高地溫隧道襯砌混凝土早期開裂機(jī)理及防控措施

傅金陽，徐光陽，楊 曾，趙寧寧，劉守花

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075； 2.中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國家工程研究中心，湖南 長沙 410075；3.中鐵五局集團(tuán)有限公司 第一工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410117)

隨著我國西部多條重點(diǎn)交通工程的全面推進(jìn)，越來越多的隧道工程需穿越難以繞避的高地溫地區(qū)，高地溫不良地質(zhì)也成為隧道工程施工和結(jié)構(gòu)安全的一大難題[1]。隧道圍巖高溫環(huán)境會(huì)直接影響早齡期襯砌混凝土質(zhì)量，在高地溫和早齡期水化熱的共同作用下，襯砌混凝土極易由于溫度應(yīng)力表面開裂[2-3]，這些早期裂縫會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)物的耐久性及長期使用安全性造成影響[4-5]。

許多學(xué)者對(duì)早齡期混凝土熱力學(xué)性能[6-8]和開裂機(jī)理開展了研究。Pepe等[9]提出一種可以模擬混凝土早齡期溫度和水化度演化規(guī)律的數(shù)值模擬模型，并研究了混凝土幾何形狀、環(huán)境溫度等對(duì)混凝土開裂的影響；Cui等[10]采用數(shù)值模擬方法，對(duì)高摻量粉煤灰混凝土橋墩早期開裂原因和針對(duì)性抗裂措施進(jìn)行了研究。雖然數(shù)值計(jì)算方法在早齡期混凝土研究中得到了普遍的應(yīng)用，但早齡期混凝土存在著復(fù)雜的水泥水化產(chǎn)熱機(jī)制、熱力學(xué)參數(shù)隨齡期不斷發(fā)生變化以及溫度和濕度對(duì)變形的耦合影響，特別是高地溫隧道的高巖溫會(huì)顯著改變襯砌混凝土早齡期水化，目前數(shù)值計(jì)算軟件往往難以直接進(jìn)行隧道早齡期混凝土溫度及應(yīng)力狀態(tài)演化過程的模擬。

目前，很多學(xué)者針對(duì)高地溫環(huán)境下隧道混凝土極易產(chǎn)生病害的特點(diǎn)提出了一些針對(duì)性的措施，如設(shè)置適宜的輔助坑道、通風(fēng)降溫以及制冰降溫等[11-12]。王玉鎖等[13]采用模型試驗(yàn)與數(shù)值建模方法對(duì)大埋深高地?zé)岘h(huán)境中隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力展開研究，研究結(jié)果表明設(shè)置隔熱層可顯著提高二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。盡管目前高地溫隧道施工中采用了許多保溫隔熱措施，但這些措施對(duì)控制高地溫隧道混凝土早齡期開裂的有效性尚不明確，且在襯砌表面設(shè)置保溫層將增加施工成本，當(dāng)圍巖溫度達(dá)到何值時(shí)需要采取相應(yīng)工程措施尚有待進(jìn)一步研究。

本文利用基于理論推導(dǎo)結(jié)合ABAQUS有限元數(shù)值軟件進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建模擬溫度場(chǎng)-濕度-應(yīng)力等多物理場(chǎng)耦合影響下混凝土早齡期力學(xué)性能的發(fā)展演化規(guī)律的數(shù)值模型，并在此基礎(chǔ)上依托我國西部某隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果和擴(kuò)展有限元模擬技術(shù)，進(jìn)一步分析了高地溫隧道二襯混凝土早齡期開裂機(jī)理及裂縫擴(kuò)展規(guī)律，探討了保溫隔熱措施對(duì)避免混凝土早齡期開裂的有效性和需要采取相應(yīng)工程措施的圍巖溫度臨界值，可為高地溫隧道工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

中國西部某隧道全長16 449 m，隧道最大埋深達(dá)1 347 m，屬于特長鐵路隧道。隧址區(qū)存在高地溫、巖爆等不良地質(zhì)，為項(xiàng)目重難點(diǎn)工程及一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。隧道正洞DK175+750—DK175+910段穿越沃卡地區(qū)地塹東緣活動(dòng)斷裂帶，根據(jù)在沃卡地區(qū)地塹東緣活動(dòng)斷裂帶的鉆孔資料顯示，該段無明顯高地應(yīng)力，但圍巖溫度推測(cè)不小于70 ℃，高地溫對(duì)隧道施工的影響尤為明顯。

