大型地下洞室衬砌混凝土温控防裂研究

段　寅，胡中平，罗立哲

(长江勘测规划设计研究院， 湖北 武汉 430010)

大型地下洞室衬砌混凝土温控防裂研究

段寅，胡中平，罗立哲

(长江勘测规划设计研究院， 湖北 武汉 430010)

摘要：随着现代地下工程规模不断增大，地下工程混凝土温控防裂问题也越来越突出，需引起更多重视。采用有限元法对地下洞室衬砌结构进行施工期温度及温度应力仿真，重点对衬砌厚度、分缝长度、围岩弹模及约束情况、洞室气温等进行敏感性分析，归纳影响地下洞室衬砌结构温度裂缝产生的主要因素。结果表明，结构分块尺寸及约束条件等对衬砌结构温度应力影响较大，施工过程中应根据需要采取适当温控措施降低最高温度、减小结构约束情况，进而减小温度应力，以提高地下洞室衬砌结构抗裂安全。

关键词：地下工程；衬砌混凝土；温度裂缝；温控仿真

目前，国内外有关混凝土温度控制的研究主要集中在大坝等大体积混凝土[1-6]，而地下工程混凝土(地下厂房、泄洪洞、导流洞等)温度控制相关研究较少[7-10]，也缺乏较为统一的温控标准和温控手段。近些年随着现代地下工程规模不断增大，高标号、大体积混凝土的大量使用，对混凝土的结构强度和安全性能要求越来越高，地下工程混凝土温控防裂问题也越来越突出[11-13]。特别是对于岩锚梁、尾水管、泄洪洞等部位，混凝土标号高，约束强，早期最高温度若控制不当，极易产生裂缝。过宽的裂缝会导致构件钢筋的锈蚀，降低结构耐久性；并且，带裂缝的钢筋混凝土构件会在各种作用下产生过大的变形，影响结构的正常使用，特别是对于泄洪洞等过水建筑物，在高速水流冲蚀作用下，会进一步加速结构破坏，极大危害结构自身的稳定与安全。地下工程混凝土温度裂缝的防治需引起足够的重视。

本文结合地下工程结构主要特点，通过系统的敏感性分析研究，归纳影响施工期温度裂缝产生的主要因素，并对控制温度及温度应力的主要温控措施进行研究，有效提高地下洞室衬砌结构抗裂安全性，提升地下工程设计的整体水平。

1计算分析模型及参数选取

与大坝大体积混凝土不同的是，地下工程结构多为薄壁或细长型混凝土结构，受围岩约束更强；且混凝土标号高，水泥用量大，结构配筋多；另外，地下洞室内温度环境相对稳定。这些特点有些利于温控防裂，有些又对防裂不利[14-15]。本文通过系统的有限元计算分析[1,4-6]，以掌握地下工程混凝土温控特点及主要影响因素。

图1给出一城门洞形混凝土衬砌结构模型。一般来说，尺寸较大的衬砌结构往往会分层浇筑，为简化起见，本次分析取衬砌结构的单个浇筑块进行比较。

图1混凝土浇筑块模型

计算中主要参数及边界条件参考某工程取值如下：

主要尺寸参数：浇筑块厚度H=1.5 m；浇筑块分缝长度L=12 m。

主要边界条件：洞室温度环境25℃；地基温度25℃；地基弹模30 GPa。

主要温控措施：浇筑温度22℃；无通水冷却。

混凝土主要热力学参数值见表1、表2。

表1　混凝土主要热学参数

表2　混凝土主要力学参数

2衬砌结构温度应力主要影响因素

2.1　衬砌厚度敏感性分析

衬砌结构优点是散热快，但同时它对温度变化也更为敏感，受地基约束也更为强烈。图2、图3给出0.6 m～2.0 m不同衬砌厚度混凝土最高温度及最大拉应力沿深度分布，表3给出不同衬砌厚度敏感性分析成果汇总，其中，Tmax代表混凝土内部最高温度，σmax代表混凝土最大拉应力值，K为混凝土抗裂安全系数，取εE/σ及Rt/σ中的小值，结果表明：

表3　不同衬砌厚度敏感性分析成果

图2　不同深度下最高温度分布图

图3不同深度下最大拉应力分布图

(1) 衬砌厚度增大，结构整体最高温度增高，且在厚度方向中间部位增加最为明显。其中，衬砌厚度在0.6 m～1.5 m时，衬砌厚度每增加0.1 m，最高温度增加1.4℃～0.9℃。而最高温度每增加1℃，内部最大拉应力约增加0.11 MPa，增幅相对较大。

(2) 衬砌厚度0.6 m～1.2 m时，抗裂安全系数能达到2.0以上，当衬砌厚度达到1.5 m甚至更大时，抗裂安全系数仅为1.7甚至更低，开裂风险大大增加，此时需要采取一定温控手段降低混凝土内部最高温度。

2.2　分缝长度敏感性分析

分缝长度变化主要影响混凝土拉应力结果，表4给出混凝土分缝长度L为6 m～24 m各工况敏感性分析成果，结果表明，浇筑块长边尺寸增大，在相同温度条件下会产生更大的温度应力。当L达到12 m以上，即L/H达到8以上时，内部最大应力增大至2.34 MPa以上，抗裂安全系数达到1.7以下。施工过程中应控制分缝长度在9 m～12 m以内，特殊部位应更低。

