基于沉管管節(jié)預(yù)制的大體積混凝土溫度監(jiān)控及分析

劉永成，豐 收，歐智勇，呂建兵，陳銀春，李旭龍

(1.中鐵隧道集團三處有限公司，廣東 深圳 518052；2.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣州 510006)

0 引言

我國大城市大多集中在江河兩岸或江河入?？诟浇?。隨著經(jīng)濟發(fā)展以及城市化進程的快速推進，具有較大通行能力、施工方法簡單、工期短、造價低、能較好抵抗自然災(zāi)害等優(yōu)勢的沉管隧道在國內(nèi)同類工程中逐漸興起。在將近30年的時間里，大陸已建成沉管隧道10座，在建2座，還有多座沉管隧道工程正在開展前期研究或準(zhǔn)備動工[1]。

廣州金光東沉管隧道屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)。在施工過程中，受沉管管節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)形式和混凝土配合比等內(nèi)部因素以及混凝土入模溫度、現(xiàn)場環(huán)境溫度、風(fēng)速等外部環(huán)境條件共同作用下，沉管結(jié)構(gòu)容易在施工階段就出現(xiàn)溫度裂縫[2]，影響結(jié)構(gòu)的安全性。

為控制混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生，目前國內(nèi)外主要從混凝土配合比設(shè)計和混凝土澆筑及養(yǎng)護工藝等方面來實現(xiàn)[3-4]。港珠澳大橋沉管隧道利用優(yōu)選混凝土原材料并通過自動養(yǎng)護系統(tǒng)降低了沉管開裂的風(fēng)險，更進一步調(diào)整了施工順序和工藝來解決現(xiàn)澆暗埋段隧道關(guān)鍵部位側(cè)墻和底板的裂縫問題[5-6]；海河沉管隧道根據(jù)夏季和冬季環(huán)境區(qū)別采用不同的養(yǎng)護方式控制混凝土溫度[7]；佛山市汾江路南延線沉管隧道通過改善混凝土澆筑和養(yǎng)護工藝等措施，有效地控制了裂縫的產(chǎn)生[8]。此外，一些學(xué)者從裂縫產(chǎn)生原因、數(shù)值模擬等方面進行了深入研究，鄧春林等[9]通過埋設(shè)振弦應(yīng)變傳感器研究沉管隧道側(cè)墻混凝土裂縫的成因；張苑竹等[10]通過數(shù)值模擬計算表明：澆筑階段底板和頂板的水化溫度和溫度應(yīng)力在腋角部位最大；崔婷婷[11]通過有限元軟件研究了大體積混凝土中冷卻水管的最佳埋設(shè)形式。

本文結(jié)合廣州金光東沉管隧道大體積混凝土工程項目，運用溫度控制技術(shù)，在隧道側(cè)墻部位設(shè)置冷卻管，混凝土澆筑前埋設(shè)好溫度測點傳感器，并在隧道澆筑后的養(yǎng)護過程中實時對測點溫度進行監(jiān)測，根據(jù)實際情況及時調(diào)整養(yǎng)護措施，將混凝土各項溫度指標(biāo)控制在規(guī)范和設(shè)計要求的范圍內(nèi)。

1 工程概況

廣州國際創(chuàng)新城金光東隧道江中沉管段起訖里程為RK1+990～RK2+450，全長460m，共分6節(jié)管段，每段寬22.10m，高8.55m，為標(biāo)準(zhǔn)雙向四車道結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中E1管段長度為75.0m，E2、E3管段長77.0m，E4+E5-1管段長74.5m，E5-2、E6管段長77.0m。隧道采用移動干塢預(yù)制管段。采用兩個半潛駁預(yù)制，一次預(yù)制兩節(jié)管段。E1、E2 預(yù)制完成后在隧址下游寄放，寄放管段在下潛區(qū)內(nèi)一次試漏，寄放區(qū)內(nèi)完成二次舾裝后依次浮運至隧址沉放、對接。其他管段在預(yù)制完成后隧址處試漏并二次舾裝、沉放。管節(jié)預(yù)制混凝土約32 000m3，鋼筋7 300t。由此可見，金光東沉管隧道屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)。沉管隧道對防水、抗?jié)B性能要求很高，因此需要嚴(yán)格控制隧道混凝土裂縫的產(chǎn)生。