2 高地溫測(cè)試及襯砌開裂特征

2.1 圍巖溫度測(cè)試

超高巖溫與早齡期水化熱作用形成的耦合溫度場(chǎng)，將會(huì)威脅襯砌混凝土力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)安全。該隧道施工期間，在1號(hào)橫洞里程H1DK0+421處(對(duì)應(yīng)正洞里程為DK175+737)，采用SH612型智能數(shù)字溫度計(jì)對(duì)圍巖溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)[14]。巖溫測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，包括3個(gè)50 m的隧道軸向地質(zhì)勘探孔(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)和2個(gè)50 m的隧道徑向地質(zhì)勘探孔(Ⅳ、Ⅴ)，每個(gè)地質(zhì)勘探孔每0.5 m測(cè)量一次巖溫。

圖1(a)為測(cè)試點(diǎn)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的溫度曲線結(jié)果，三個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫差較小(±1℃)，且沿三個(gè)測(cè)點(diǎn)軸向深度的變化趨勢(shì)相同，穩(wěn)定在86.7 ℃。圖1(b)為測(cè)試點(diǎn)Ⅳ和Ⅴ的溫度曲線結(jié)果，測(cè)點(diǎn)Ⅳ的溫度隨徑向深度的增加而升高，并穩(wěn)定在88 ℃左右。而對(duì)于試驗(yàn)點(diǎn)Ⅴ，溫度隨徑向深度呈線性下降，在距離測(cè)試點(diǎn)Ⅴ距離50 m處，溫度為54 ℃。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，該測(cè)試段隧道圍巖最高溫度可達(dá)88 ℃。

圖1 圍巖溫度測(cè)試結(jié)果

2.2 隧道襯砌開裂特征

盡管高地溫段采取了通風(fēng)降溫等措施，但在現(xiàn)場(chǎng)施工完成后對(duì)隧道混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)DK175+120—DK176+980高地溫段二次襯砌出現(xiàn)40余處開裂現(xiàn)象，如圖2所示。裂縫主要集中在左右邊墻處，拱腰存在少量裂縫，拱頂未見裂縫，裂縫形態(tài)以水平裂縫為主，裂縫主要長度分布區(qū)間為0～8 m之間，裂縫深度較小，極少數(shù)位置處裂縫長度達(dá)12 m，連通襯砌施工縫。通過對(duì)開裂段322個(gè)斷面的襯砌混凝土進(jìn)行回彈試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高地溫段部分襯砌混凝土強(qiáng)度滿足TB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[15]合格要求，但合格率僅為88.8%，低于正常地溫段的近100%的合格率。

圖2 高地溫二次襯砌表面開裂

進(jìn)一步觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，二次襯砌表面裂縫的主要分布在高地溫段，澆筑2 d后拆模即發(fā)現(xiàn)裂紋，后續(xù)施工階段裂縫也并未進(jìn)一步發(fā)生擴(kuò)展。裂縫寬度及深度均較小且均分布在襯砌表面，從裂縫的分布特征及形態(tài)特征來看并非結(jié)構(gòu)裂縫。因此，可以推測(cè)裂縫產(chǎn)生的主要原因是高地溫與早齡期水化產(chǎn)熱共同作用形成較大的溫度應(yīng)力，在早齡期混凝土強(qiáng)度增長不足時(shí)導(dǎo)致的表面開裂，同時(shí)高地溫對(duì)襯砌混凝土的最終強(qiáng)度有一定影響。

3 高地溫隧道襯砌開裂機(jī)理分析

3.1 有限元分析方法

3.1.1 混凝土早齡期多場(chǎng)耦合模型

(1)溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)早齡期平衡方程

對(duì)水泥及混凝土工程的大量研究表明溫度場(chǎng)與濕度場(chǎng)是影響混凝土早期力學(xué)性能和引起開裂的兩個(gè)主要原因[16-18]。一般而言，混凝土與環(huán)境之間存在熱量平衡方程[19]，即

(1)

Q(τ)=Q0(1-e-aτb)

(2)