表4　不同分缝长度敏感性分析成果

2.3　围岩弹模敏感性分析

为比较不同围岩弹模对混凝土温度应力的影响程度，采用有限元法对10 GPa～40 GPa的围岩弹模进行敏感性分析，表5给出不同围岩弹模工况敏感性分析成果汇总。结果表明，由于地下工程混凝土结构较薄，围岩弹模的变化会影响结构整体的应力情况。围岩弹模每增加10 GPa，结构各深度范围混凝土最大应力增加约0.15 MPa，增幅约达6%。

表5　不同围岩弹模敏感性分析成果

2.4　围岩约束敏感性分析

地下工程混凝土结构约束复杂，对于一个浇筑块，除底面受基础约束以外，侧面也往往会受到基础或老混凝土约束。表6给出不同围岩约束情况敏感性分析成果，与侧面无约束情况相比，侧面受约束时应力增大约达5%～14%，且约束面越多，相同温差情况下所产生的温度应力越大。施工中对于混凝土块约束较强情况，施工期温度应从严控制。

表6　不同环境温度敏感性分析成果

2.5　洞室气温敏感性分析

在地下洞室的衬砌混凝土施工过程中，对温度场和温度应力造成直接影响的环境温度主要是洞室气温，不考虑太阳辐射影响。表7给出20℃～35℃洞室气温敏感性分析成果汇总，结果表明，洞室环境温度每增加1℃，内部最高温度增加约0.2℃，内部最大应力变化不到1%，表明内部最大温度应力受环境温度影响相对较小。

表7　不同环境温度敏感性分析成果

3主要温度控制措施研究

3.1　通水冷却

实际工程中，衬砌较厚的地方需施加通水冷却等温控措施。表8给出考虑通水冷却作用下不同衬砌厚度敏感性分析成果。与表3结果相比，通水后结构的最高温度得到有效控制，衬砌厚度越大，降温效果越明显，最大应力也得到明显降低，安全系数大幅提升。

表8　通水冷却作用下不同衬砌厚度敏感性分析成果

3.2　浇筑温度

控制混凝土浇筑温度是工程中常用且较为有效的温控手段。为比较不同浇筑温度对混凝土最高温度及温度应力的影响程度，采用有限元法对16℃～28℃的浇筑温度进行敏感性分析，表9给出不同浇筑温度工况敏感性分析成果汇总，计算结果表明：浇筑温度的高低对衬砌内部最高温度及最大拉应力影响极大。无通水情况下，浇筑温度每增加1℃，内部最高温度增加约0.65℃，最大拉应力增加约0.08 MPa；有通水情况下，浇筑温度每增加1℃，内部最高温度增加约0.60℃，相应地最大拉应力增加约0.10 MPa。

表9　不同浇筑温度敏感性分析成果

降低浇筑温度以及增加通水冷却均能有效降低衬砌混凝土内部最高温度，提高抗裂安全系数。施工过程中应根据具体情况，采取适当温控措施，保证地下洞室衬砌结构施工期抗裂安全。

4结论

研究表明，对于地下工程衬砌结构，结构尺寸、形状、基础约束等条件对衬砌结构温度及温度应力影响较大，而洞室环境温度等也有一定影响。降低混凝土最高温度、降低结构约束是减小温度应力、提高地下工程结构抗裂安全最有效的手段，施工过程中应主要从以下几个方面着手：(1) 温差控制上，以控制最高温度为主，在混凝土浇筑过程中通过增加初期通水冷却，降低浇筑温度、降低洞内环境温度等能有效降低最高温度及温度应力；(2) 约束控制上，合理的分缝分块、控制各边尺寸比有助于减小约束系数。

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DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.04.021

收稿日期：2015-02-05修稿日期：2015-03-24

基金项目：湖北省博士后创新岗位资助项目

作者简介：段寅(1986—)，男，湖北武汉人，博士，主要从事大体积混凝土温度控制方面的工作。 E-mail:duanyin0224@126.com

中图分类号：TV315

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2015)04—0107—04

Study on Temperature Control and Crack Prevention for Lining Structure of Underground Engineering

DUAN Yin, HU Zhongping, LUO Lizhe

(ChangjiangInstituteofSurvey,Planning,DesignandResearch,Wuhan,Hubei430010,China)

Abstract：As the increase of underground construction scales, the concrete temperature control of underground construction becomes a more outstanding problem demarding more attention. Here, the finite element method was adopted to simulate the temperature and thermal stress of the construction period for the underground concrete lining structure with the emphasized analysis of the thickness of the lining, the length of the parting, elastic modulus of the surrounding rock, constraint conditions, and cavity temperature. And then the main factors that affected lining structure temperature crack during the construction of underground engineering were summed up according to the analysis. The results indicate that the structure unit size and constraint conditions significantly affect the thermal stress of the structure. Thus, it's necessary to take appropriate temperature control measures based on the actual situation, to reduce the temperature and thermal stress and improve the anti-cracking safety for the lining structure of the underground engineering.

Keywords:underground engineering; lining concrete; temperature crack; temperature control simulation