喷混凝土水化热对隧道温度场的影响★

程 霖 欧阳杰 赵志明

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044； 2.临策铁路有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010000)

喷混凝土水化热对隧道温度场的影响★

程 霖1欧阳杰1赵志明2

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044； 2.临策铁路有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010000)

实测了武广线马家冲隧道内空气温度，通过计算喷混凝土的水化热，采用数值方法模拟了喷混凝土水化热引起的喷层及围岩的温度改变，计算表明，喷混凝土水化热对温度场有明显影响的深度为1 m，影响的时间主要在喷层施作后5 d，对喷层变形的影响主要在于轴向应变。

隧道，初期支护，水化热，温度场

在隧道支护结构安全性分析中，计算初期支护的内力时要考虑温度改变引起的变形[1,2]。隧道初期支护及围岩温度的改变可由两种原因引起，一是隧道内气温的变化，二是初期支护喷混凝土的水化热。关于隧道内气温的变化，王海彦等[3]从理论上探讨了隧道温度场的分布规律；徐明新等根据理论分析结果和现场实测数据确定了隧道围岩日、月、年温度变化的影响深度，给出了支护温度的计算方法，推导了支护温度变形的计算公式。认为当日间温度差或日内温度差超过5 ℃时，工程中应考虑温度的影响。

1 隧道断面选取

选择武广线马家冲隧道进行具体的温度场计算。该隧道断面为马蹄形，净宽13 300 mm，净高11 180 mm。

初期支护厚28 cm，为C25喷混凝土，掺改性聚酯纤维，掺量为1.2 kg/m3。内衬厚50 cm，为C35防水钢筋混凝土。

2 隧道初期支护水化热温度计算

2.1 有限元建模

隧道温度场可视为平面应变问题，采用ANSYS有限元软件2-D实体单元Plane55来模拟混凝土和围岩。所建模型的边界条件为：1)支护内侧与空气间为对流边界；2)支护外侧与围岩为接触热传递；3)前后两侧均为绝热边界。经过计算，围岩取到5 m的时候最外层的温度值和初始值相差为0.001，可以认为其外边界为绝热边界。从喷混凝土浇筑完开始对隧道支护进行温度场的模拟计算。计算时间为10 d，将每天分为24个时间段。采用多点重启动分析计算24次，以此来描述温度边界条件的变化。

2.2 数值计算结果

采用多点重启动分析计算240次，需要用到的是每一天结束时的温度值，故下面的计算结果都是每一天结束时的计算结果。

由于初期支护厚度不变，且边界条件也一样，支护断面上环向各节点温度变化规律是相同的。选取隧道初期支护拱顶位于同一截面上的第31号,57号，58号，59号和56号节点来考察温度分布和变化规律。31号节点位于拱顶喷层内皮，56号节点位于拱顶喷层外皮，57号，58号，59号节点在31号节点和56号节点间从内向外等间距排列。各个节点温度随时间变化。

3 计算结果分析

隧道初期支护因喷混凝土水化热引起的温度变化有以下几个特点：

1)随喷混凝土水化热的释放，每个节点在喷混凝土龄期为2 d时温度升到最高值，其后温度下降。

2)节点的平均温度，在第1天上升幅度最大，升高了7.1 ℃；在第4天和第5天下降幅度最大，下降了0.9 ℃。

3)喷混凝土水化热使喷层中部的温度较内、外皮增温稍大，这是由于喷层内皮热对流和外皮热传递影响的结果。

4 结语

本文采用数值方法模拟了初期支护喷混凝土水化热对隧道温度场的影响。根据计算结果，可以得到如下研究结论：1)由于水化热引起的喷层内外皮温差不大，只需考虑水化热温度引起的轴向应变，水化热温度引起的喷层的弯曲可以忽略。2)水化热影响喷层温度应力的时间主要在施作后前5天，然后逐渐减弱，10 d后影响可以忽略。3)水化热影响围岩温度场的范围可以深达2 m，但有明显影响的深度只有1 m。

[1] Yang Chengyong,Xu Mingxin,Chen Waifah.Reliability analysis of shotcrete lining during tunnel construction[J].Journal of Construction Engineering and Management,ASCE,2007,133(12):975-981.

[2] 李洪泉，杨成永，徐明新，等.隧道格栅钢架喷混凝土支护安全性评价[J].岩石力学与工程学报，2009，28(S2)：3903-3908.

[3] 王海彦，骆宪龙，杨石柱.隧道围岩温度场变化规律理论分析[J].石家庄铁路职业技术学院学报,2006,5(2):24-29.

The influence of spraying concrete hydration heat to tunnel temperature field★

Cheng Lin1Ouyang Jie1Zhao Zhiming2

(1.CivilEngineeringSchool,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China; 2.LinceRailwayLimitedLiabilityCompany,Hohhot010000,China)

This paper measured the air temperature in Wuhan-Guangzhou line Majiachong tunnel, through the calculation to spraying concrete hydration heat, used the numerical method simulated the spray layer and surrounding temperature changes of caused spraying concrete hydration heat, the calculations showed that the obvious effect depth was 1 m of spraying concrete hydration heat to temperature field, the influence time was 5 days later mainly spray layer, the influence to spray layer deformation mainly lied in axial strain.

tunnel, initial support, hydration heat, temperature field

1009-6825(2015)07-0165-01

2014-12-14 ★：国家自然科学基金项目(项目编号：50978020，51278044)

程 霖(1992- )，男，在读硕士； 欧阳杰(1986- )，男，工程师； 赵志明(1962- )，男，工程师

U451.2

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