式中：Q(τ)為齡期為τ時(shí)水泥產(chǎn)生的水化熱；Q0為水泥水化釋放的總熱量；τ為混凝土齡期，d；a，b為常數(shù)參數(shù)，可依據(jù)不同水泥標(biāo)號(hào)，按照經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值。根據(jù)朱伯芳[21]總結(jié)的混凝土水化放熱經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)取值，Q0=330 kJ/kg，a=0.69，b=0.56。

混凝土內(nèi)部濕度場(chǎng)具有與式(1)相似的濕度平衡方程，其內(nèi)部濕度下降期的一個(gè)重要參數(shù)是濕度擴(kuò)散系數(shù)，該參數(shù)表征了結(jié)構(gòu)濕度擴(kuò)散能力，與環(huán)境溫度、濕度均有關(guān)，可表示為[22]

(3)

式中：h為相對(duì)濕度；D1為h=1.0時(shí)的濕度擴(kuò)散系數(shù)；αh=D0/D1，D0為h=0時(shí)的濕度擴(kuò)散系數(shù)；n為擬合參數(shù)；hc為當(dāng)D(h)=0.5D1時(shí)的相對(duì)濕度；hc、n、αh可依據(jù)文獻(xiàn)[23]建議取值，hc=0.8，n=15，αh=0.05；te為混凝土成熟度(等效齡期)，f(te)為等效齡期影響函數(shù)，可表示為[24]

(4)

其中，Ead為混凝土擴(kuò)散活化能，kJ/mol；R為理想氣體常數(shù)，R=8.314 J/(mol·g·K)；T為節(jié)點(diǎn)實(shí)際溫度；Tr為參考溫度，Tr=273 K。對(duì)于混凝土擴(kuò)散活化能取值，當(dāng)絕對(duì)溫度T>293 K時(shí)，Ead=33.5 kJ/mol；當(dāng)絕對(duì)溫度T<293 K時(shí)，Ead=33.5+1.47×(293-T)。

(2)混凝土早齡期力學(xué)性能變化機(jī)理

混凝土內(nèi)早齡期力學(xué)性能變化機(jī)理決定了早期變形的大小與極值，彈性模量與極限拉伸變形是其數(shù)值計(jì)算中的兩個(gè)重要力學(xué)性能。彈性模量隨齡期的擬合規(guī)律可采用雙指數(shù)式[25]

E(τ)=E0(1-e-cτd)

(5)

式中：E0為混凝土最終彈性模量，E0=31 GPa；c、d為根據(jù)混凝土等級(jí)確定的試驗(yàn)擬合參數(shù)，c=0.4，d=0.34。

混凝土抗拉強(qiáng)度是表明混凝土抗裂能力的一個(gè)重要指標(biāo)，其隨齡期的變化規(guī)律為[26]

ft(τ)=0.8ft0(lgτ)2/3

(6)

式中：τ為齡期，d；ft(τ)為不同齡期的抗拉強(qiáng)度；ft0為齡期為28 d的抗拉強(qiáng)度，ft0=2 MPa。

3.1.2 基于擴(kuò)展有限元方法的混凝土早齡期溫度-濕度-應(yīng)力耦合模型

基于混凝土早齡期多場(chǎng)耦合力學(xué)模型，編寫相關(guān)水化熱子程序、力學(xué)特性子程序、溫度及收縮變形子程序。利用大型通用有限元軟件ABAQUS的子程序HETVAL、USDFLD、UEXPAN二次開發(fā)接口，首先依據(jù)混凝土早齡期水化熱公式，將水化放熱總量轉(zhuǎn)換為軟件接口中熱通量定義混凝土熱源；同時(shí)依據(jù)混凝土彈性模量、極限拉伸變形等時(shí)變公式，定義場(chǎng)變量(Field Variables)實(shí)現(xiàn)不同齡期的力學(xué)參數(shù)動(dòng)態(tài)變化，其次依據(jù)混凝土溫度變形及收縮變形，通過定義熱應(yīng)變?cè)隽?Incremental Thermal Strains)考慮混凝土早齡期多場(chǎng)耦合變形。隨后基于順序耦合模型算法進(jìn)行混凝土早期溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算[27]。

