大直径超深圆竖井内衬逆顺结合作法施工过程温度应力研究

于书萍，张忠举，欧阳海滨，王振红

(1.北京江河中基工程咨询有限公司，北京 100073；2.中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 611830；3.中国水利水电科学研究院结构材料研究所，北京 100038)

0 引 言

为了解决城市生活生产缺水问题，水资源配置工程建设速度逐渐加快，基坑开挖深度越来越深，工程规模和技术难度也越来越大，保证工程建设质量并提高供水保证程度显得尤其重要。目前，基坑工程的施工方案按照其开挖顺序可分为顺作法和逆作法[1]。孟伟波等[2]采用有限元软件分别对基坑工程顺作法和逆作法施工过程进行数值模拟，根据工程实测数据分析不同施工方案对基坑变形的影响规律。研究表明，两种方法各有利弊，如何将顺作法和逆作法合理结合应用到工程实际建设中成为研究的重点[3-4]。

竖井内衬混凝土厚度较小，属于薄壁结构，结构形式和受力条件复杂，施工期容易出现裂缝[5-7]。近年来，工程界对于衬砌等薄壁结构的温控防裂研究成果显著。王振红等[8]研究了混凝土薄壁结构裂缝形成机理，提出水管冷却、表面保温等温控措施。樊启祥等[9]结合三峡、溪洛渡、向家坝等工程，研究了降低浇筑温度、优化通水冷水参数和流水养护等温控防裂效果。但目前对于大直径超深圆竖井采用逆-顺结合作法施工内衬混凝土的温度应力研究较少。

本文以珠三角水资源配置工程中的典型大直径超深圆竖井为例，根据结构上的特点将其内衬混凝土划分为内衬墙、洞门墙和底板3个部分，使用三维有限元程序SAPTIS[10]，采用逆-顺结合施工方法，在上部内衬墙部分采用逆作法，下部底板及洞门墙部分采用顺作法，基于内衬混凝土施工方案，对内衬结构施工过程进行数值模拟，研究内衬墙、洞门墙和底板温度、应力发展情况，总结规律和特点，为类似工程提供经验和建议。

1 工程概况

1.1 工程简介

珠江三角洲水资源配置工程由“一条干线、二条分干线、一条支线、三座泵站、四座交水水库”组成[11]，工程输水线路总长113.2 km，多年平均引水量17.87亿m3。工程从佛山市顺德区杏坛镇的西江水系向东引水至珠江三角洲东部，主要向广州南沙区、深圳市和东莞市的缺水地区供水。该工程A2标段输水隧洞埋深为60.8 m，采用盾构法施工。LG03号井为2台盾构机始发井，为外径35.9 m圆形竖井，开挖深度为73.98 m，采用地下连续墙+混凝土内衬墙支护方案。盾构井内衬墙采用逆作法施工，洞门墙及底板采用顺作法。地下连续墙厚1.2 m，深77.3 m，嵌入井底；逆作法内衬墙厚1.2～1.5 m，衬砌后直径分别为31.1 m和30.5 m；洞门墙厚4.0 m，底板厚4.0～6.5 m。盾构井体形结构见图1。

图1 盾构井体形结构(单位：m)

1.2 工程地质

根据钻孔揭露，井身上部为冲积层，厚30 m左右，包括②-2淤泥、②-4淤质黏土层、③-1粉质黏土层、③-3泥质中细砂、③-4泥质中粗砂、③-5含泥砂卵石层等；其下为厚约19 m的强风化泥质粉砂岩(Ⅳ类)，高程-47 m以下至井身底部为厚约25 m的弱风化泥质粉砂岩(Ⅲ类)。从上到下各地层参数见表1。

表1 地层参数特性

2 逆-顺结合作法施工模拟

2.1 模型建立

数值模拟采用三维有限单元法计算，结合本工程实际情况，综合考虑盾构井周边工程地质分布情况，取模型范围为长150 m、宽150 m、深150 m，计算模型如图2所示，模型单元数122 332，结点数133 132。模型包括地下连续墙、内衬墙、洞门墙、底板和一定范围的地基。计算单元为空间六面体等参单元。应力场的边界条件：地基四周采用法向约束，地基底面采用全约束。温度场的边界条件，井内的混凝土边界采用第三类热力学边界，并采用实测的环境温度。

图2 盾构井三维有限元计算模型

2.2 施工工序

结合井身结构布置，内衬混凝土采用逆-顺结合作法从上往下施工，每挖完一层，及时进行内衬结构施工，使地下连续墙和内衬墙形成联合受力体，保障结构施工安全。内衬施工共分16层，高程-53.78～2.92 m采用逆作法施工，除第1层压顶梁施工层高2.7 m以外，第2～13层内衬墙层高4.5 m；高程-70.38～-53.78 m采用顺作法施工，包括底板和洞门墙。施工工序见图3。

