水工隧洞襯砌拆模時間研究

相 昆 山， 孔 科， 張 永 清

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

水工隧洞混凝土拆模時間，特別是頂拱承重模板的拆除時間，對襯砌施工進度甚至整個地下工程的工期都有著重大影響，為保證工期，有必要縮短拆模時間[1-2]。王玉孝對拉西瓦水電站尾水洞混凝土拆模時間進行了研究，并經(jīng)現(xiàn)場拆模證明，齡期18 h進行拆模，效果良好[3]。

文章對某水電站5號導流洞D52型(襯砌厚度0.8 m)襯砌結構進行有限元計算，研究24 h、36 h進行拆模的可行性，為鋼模臺車拆除時間提供了科學依據(jù)，對保證施工質(zhì)量、確保合理的臺車循環(huán)時間、加快施工進度等方面取得了較好的經(jīng)濟效益[4]。

該水電站壩址控制流域面積6.57萬km2，壩址處多年平均流量666 m3/s。水庫正常蓄水位2 865 m，相應庫容101.5億m3，調(diào)節(jié)庫容65.6億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。電站裝機容量300萬kW，多年平均年發(fā)電量為110億kWh。

5號導流洞由引渠段、閘室段、無壓洞段和出口挑流鼻坎組成，設計最大流量 1 790 m3/s，最大流速27.2 m/s。進口引渠長49 m，引渠底板高程2 675 m，建基面高程2 764 m。無壓洞段長1 095.5 m，采用一坡到底的布置型式，坡度i=0.045 6，洞身為城門洞型，隨著洞身水面線變化斷面尺寸分別為9 m×12.5 m～14 m(寬×高)，洞身采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度分別為1 m、0.8 m、0.6 m。出口采用挑流消能。本計算主要針對5號導流洞D52型(襯砌厚度0.8 m)襯砌結構進行有限元計算。

由于5號導流洞斷面大，鋼模臺車頂拱模板為承重模板，因此邊頂拱部位混凝土拆模時間不宜太短，初擬混凝土的拆模時間(36 h)較長，直接影響襯砌混凝土施工進度，因此需要研究確定鋼模臺車合理拆模時間，在保證混凝土結構安全的同時，利于進度安排。

2 計算模型

2.1 坐標系

全部計算模型采用直角坐標系x和y表達模型幾何位置。

(1)x坐標軸正向=導流洞左側指向右側；

(2)y坐標軸正向=垂直向上，y坐標關聯(lián)與高程。

在沒有特別申明的情況下，位移計算成果遵守約定：與坐標軸正向一致的位移動或變形值為“正值”，“負”值表示與坐標軸正向相反。

類似地，正應力計算成果遵守約定：拉應力為“正值”，壓應力為“負值”。有關巖土大小應力規(guī)定符合巖土工程習慣。

2.2 有限元模型

計算模型取12 m長襯砌為計算單位進行有限元計算，模型左右兩側邊墻及邊墻底部考慮與基巖接觸，協(xié)調(diào)變形，頂拱考慮與基巖脫開?；鶐r兩側面及底部施加法向約束。計算模型總結點數(shù)6 422個，總單元個數(shù)為5 116個，采用8節(jié)點等參實體單元進行模擬，襯砌混凝土頂拱及邊墻頂部采用C25混凝土，底部邊墻及底板采用C40混凝土。有限元計算模型見圖1。

2.3 邊頂拱混凝土襯砌荷載

鋼模臺車拆模時，頂拱部位的混凝土是最關鍵的部位。由于邊頂拱混凝土襯砌是由邊墻底部向上澆筑，頂拱部位的混凝土最晚澆筑，所以鋼模臺車拆模時頂拱部位的混凝土齡期最短，強度最低，承載能力最弱。此時，頂拱混凝土襯砌所承受的荷載具有以下特點[5]:

(1)拆模時頂拱結構一般只承受鋼筋混凝土的自重荷載；

(2)錨桿和頂部鋼筋的聯(lián)合作用, 改善了頂拱混凝土的受力條件，頂部拱的作用減小了混凝土的拉應力量值和拉應力區(qū)的范圍。

圖1 有限元計算模型

3 計算參數(shù)

計算中，混凝土的密度取2 500 kg/m3，泊松比γ取0.167。由于混凝土的彈性模量及抗拉強度具有隨著混凝土齡期不同而變化的特點，且無試驗數(shù)據(jù)，故在計算不同齡期混凝土的彈性模量時按照下式進行取值：

E(t)=Ee(1-e-0.09t)