擴(kuò)展有限元(XFEM)是近年來發(fā)展起來的、在常規(guī)有限元框架內(nèi)求解不連續(xù)問題的有效數(shù)值計(jì)算方法，其基于單位分解的思路，在常規(guī)有限元位移模式中加入能夠反映裂紋面不連續(xù)性的跳躍函數(shù)及裂尖漸進(jìn)位移場(chǎng)函數(shù)，避免了采用常規(guī)有限元計(jì)算斷裂問題時(shí)需要對(duì)裂紋尖端重新加密網(wǎng)格造成的不便[28]。本研究在混凝土早齡期應(yīng)力應(yīng)變求解的基礎(chǔ)上，結(jié)合擴(kuò)展有限元方法，建立了早齡期混凝土多因素耦合模型，該模型可以考慮混凝土早齡期水化產(chǎn)熱、環(huán)境條件及重力作用下的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及裂縫擴(kuò)展路徑，可進(jìn)一步分析極端環(huán)境條件下隧道襯砌混凝土早齡期開裂機(jī)理及抗裂措施，具體實(shí)現(xiàn)路線如圖3所示。

圖3 混凝土早齡期溫度-濕度-應(yīng)力耦合模型

3.2 數(shù)值模擬模型

高地溫段橫洞隧道斷面凈高為11.7 m，埋深254 m。有限元計(jì)算模型如圖4所示。模型側(cè)面約束水平方向位移，底部約束豎向位移，同時(shí)模型邊界距隧道開挖邊界距離滿足3～5倍洞徑的要求，避免邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)二襯裂縫調(diào)研結(jié)果，將隧道數(shù)值模型軸向尺寸設(shè)置為12 m(與二襯混凝土臺(tái)車一模長度一致)，寬度與高度分別設(shè)置為100 m，將模型頂部與地表面之間的圍巖自重簡化為均布豎向荷載作用在模型上表面。由于該段未探測(cè)出高地應(yīng)力，圍巖側(cè)壓力系數(shù)取ν/(1-ν)，其中ν為巖體泊松比。該模型共包含單元46 283個(gè)，節(jié)點(diǎn)58 856個(gè)。

圖4 有限元計(jì)算模型(單位：m)

溫度場(chǎng)計(jì)算模型中，邊界條件如圖5所示。二襯后端表面與既有混凝土接觸，由于現(xiàn)場(chǎng)施工中，二襯澆筑速度約2 d一環(huán)，既有混凝土仍處于早齡期，溫度與模型溫度相差不大，不考慮此表面與外界的熱量交換。0～2 d時(shí)，二襯混凝土尚未脫模，二襯內(nèi)表面和前端表面與模板接觸，考慮模板具有一定的隔熱作用，表面對(duì)流換熱系數(shù)減小至完全通風(fēng)狀態(tài)下的50%(10 W/(m2·℃))。2 d后，混凝土脫模，內(nèi)表面與隧道空氣完全通風(fēng)，對(duì)流換熱系數(shù)為20 W/(m2·℃)。開挖方向一側(cè)由于有新混凝土澆筑，同樣不考慮此表面與外界的熱量交換。二襯施工與初支施工間隔時(shí)間較長，數(shù)值模型中不考慮初支噴射混凝土水化熱對(duì)二襯結(jié)構(gòu)溫度的影響；同時(shí)，隧道防水板結(jié)構(gòu)雖然一定的隔熱作用，但常用的防水板厚度一般不超過3 mm，且不考慮特殊隔熱作用[29]，故計(jì)算模型中不考慮防水板的隔熱作用。

圖5 二襯混凝土數(shù)值模型溫度場(chǎng)邊界

設(shè)置初支混凝土和二次襯砌混凝土初始入模溫度為25 ℃，隧道通風(fēng)環(huán)境溫度根據(jù)TB 10204—2020《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程》[30]設(shè)置為28 ℃，圍巖溫度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖溫測(cè)試結(jié)果設(shè)置為88 ℃。計(jì)算中所采用的早齡期混凝土熱力學(xué)參數(shù)見表1，其中初支導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)中混凝土和鋼拱架的比重取平均值。數(shù)值模型采用Heat Transfer分析步類型，網(wǎng)格類型為傳熱類型。