圖1 沉管管節(jié)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：mm)

根據(jù)施工順序，第一個沉管隧道管節(jié)E6長77m，高8.55m，分為上部結(jié)構(gòu)(高3.75m)與下部結(jié)構(gòu)(高4.8m)兩個部分澆筑，而上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)又分別分成4段長18～20m的節(jié)段進行澆筑，因此一個完整的隧道管節(jié)E6共分為8個小節(jié)段澆筑，監(jiān)測團隊對其中6個小節(jié)段進行溫度監(jiān)測及溫度控制。由于6個小節(jié)段溫控方案類似，本文取第六段澆筑混凝土結(jié)構(gòu)進行分析。

2 溫度控制技術(shù)及監(jiān)控措施

2.1 冷卻管布設(shè)

根據(jù)設(shè)計圖紙，第六段澆筑混凝土結(jié)構(gòu)屬于隧道上部結(jié)構(gòu)，頂板長18.0m，頂板寬22.1m，頂板厚1.1m(中隔墻厚1.6m)；側(cè)墻長18m，側(cè)墻厚0.9m，側(cè)墻高3.75m。本次混凝土施工在沉管隧道側(cè)墻內(nèi)布置冷卻管。根據(jù)表1，按照循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的要求，對沉管隧道側(cè)墻進行循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水管的布置，如圖2和圖3所示。側(cè)墻冷卻管間距取1.0 m，采用鋼管，管徑取30mm，單側(cè)管長16.5m+1.0m+16.5m=34m。冷卻管布置在側(cè)墻中心位置。

表1 不同材料冷卻管布置參數(shù)

圖2 冷卻管布置橫斷面(單位：mm)

圖3 截面A-A、B-B冷卻管縱斷面布置(單位：mm)

根據(jù)《大體積混凝土施工規(guī)范》[12]、《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》[13]等相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在混凝土初凝后，開始啟動循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，同時控制進水溫度、出水溫度和水流速率等相關(guān)參數(shù)。現(xiàn)場循環(huán)冷卻水系統(tǒng)控制裝置如圖4所示。

圖4 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)控制裝置

2.2 溫度監(jiān)控措施

2.2.1 測溫設(shè)備及頻率

溫度傳感器采用便攜式BP-35頻率儀進行讀數(shù)，其滿足如下工作參數(shù)：靈敏度0.25℃，精度±0.5℃，測量范圍：-20℃～80℃。每批溫度傳感器使用前需進行抽樣校準(zhǔn)，抽樣頻率為20%。

監(jiān)測頻率：澆筑3d內(nèi)，每0.5h采集一次數(shù)據(jù)；第4d至7d齡期，每1h采集一次數(shù)據(jù)。

2.2.2 溫度測點布置

根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性和混凝土溫度變化的一般規(guī)律，分別在截面C、D、E、F、G、H、I上靠左邊一側(cè)布置溫度傳感器，如圖5所示。

圖5 第六段混凝土結(jié)構(gòu)截面位置(單位：mm)

C、D兩個截面每個截面布置12個溫度傳感器；E、F、G、H、I截面每個截面布置2個溫度傳感器，七個截面共布置34個溫度傳感器。測點編號位置如圖6所示。

圖6 截面C到截面I溫度傳感器位置及編號(單位：mm)

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 第六段澆筑混凝土結(jié)構(gòu)測點溫度監(jiān)測結(jié)果

第六段澆筑混凝土結(jié)構(gòu)各截面頂板、側(cè)墻測點溫度監(jiān)測結(jié)果如圖7和表2所示。

圖7 各截面頂板、側(cè)墻測點溫度監(jiān)測結(jié)果

表2 第六段澆筑混凝土結(jié)構(gòu)測點溫度監(jiān)測結(jié)果

3.2 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.2.1 監(jiān)測結(jié)果

由于混凝土入模溫度控制在24.0℃，且養(yǎng)護期間平均環(huán)境溫度為17.4℃，使混凝土測點峰值溫度較低。側(cè)墻與頂板的測點峰值溫度均在澆筑后一天半左右出現(xiàn)，規(guī)律較穩(wěn)定；而最大內(nèi)外溫差出現(xiàn)的時間則相差很大，不具有良好的規(guī)律性，但是均在峰值溫度后溫度下降階段出現(xiàn)。此外，通過本次監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：

