某超深井大体积混凝土止浆垫施工期温度场仿真分析与施工控制措施

叶平先汲生伟

（1.金诚信矿山设计院有限公司；2.航天建筑设计研究院有限公司）

大体积混凝土温度裂缝的产生主要受水泥水化热、浇筑温度与外界气温、混凝土的收缩变形以及约束条件的影响［1-5］。在-1 188 m 超深井治水中，由于受到地热影响，井筒中环境温度高达39 ℃，地下水温度达到43 ℃。高温高湿环境是超深竖井大体积混凝土施工的一大难题，如果不重视大体积混凝土的水化热问题，不仅会给止浆垫带来安全隐患，也会造成工期、人工和建设资金的浪费，更会导致治水工作前功尽弃。

1 工程概况

该超深井为某矿山采矿副井，位于我国东部某地。工程设计井深为-1 600 m，在施工到-1 188 m时，遇到高压高温地下水，涌水量约为120 m3/h，水温度达到40 ℃。止浆垫用于深井施工遭遇涌水时治水的临时措施，由大体积素混凝土制成，外形为圆台体，顶部直径为8.2 m，底部尺寸为13.8 m，高15 m，混凝土浇筑量约为1 450 m3，要求连续浇筑一次性完成施工。表1 为本工程所采用的混凝土配合比，表2 为混凝土和基岩的热力学参数，表3为水泥水化热检测结果。

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2 有限元模型建立

2.1 基本假定

假定混凝土结构为均质体，各单元放热速率相同；忽略外界环境差异，假定混凝土表面的放热系数为定值；假定混凝土浇筑的初始温度相同；忽略冷却管的体积，只考虑其冷却效用。

2.2 混凝土绝热温升计算

根据水泥水化热检测结果数据，按照《大体积混凝土施工标准》（GB 50496—2018）提供的计算方法，计算水泥总水化热及绝热温升，混凝土的绝热温升与龄期变化曲线见图1，最高升温出现在第15 天，T（15）=26.5 ℃。

2.3 模型的建立

由于止浆垫结构的对称性，结合工程实际情况，在Midas 中建立1/4 模型进行建模和分析。为方便操作和提高计算效率，将止浆垫模型简化为直径5.5 m、高15 m 的圆柱体；止浆垫周边基岩取6.0 m 厚，高度取27 m（止浆垫顶面、底面各取6 m），来模拟周围环境。考虑水冷却时，在中心布置主冷却管1 根，水流量为60 m3/h；布置辅管1 根，水流量为12 m3/h。根据水冷管布置位置，选择相应的节点并赋予其初始水温为40 ℃，水流从止浆垫底部流入，从顶部流出。有限元模型中，基岩网格尺寸为1.0 m，止浆垫、止浆垫正下方及与其侧壁接触部分基岩网格尺寸为0.5 m，整个模型总共划分9 241 个节点和8 208 个实体单元。图2为止浆垫模型，图3为基岩模型。

2.4 模型初始条件

通常情况下，环境温度函数的定义，需考虑外界环境温度随时间的变化。鉴于本工程的特殊性，在-1 188 m 的深井中，受地热影响较大，受地表气温影响甚微，岩石环境初始温度设置为40 ℃。本工程中，考虑到工人在超深井下作业，加强了制冷通风系统进行降温，使井筒工作面环境温度控制在30 ℃；混凝土浇筑过程中，混凝土从井口到浇筑面需要约24 min 的运送时间，整个过程中与周围环境进行热量交换，故止浆垫混凝土顶面初始温度设置为30 ℃，混凝土的入模温度设置为30 ℃。

止浆垫混凝土顶面与空气进行热量对流交换，侧表面及底面与周围基岩相接触，同时进行温度传导［6］。

3 数值仿真分析结果与实测对比

3.1 仿真分析结果

有限元模型分析了无冷却管的温度场以及有冷却管的温度场2 种情况。图4 为无冷却管时温度场分布图，图5 为有冷却管时温度场分布图，图6 为无冷却管时中心与顶部和侧壁表面温差数据，图7为有冷却管时中心与顶部和侧壁表面温差数据。

数值仿真分析结果表明：无冷却管时，在施工后第8～9天中心温度达到最大值，为66.5 ℃。由于处于深井环境且受地热影响，温度达到最高值后，并无明显的降温过程。混凝土内部中心与顶部表面温差达到36.5 ℃，与侧壁表面温差达到26.5 ℃，两者温差均大于25 ℃，均不符合规范要求。有冷却管时，在施工后第7～8 天，中心温度达到最大值，为61.3 ℃。混凝土内部中心温度达到最高值后，存在明显的降温过程。混凝土内部中心与顶部表面温差达到30.2 ℃，与侧壁表面温差达到21.3℃，两者有明显的改善，满足规范要求。虽然混凝土内部中心与顶部表面温差大于25 ℃，但也可以满足止浆垫压力注浆治水要求。

3.2 实测点的布置

为保证施工安全，并积累相关工程经验，根据有限元温度场分析结果，在止浆垫中部偏下位置，即混凝土顶面向下约8 m 的位置等间距设置4 个测温点，取其中最高温度作为混凝土中部的监测温度。

3.3 仿真分析结果与实测对比

图8 为有、无冷却管仿真模拟混凝土中心温度与实际监测数据的对比结果，可以看出，数值仿真分析值与实际监测值能较好地吻合，验证了有限元模型的准确性。实际监测结果在浇筑混凝土后第8天，中心温度达到峰值60.5 ℃。数值仿真分析结果和实际监测值均具有升温速率较快、峰值较为接近、降温速率较慢的特点，符合大体积混凝土水化热放热规律。

4 施工控制措施

根据有限元数值仿真分析的结果，结合以往类似项目施工经验以及本项目具体的实际情况，提出了以下要求。

（1）为降低浇筑强度，施工时应采用“整体分层，薄层施工，循序浇筑，一次成型”的原则进行浇筑。每层混凝土的厚度以30 cm为宜。

（2）采取快插慢拔的方式振捣混凝土，保证其密实性；不断移动振捣棒的位置，保证混凝土的均匀性；将振捣棒插入上一施工面至少10 cm，保证连续浇筑时每层连接密实，不留施工缝。

（3）浇筑混凝土前应在止浆垫内部安装温度监控设施，监测混凝土内部温度，并定时观测、记录混凝土的内外温度。

5 结 语

（1）有限元数值仿真分析结果与实测值吻合较好，可以采用有限元程序对大体积混凝土施工期的温度场进行预测，对施工具有指导意义。

（2）混凝土浇筑后的升温速率非常快，而降温速率则较慢，最高温度持续时间长，需采用合理的降温、控温措施。