應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算模型中，模型尺寸及網(wǎng)格劃分方式與溫度場(chǎng)計(jì)算模型相同。調(diào)用溫度每一計(jì)算步計(jì)算結(jié)果文件作為應(yīng)力計(jì)算的初始條件。根據(jù)數(shù)值模型的空間位置，限制巖體模型底部Y方向的變形，左右兩側(cè)Z方向的變形和前后兩側(cè)X方向的變形，初支和二襯只限制前后端表面Y方向的變形。模型頂部施加均布荷載以模擬覆土壓力。由于模型中忽略模板對(duì)早齡期混凝土的支撐作用，所以應(yīng)力場(chǎng)分析時(shí)不考慮混凝土自重。應(yīng)力計(jì)算時(shí)將網(wǎng)格類型修改為三維應(yīng)力單元，建立新的靜力通用計(jì)算分析步。在應(yīng)力計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步劃定采用XFEM的區(qū)域，并根據(jù)最大主應(yīng)力準(zhǔn)則分析早齡期混凝土的裂縫擴(kuò)展規(guī)律。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)[31-32]

3.3 結(jié)果分析與討論

3.3.1 混凝土溫度場(chǎng)分析

基于編制的早齡期混凝土水化產(chǎn)熱及熱力學(xué)性能子程序，混凝土早齡期性能計(jì)算時(shí)長設(shè)置為7 d。

圖6選取混凝土邊墻位置處與圍巖直接接觸的內(nèi)部特征點(diǎn)A及與空氣直接接觸的表面特征點(diǎn)B，定量研究其溫度時(shí)變規(guī)律。由圖6可以看出，襯砌混凝土內(nèi)部節(jié)點(diǎn)溫度與表面節(jié)點(diǎn)起始溫度相同均為25 ℃，表明混凝土入模溫度相同。襯砌混凝土同時(shí)受到地溫?zé)嵩磁c空氣對(duì)流散熱的影響，但不同階段起主導(dǎo)作用的因素不同。受圍巖高地溫及水化產(chǎn)熱影響，澆筑后二襯表面節(jié)點(diǎn)溫度及襯砌內(nèi)部節(jié)點(diǎn)溫度均迅速升高，隨后空氣對(duì)流散熱使得節(jié)點(diǎn)溫度緩慢下降。溫度變化過程中，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)溫度高于表面節(jié)點(diǎn)溫度，這是由于襯砌內(nèi)部存在地?zé)釤崃總鬟f及水化產(chǎn)熱的熱量積累。內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與表面節(jié)點(diǎn)的溫度差值也表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，且過程中溫度梯度的最大值超過30 ℃。當(dāng)混凝土存在較大的溫度梯度時(shí)將產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，易造成混凝土表面開裂。

圖6 襯砌混凝土特征點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

3.3.2 混凝土應(yīng)力場(chǎng)分析

按照順序耦合方法的計(jì)算原則，通過調(diào)用溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，可進(jìn)一步計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)分布。圖7中采用剖切方法分析不同位置處二次襯砌應(yīng)力場(chǎng)分布結(jié)果。邊墻位置處存在較大的拉應(yīng)力，齡期為7 d時(shí)，此拉應(yīng)力達(dá)到1.089 MPa，由于混凝土早齡期力學(xué)性能增長緩慢，此部位極有可能發(fā)生開裂。

圖7 7 d齡期時(shí)二次襯砌應(yīng)力場(chǎng)分布(單位：Pa)

3.3.3 襯砌混凝土早期開裂機(jī)理分析

在混凝土早齡期應(yīng)力應(yīng)變求解的基礎(chǔ)上，利用擴(kuò)展有限元方法對(duì)襯砌混凝土早齡期開裂機(jī)理及特征進(jìn)一步研究。采用能量法則作為初始起裂條件，混凝土斷裂能為110 N/m，采用最大主應(yīng)力原則判斷裂縫擴(kuò)展情況，混凝土28 d抗拉強(qiáng)度值為2 MPa。根據(jù)公式(6)，齡期為1 d時(shí)的混凝土抗拉強(qiáng)度取為1.1 d時(shí)抗拉強(qiáng)度計(jì)算值0.19 MPa。