(1)側(cè)墻測點峰值溫度出現(xiàn)在截面E側(cè)墻內(nèi)側(cè)測點26，而不是結(jié)構(gòu)中心截面D的側(cè)墻中心測點23，且截面C、D側(cè)墻內(nèi)表面測點峰值溫度均大于中心測點。隨著與結(jié)構(gòu)中心截面D距離的增加，截面E、F、G、H、I側(cè)墻測點峰值溫度逐漸下降，截面E、I側(cè)墻相同位置測點同一時間最大溫差為12.4℃。

(2)頂板測點峰值溫度出現(xiàn)在截面D頂板中心測點14，截面C頂板測點峰值溫度也出現(xiàn)在頂板中心測點。隨著與結(jié)構(gòu)中心截面D距離的增加，截面E、F、G、H、I頂板測點峰值溫度逐漸下降，截面E、I頂板相同位置測點同一時間最大溫差為13.6℃。

(3)截面C、D頂板測點最大內(nèi)外溫差變化規(guī)律大致一致，且與環(huán)境溫度變化呈負相關(guān)。

3.2.2 分析

(1)推測上部結(jié)構(gòu)側(cè)墻峰值溫度出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中心截面?zhèn)葔拷敯宸纸缑娴膬?nèi)側(cè)位置，這可能是因為雖然側(cè)墻與頂板分開澆筑，但是間隔時間比較短，對于分界面部位影響較小，該部分可以近似視為整體澆筑，因此需要加上頂板的厚度，導(dǎo)致側(cè)墻峰值溫度出現(xiàn)的位置整體向上抬高，不在側(cè)墻幾何中心位置上。而且當(dāng)上部結(jié)構(gòu)總體澆筑完成后，整個隧道結(jié)構(gòu)完成，隧道內(nèi)部空氣流通較差，處于半封閉狀態(tài)；而且在養(yǎng)護過程中開啟循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，使側(cè)墻混凝土中心溫度下降，因此側(cè)墻內(nèi)側(cè)溫度高于中心溫度。

(2)推測上部結(jié)構(gòu)頂板峰值溫度出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中心截面頂板正中心位置(中隔墻正上方)，這可能是因為中隔墻上方頂板有1.6m厚，是整個頂板結(jié)構(gòu)最厚處。

(3)頂板表面測點受環(huán)境溫度影響較大，而中心測點基本不受環(huán)境溫度影響。另外，由于在頂板上方采用了覆蓋保溫薄膜蓄水養(yǎng)護，導(dǎo)致在白天氣溫升高時，頂板表面測點溫度也隨之上升，呈正相關(guān)；而內(nèi)部中心測點溫度則基本不受影響，繼續(xù)保持單調(diào)上升或下降，因此使得測點內(nèi)外溫差變化與環(huán)境溫度成負相關(guān)。這從側(cè)面反映出保溫養(yǎng)護效果較好。

4 結(jié)論

(1)設(shè)置冷卻管可有效降低混凝土內(nèi)部溫度及內(nèi)外溫差，是沉管隧道大體積混凝土溫度控制技術(shù)的重要組成部分。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)最佳工作時間從混凝土澆筑完畢到出現(xiàn)峰值溫度為止。

(2)在混凝土攪拌站通過加冰拌合等措施，有效控制混凝土入模溫度低于30℃?；炷翝仓蟮酿B(yǎng)護階段，將混凝土溫度監(jiān)測與主要溫控措施相結(jié)合，在混凝土表面使用透水模板布，達到了保溫保濕的目的。同時在混凝土表面覆蓋塑料薄膜，進行保溫處理，提高混凝土的表面溫度，降低內(nèi)外溫差。

(3)混凝土溫度峰值主要受入模溫度及環(huán)境溫度的影響，與入模溫度及環(huán)境溫度成正相關(guān)；而最大內(nèi)外溫差主要受環(huán)境溫度及養(yǎng)護條件影響，與環(huán)境溫度成負相關(guān)。

(4)本段沉管隧道混凝土溫度峰值及內(nèi)外溫差峰值分別為63.0℃、21.8℃，均處于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。由此可見，沉管隧道大體積混凝土溫度控制技術(shù)在本工程項目上取得了良好的溫控效果，為后期沉管隧道大體積混凝土溫控工作的開展提供了參考依據(jù)。