖3為底板中部未加密區(qū)、西端頭加密區(qū)和東端頭加密區(qū)混凝土代表性測點(diǎn)的溫度變化曲線圖，中部未加密區(qū)為混凝土澆筑后51 h達(dá)到溫峰，為69.7℃，溫峰持續(xù)時(shí)間約為12 h；東、西兩端頭加密區(qū)溫峰出現(xiàn)在40~43 h左右，最高溫度分別為67.9℃和65.8℃，持續(xù)時(shí)間約15~20 h。中部中心位置前5 d平均降溫速率為1.74℃/d，端頭中心位置5 d平均降溫速率為2.52℃/d，端頭降溫速率稍大。實(shí)測中部未加密區(qū)以及兩側(cè)端頭的最高溫度與仿真計(jì)算結(jié)果基本吻合。因此，冷卻水管及其他系列降溫措施有效地降低了混凝土芯部溫度，特別是進(jìn)一步降低了端頭加密區(qū)的溫度。

圖3 底板各區(qū)域混凝土溫度測試曲線Fig.3Concrete temperature test curves of each area of floor

2）溫差

圖4為底板混凝土芯部與上下表面和東西端頭表面溫差曲線，從測試結(jié)果可以看出，最大溫差為11.1℃，滿足規(guī)范要求，溫差控制較好，有利于降低混凝土溫度應(yīng)力。

圖4 芯表溫差曲線Fig.4Temperature difference curves of center-surface

3.3 應(yīng)變監(jiān)測

混凝土應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果見圖5，由應(yīng)變測試結(jié)果并結(jié)合混凝土溫度測試結(jié)果，應(yīng)變測試有以下規(guī)律：混凝土澆筑后13 d應(yīng)變測試值為99.7~242微應(yīng)變，4 d內(nèi)應(yīng)變變化較快，后續(xù)變化速率逐漸變小并趨于穩(wěn)定，分析原因認(rèn)為主要是受4 d內(nèi)混凝土水化速度較快且溫峰后降溫速率較快的影響；兩側(cè)端頭混凝土的應(yīng)變小于中部應(yīng)變，分析認(rèn)為主要原因是中部溫峰高于端頭溫度；軸向的應(yīng)變較大，一般超過200微應(yīng)變，橫向的應(yīng)變較小，一般為100~160微應(yīng)變，分析認(rèn)為橫向（南北向）可能受產(chǎn)生裂縫的影響，降低了混凝土內(nèi)部的應(yīng)變測試值。軸向（東西向）上，底層與中層兩處的應(yīng)變值相近，上層部位的應(yīng)變值較?。粰M向（南北向）上，上中下3層的應(yīng)變值相近，但中層部位的最大，上層次之，底層最小。

圖5 底板不同位置應(yīng)變曲線Fig.5Strain curves of each area of floor

4 結(jié)語

1）結(jié)合混凝土溫度場有限元計(jì)算分析，提出了港珠澳大橋東人工島敞開段隧道底板大體積混凝土冷卻水管布設(shè)方案，冷卻水管管徑50 cm，單個(gè)冷卻水循環(huán)長度不超過200 m，中心區(qū)域冷卻水管間距90 cm，軸向端頭易裂位置間距加密至60 cm。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，此冷卻水管布設(shè)方案可將芯部最高溫度降低11℃，特別是兩側(cè)端頭加密區(qū)最高溫度可降低13.6℃。

2）提出了配制低熱緩凝大體積混凝土、采用冷水機(jī)降低混凝土攪拌用水至3~5℃、控制粉體材料溫度不超過40℃、根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行冷卻水管開關(guān)和流量調(diào)節(jié)、延長拆模時(shí)間不低于5 d及合理的保溫保濕養(yǎng)護(hù)等系列的溫控技術(shù)措施。

3）對敞開段隧道底板混凝土進(jìn)行了溫度和應(yīng)變監(jiān)測，芯部最高溫度降低至69.7℃，端頭冷卻水管加密區(qū)最高溫度降低至65.8℃，最大芯表溫差為11.1℃；混凝土橫向應(yīng)變不超過160×10-6，軸向應(yīng)變不超過250×10-6，端頭應(yīng)變小于中心應(yīng)變。

4）提出的成套溫控技術(shù)措施，有效地降低了混凝土的芯部最高溫度和內(nèi)表溫差，特別是加密端頭冷卻水管的措施大幅度降低了端頭易裂位置的溫度和應(yīng)變，降低了混凝土的應(yīng)力和開裂風(fēng)險(xiǎn)。

[1]王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997. WANG Tie-meng.Engineering structure crack control[M].Beijing: China Architecture&Building Press,1997.

[2]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國水利水電出版社，2012. ZHU Bo-fang.Temperature stress and temperature control of massive concrete[M].Beijing:China Water&Power Press,2012.

[3]谷坤鵬，于銅，陳克偉，等.大尺度現(xiàn)澆暗埋段隧道裂縫控制關(guān)鍵技術(shù)[J].中國港灣建設(shè)，2015，35（11）：4-7. GU Kun-peng,YU Tong,CHEN Ke-wei,et al.Key technology of crack control for large-scale cast-in-situ buried tunnel[J].China Harbour Engineering,2015,35(11):4-7.

[4]王甲春，閆培渝，韓建國.混凝土絕熱溫升的實(shí)驗(yàn)測試與分析[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2005，8（4）：446-451. WANG Jia-chun,YAN Pei-yu,HAN Jian-guo.Experiment and analysisof concreteadiabatic temperaturerise[J].Journal of Building Materials,2005,8(4):446-451.

[5]汪冬冬，王成啟，谷坤鵬.不同膠凝材料混凝土絕熱溫升試驗(yàn)[J].水運(yùn)工程，2009（10）：10-13. WANG Dong-dong,WANG Cheng-qi,GU Kun-peng.Experimental study on adiabatic temperature rising for concrete of different cement materials[J].Port&Waterway Engineering,2009(10):10-13.

Temperature strain control for mass concrete floor of open section of tunnel

LIU Hai-qing1,GU Kun-peng2,ZHAO Hui3,CHEN Ke-wei2
（1.CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China;2.CCCC Shanghai Third Harbour Engineering Academy of Science Co.,Ltd,Shanghai 200032,China;3.No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China）

The maximum width over 55 m,the maximum thickness over 3 m and the axial length is 15 to 30 m of open section of tunnel floor in east artificial island of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,which is the typical plate-type mass concrete structure,so,there are higher technical difficulties for temperature and crack controlling.According to the structure characteristics of the floor,we used the finite element to carried out the simulation analysis on the temperature field of concrete, put forward the lay scheme of cooling water pipe and a series of technical measures for temperature control,and monitored the temperature and strain of the floor.The results show that the maximum temperature of concrete center was reduced to 69.7℃, the tip of the cooling water pipe encryption area was reduced to 65.8℃,and the maximum center-surface temperature difference was 11.1℃.The transverse and axial strain under 160×10-6and 250×10-6respectively,and the strain of tip is less than center.So,the temperature control measures was adopted to effectively control the temperature rise of the floor mass concrete,and reduce the strain and the cracking risk of the concrete.

mass concrete;open section of tunnel;floor;temperature control;strain

U455.4

A

2095-7874（2017）08-0097-05

10.7640/zggwjs201708023

2017-05-16

劉海青（1969—），男，河北景縣人，高級工程師，副總工程師，港航專業(yè)。E-mail：58249216@qq.com