不同齡期下襯砌混凝土的裂縫擴(kuò)展路徑如圖8所示。在0.666 d時(shí)二次襯砌邊墻位置處首先出現(xiàn)了一條水平裂縫，隨著齡期的增長裂縫繼續(xù)延展，0.874 d時(shí)裂縫長度基本穩(wěn)定且達(dá)到最大值12 m，形成連通兩端施工縫的裂縫?，F(xiàn)場(chǎng)中實(shí)際觀察到裂縫的主要發(fā)生位置也位于邊墻處，部分長度可達(dá)12 m。襯砌結(jié)構(gòu)起始開裂點(diǎn)位置，與前述現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果基本吻合見圖9。

圖8 二次襯砌邊墻處裂縫擴(kuò)展路徑

圖9 襯砌結(jié)構(gòu)起始開裂點(diǎn)位置

圖10為二襯混凝土起始開裂點(diǎn)C的應(yīng)力-齡期變化曲線。由圖可知，隨著襯砌混凝土齡期增長，初始開裂點(diǎn)拉應(yīng)力不斷增大，并在0.66 d左右超過混凝土抗拉強(qiáng)度并開裂。二次襯砌混凝土在澆筑后，受到圍巖熱源傳熱及水泥基體系水化產(chǎn)熱影響，使得混凝土溫度迅速升高，同時(shí)混凝土表面處空氣流動(dòng)帶走熱量，使得二次襯砌混凝土內(nèi)部溫度高、表面溫度低，溫度梯度進(jìn)一步產(chǎn)生溫度應(yīng)力；同時(shí)，該隧道埋深較大，因此在圍巖荷載以及溫度應(yīng)力的共同作用下，邊墻位置處早齡期出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，混凝土強(qiáng)度早齡期增長較慢。當(dāng)表面實(shí)際產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于對(duì)應(yīng)齡期的混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致邊墻處產(chǎn)生裂縫，且裂縫在早齡期迅速擴(kuò)展且長度最終趨于穩(wěn)定。

圖10 起始開裂點(diǎn)C拉應(yīng)力增長規(guī)律

4 高地溫隧道保溫隔熱措施研究

4.1 不同巖溫下保溫材料必要性研究

當(dāng)圍巖溫度較低時(shí)，混凝土受溫度應(yīng)力影響較小，此時(shí)在襯砌表面設(shè)置保溫層將增加施工成本；當(dāng)圍巖溫度較高時(shí)，如果不及時(shí)設(shè)置隔熱層層將會(huì)對(duì)早齡期混凝土質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，有必要探究圍巖溫度達(dá)到何種臨界值時(shí)需設(shè)置保溫材料。參考Q/CR 9604—2015《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》[33]規(guī)定，二次襯砌模板拆除時(shí)混凝土內(nèi)部與表面溫度差值不得大于20 ℃，同時(shí)規(guī)定混凝土內(nèi)部開始降溫前不得拆模。因此，將混凝土開始降溫時(shí)刻表面溫度與內(nèi)部溫度差值為20 ℃作為是否設(shè)置保溫層的控制指標(biāo)，當(dāng)溫度差值超過此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)混凝土表面存在較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

考慮40～90 ℃的6種圍巖溫度，分析襯砌混凝土溫度場(chǎng)分布。如圖6(a)所示，選取二次襯砌內(nèi)部特征點(diǎn)A與表面特征點(diǎn)B，分析不同情形下節(jié)點(diǎn)時(shí)程變化曲線。

由圖11可以看出，不同巖溫下二次襯砌表面節(jié)點(diǎn)、內(nèi)部節(jié)點(diǎn)變化趨勢(shì)基本相同，均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。水化放熱會(huì)顯著提高混凝土溫度和二襯內(nèi)外表面溫差。由于襯砌內(nèi)部節(jié)點(diǎn)緊靠圍巖，外部節(jié)點(diǎn)受隧道通風(fēng)降溫影響，襯砌內(nèi)部溫度始終高于襯砌表面。若內(nèi)外溫差過大，則可能導(dǎo)致混凝土開裂，需要進(jìn)一步研究圍巖溫度與二襯混凝土內(nèi)外溫度差的關(guān)系。