(1)

式中E(t)為混凝土從澆筑后至計算時的彈性模量(N/mm2)；Ee為混凝土的最終彈性模量(N/mm2)，可近似取28 d的彈性模量；t為混凝土從澆筑后到計算時的天數(shù)。

按照式(1)計算出24 h、36 h齡期的C25混凝土的彈性模量E分別為2.41 GPa、2.797 GPa，C40混凝土的彈性模量E分別為3.536 GPa、4.104 GPa。

不同齡期混凝土的抗拉強度由下式進行取值：

ft(t)=0.8ft(lgt)2/3

(2)

式中ft(t)為混凝土從澆筑后至計算時的抗拉強度(N/mm2)；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值(N/mm2)；t為混凝土從澆筑后到計算時的天數(shù)。

4 計算結果

4.1 24 h齡期計算成果

(1)襯砌變形分析。

根據(jù)計算結果可知(圖2、3)：

①在自重作用下，頂拱襯砌X向變形向外側發(fā)展，X向最大位移出現(xiàn)在頂拱兩側與邊墻交匯處，最大位移位UX為0.42 mm；

②在自重作用下，邊頂拱襯砌Y方向變形豎直向下，Y方向最大位移出現(xiàn)在頂拱中間位置，最大位移位UY為1.79 mm。

(2)襯砌應力分析。

根據(jù)計算結果(圖4、5)可知：

圖2 襯砌水平位移UX

圖3 襯砌豎直位移UY

圖4 襯砌水平應力SX

圖5 襯砌豎直應力SY

①5號導流洞D52型襯砌X向最大拉應力發(fā)生在襯砌頂拱中間內(nèi)側，最大拉應力SMX=0.10 MPa，最大壓應力出現(xiàn)在襯砌頂拱中間外側，最大壓應力為SMN=-0.37 MPa。

②5號導流洞D52型襯砌Y向最大拉應力發(fā)生在襯砌頂拱兩側外側，最大拉應力SMX=0.06 MPa，最大壓應力出現(xiàn)在襯砌邊墻頂部與頂拱交匯處，最大壓應力為SMN=-1 MPa。

4.2 36 h齡期計算成果

(1)襯砌變形分析。

根據(jù)計算結果可知(圖6、7)：

① 在自重作用下，頂拱襯砌X向變形向外側發(fā)展，X向最大位移出現(xiàn)在頂拱兩側與邊墻交匯處，最大位移位UX為0.3 mm；

②在自重作用下，邊頂拱襯砌Y方向變形豎直向下，Y方向最大位移出現(xiàn)在頂拱中間位置，最大位移位UY為1.36 mm。

圖6 襯砌水平位移UX

圖7 襯砌豎直位移UY

(2)襯砌應力分析。

根據(jù)計算結果(圖8、9)可知：

圖8 襯砌水平應力SX

圖9 襯砌豎直應力SY

① 5號導流洞D52型襯砌X向最大拉應力發(fā)生在襯砌頂拱中間內(nèi)側，最大拉應力SMX=0.11 MPa，最大壓應力出現(xiàn)在襯砌頂拱中間外側，最大壓應力為SMN=-0.38 MPa；②5號導流洞D52型襯砌Y向最大拉應力發(fā)生在襯砌頂

拱兩側外側，最大拉應力SMX=0.06 MPa，最大壓應力出現(xiàn)在襯砌邊墻頂部與頂拱交匯處，最大壓應力為SMN=-1 MPa。

5 結 語

筆者結合某大型工程5號導流洞襯砌施工，采用有限元軟件進行了襯砌拆模時間分析，主要研究了24 h、36 h拆模對混凝土強度的影響。導流洞襯砌混凝土拆模時間由24 h增加到36 h，隨著混凝土齡期的增長，彈性模量值增大，混凝土水平方向(X向)和豎直方向(Y向)最大位移有所減小。導流洞襯砌混凝土拆模時間由24 h增加到36 h，混凝土結構應力變化不大，應力量值及分布規(guī)律基本一致。襯砌混凝土24～36 h齡期內(nèi)拆模，混凝土變形和應力變化范圍很小，且最大應力值小于該齡期下混凝土的抗拉強度。通過以上計算復核，24 h拆模是可行的。該研究在保證混凝土結構安全、施工質(zhì)量、確保合理的臺車循環(huán)時間、加快施工進度等方面取得了較好的經(jīng)濟效益。因此，為鋼模臺車拆除時間提供了科學依據(jù)，且對工程實際施工拆模時間控制具有指導意義。