圖11 不同巖溫下特征節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

如圖12所示，考慮混凝土水化熱和不考慮混凝土水化熱兩種工況下，圍巖溫度與襯砌內(nèi)部溫度下降時(shí)刻的特征節(jié)點(diǎn)溫度差值均呈線性變化規(guī)律，對(duì)曲線采用線性公式擬合可以獲得二襯內(nèi)外節(jié)點(diǎn)溫度差值與圍巖溫度關(guān)系的擬合表達(dá)式為

圖11 不同巖溫下特征節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

TD=0.42T-6.77

(7)

TN=0.45T-12.53

(8)

式中：TD為考慮水化放熱時(shí)襯砌內(nèi)部溫度下降時(shí)刻的特征節(jié)點(diǎn)溫度差值；TN為不考慮水化放熱時(shí)襯砌內(nèi)部溫度下降時(shí)刻的特征節(jié)點(diǎn)溫度差值。

Q/CR 9604—2015《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》[33]中指定溫度差值為20 ℃，將其代入式(7)和式(8)，可以算得此時(shí)圍巖溫度分別為63 ℃和72 ℃，說明高地溫和混凝土早期水化放熱耦合會(huì)導(dǎo)致混凝土更易產(chǎn)生溫度裂縫，實(shí)際工程中需考慮混凝土水化放熱對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的不利作用。當(dāng)圍巖溫度低于63 ℃時(shí)一般襯砌混凝土澆筑后內(nèi)外溫度差值不會(huì)超過規(guī)范要求；當(dāng)圍巖溫度高于63 ℃時(shí)則需采用設(shè)置隔熱層等施工措施，以確保拆模時(shí)混凝土內(nèi)外溫度差值符合規(guī)范要求，同時(shí)避免襯砌表面發(fā)生開裂。

4.2 保溫隔熱層對(duì)控制混凝土早期開裂的有效性

數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)圍巖溫度達(dá)到時(shí)63 ℃襯砌內(nèi)外溫差超過規(guī)范值，此時(shí)襯砌混凝土存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)高地溫段襯砌混凝土開裂尤為嚴(yán)重，因此研究高地溫段襯砌混凝土抗裂措施具有重要意義。目前，高地溫隧道施工中多通過設(shè)置保溫隔熱層降低熱量傳遞對(duì)混凝土的影響，國內(nèi)外典型高地溫隧道保溫隔熱方案見表2[33]。常用的保溫隔熱材料中，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)很低，并且具備良好的經(jīng)濟(jì)性能。實(shí)際工程中保溫隔熱層厚度一般為0.05 m，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料材料熱力學(xué)參數(shù)見表3[34]。

表2 國內(nèi)外典型高地溫隧道保溫隔熱方案

表3 硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料熱力學(xué)參數(shù)

如圖13所示，隧道中保溫隔熱層的布置方式包括貼壁式和夾心式。本研究分別設(shè)置厚度0.05 m的貼壁式和夾心式硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料材料保溫隔熱層，計(jì)算兩種隔熱方案下二襯混凝土溫度場(chǎng)情況。

圖13 隧道常用保溫隔熱層方案

圖14展示了二次襯砌施工時(shí)未設(shè)置保溫隔熱層及設(shè)置保溫隔熱層時(shí)的特征節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線。未設(shè)置貼壁式保溫隔熱層時(shí)，襯砌內(nèi)部特征節(jié)點(diǎn)與表面特征節(jié)點(diǎn)溫度差值超過30 ℃。采用保溫隔熱方案后，表面節(jié)點(diǎn)與內(nèi)部節(jié)點(diǎn)溫度差值較小，兩種保溫隔熱層方案中二襯內(nèi)外表面最大溫差均為15 ℃左右。由于保溫隔熱層的導(dǎo)熱系數(shù)很低，貼壁式隔熱層會(huì)使襯砌混凝土表面熱量難以隨隧道內(nèi)通風(fēng)散去，因此襯砌混凝土內(nèi)外溫差不大，導(dǎo)致二襯混凝土長期處于與地溫相近的高溫環(huán)境，不利于其耐久性；而夾心式保溫隔熱層的存在會(huì)使圍巖熱源傳遞的熱量、水泥水化產(chǎn)熱未傳遞到二襯混凝土；同時(shí)，兩種方案均能有效隔離圍巖溫度傳遞到隧道運(yùn)營環(huán)境中，有效提高了隧道環(huán)境的舒適度和通風(fēng)效果。

圖14 不同隔熱措施時(shí)二襯內(nèi)外特征節(jié)點(diǎn)溫差時(shí)程曲線

此外，雖然兩種保溫隔熱方案均能顯著降低二襯內(nèi)外表面溫差，但由前述結(jié)果可知，若不采用保溫隔熱措施，襯砌混凝土齡期為1 d時(shí)，二襯內(nèi)外溫差就已超過20 ℃并誘發(fā)開裂，此時(shí)二襯混凝土尚未脫模，設(shè)置貼壁式保溫隔熱層施工存在較大的難度，同時(shí)會(huì)干擾模板臺(tái)車的正常使用；而夾心式保溫隔熱層在二襯澆筑前即可設(shè)置，有利于隧道施工組織。

圖15為無保溫隔熱層與設(shè)置夾心式保溫隔熱層兩種工況下二次襯砌應(yīng)力場(chǎng)分布結(jié)果及裂紋擴(kuò)展情況。其中未設(shè)置保溫隔熱層工況下，二襯應(yīng)力場(chǎng)云圖中存在灰色區(qū)域，表明該區(qū)域拉應(yīng)力超過設(shè)置夾心式隔熱層工況中二襯最大拉應(yīng)力，同時(shí)邊墻處出現(xiàn)水平裂縫。而采用夾心式保溫隔熱層后，最大拉應(yīng)力仍出現(xiàn)在隧道邊墻位置，但二襯受力明顯減小，最大拉應(yīng)力由1.089 MPa減小至0.648 MPa，無裂縫產(chǎn)生。

裂紋擴(kuò)展對(duì)比結(jié)果表明：未設(shè)置保溫隔熱層時(shí)，邊墻位置在早齡期出現(xiàn)水平裂縫并迅速擴(kuò)展，隨著裂縫長度縱向連通襯砌施工縫后趨于穩(wěn)定；設(shè)置保溫隔熱層后，二次襯砌表面早齡期始終未產(chǎn)生裂縫。采用夾心式保溫隔熱措施可以有效避免襯砌混凝土表面開裂。

圖15 無保溫隔熱層與設(shè)置夾心式保溫隔熱層時(shí)應(yīng)力場(chǎng)與裂縫擴(kuò)展比較(單位：Pa)

5 結(jié)論

(1)本文建立了考慮混凝土早齡期溫度-濕度-應(yīng)力多場(chǎng)耦合的數(shù)值計(jì)算模型，該模型可以模擬多場(chǎng)耦合作用下混凝土動(dòng)態(tài)開裂過程，為高地溫環(huán)境下隧道混凝土結(jié)構(gòu)早齡期開裂研究提供了理論依據(jù)與方法。

(2)該隧道所遭遇超高地溫在我國隧道修建中都是極為罕見的，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明圍巖溫度可達(dá)88 ℃以上。該高地溫段1#橫洞襯砌混凝土存在開裂現(xiàn)象，裂縫主要集中在左右邊墻處，其他部位僅見少量微小裂縫，裂縫形態(tài)以長度連通襯砌兩端施工縫的表面縱向裂縫為主，其寬度與深度均較小。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果表明，考慮混凝土早齡期水化放熱，當(dāng)圍巖溫度達(dá)到63 ℃時(shí)，襯砌內(nèi)外溫差會(huì)超過規(guī)范要求的20 ℃溫度差值控制標(biāo)準(zhǔn)，襯砌混凝土存在開裂風(fēng)險(xiǎn)；如果不考慮混凝土早齡期水化放熱，圍巖溫度達(dá)到72 ℃時(shí)，襯砌內(nèi)外溫差才超過規(guī)范值。因此，實(shí)際工程中應(yīng)同時(shí)考慮高地溫圍巖和混凝土水化放熱耦合效應(yīng)對(duì)混凝土力學(xué)性能的不利作用。

(4)高地溫隧道中采用保溫隔熱措施可有效防控早齡期襯砌混凝土開裂。本文分析表明設(shè)置0.05 m厚的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫隔熱層方案，可以有效避免襯砌混凝土表面開裂，而采用夾心式保溫隔熱層比表貼式保溫隔熱層更有利于隧道施工組織，同時(shí)可避免襯砌混凝土長期處于高溫狀態(tài)。