图3 施工工序示意

2.3 计算参数

(1)地基计算参数。根据工程地质分布情况，仿真计算时，高程-47 m以上地基弹模取值为0.03～8.0 GPa；高程-47 m以下地基弹模取值为10.23 GPa。

(2)混凝土计算参数。内衬混凝土采用C30混凝土，热、力学计算参数见表2。

表2 内衬混凝土热学和力学参数

2.4 内衬混凝土施工方案

2.4.1 内衬墙

浇筑温度。4月～10月不高于25 ℃，11月～翌年3月为月均气温+3 ℃，但不高于18 ℃。

通水冷却。水管间距1.0 m×1.0 m(水平排距×竖直层距)，冷却时间5～7 d，通水水温20 ℃，通水流量2.1～2.4 m3/h。每24 h改变一次通水方向。

表面保温。保温系数β=5 kJ/(m2·h ·℃)，保温时间是4 d龄期后，保温时间不少于28 d。

2.4.2 洞门墙

浇筑温度。4月～10月不高于23 ℃，11月～翌年3月为月均气温+3 ℃，但不高于18 ℃。

通水冷却。水管间距1.0 m×0.75 m(水平排距×竖直层距)，冷却时间5～8 d，通水水温20 ℃，通水流量2.1～2.4 m3/h。每24 h改变一次通水方向。

表面保温。保温系数β=5 kJ/(m2·h ·℃)，保温时间是4 d龄期后，保温时间不少于28 d。

2.4.3 底板

浇筑温度。4月～10月不高于23 ℃，11月～翌年3月为月均气温+3 ℃，但不高于18 ℃。

通水冷却。水管间距1.0 m×0.75 m(水平排距×竖直层距)，冷却时间5～8 d，通水水温20 ℃，通水流量2.1～2.4 m3/h。每24 h改变一次通水方向。

表面保温。保温系数β=5 kJ/(m2·h·℃)，保温时间是4 d龄期后，保温时间不少于28 d。

3 数值模拟结果分析

内衬混凝土内部最高温度和拉应力与开挖深度关系曲线见图4。由图4可知，受浇筑季节、环境气温和结构几何尺寸影响，高温季节浇筑的混凝土最高温度高，内衬墙第2～10层混凝土内部最高温度明显高于其他部位，最高温度达到46 ℃。低温季节浇筑的混凝土最高温度低，内衬墙第11～13层、底板和洞门墙均在低温季节浇筑，这些部位的最高温度不超过43 ℃；内衬墙从第6层开始，墙体厚度从1.2 m增加至1.5 m，浇筑温度高，最高温度高，同时受地下连续墙约束作用，在第7～10层中出现了较大的温度应力，施工浇筑后60 d龄期拉应力达到5 MPa，最大温度应力出现在靠近内衬中间的位置。底板和洞门墙地温季节浇筑，最高温度较低，基础温差小，故相较于内衬墙，其拉应力有所降低。

图4 内衬混凝土内部最高温度和拉应力与开挖深度关系曲线

在盾构井整体施工中，随着高程的降低，环境温度日均变幅减小以及结构体型的改变，温控难度逐步下降，内衬墙厚度较小，受地下连续墙约束和气温变化影响较大，在高温季节浇筑的部位开裂风险较大。洞门墙和底板距离地表较远，环境气温低，变化慢，开裂风险小。

3.1 内衬墙温度应力分析

选取第7层混凝土内衬墙内部中间点和表面点进行分析。图5为内衬墙内部点和表面点温度和应力变化曲线，图6为盾构井纵剖面与水平剖面温度和应力包络图。根据图5和图6，内衬墙混凝土浇筑时间为9月，根据施工方案，高温季节浇筑温度不超过25 ℃，采取通水冷却措施，内衬墙内部和表面最高温度分别为45.74 ℃和41.52 ℃，均在第3 d龄期时达到，随后温度在环境温度和通水冷却作用下持续降低，施工浇筑后60 d龄期温度降至24.74 ℃和22.56 ℃，降温速率约为0.28 ℃/d。内衬墙厚1.5 m，在地下连续墙约束和温降收缩共同作用下，此时内衬墙混凝土内部和表面拉应力分别为4.66 MPa和4.87 MPa，抗裂安全系数分别为1.07和1.02，安全富裕度不大，有开裂风险。由强度曲线可知，内衬墙的混凝土强度发展迅速，早龄期可以承受较大的降温速率，施工时可考虑适当延长通水冷却时间或者对结构进行分缝。

图5 内衬墙内部点和表面点温度和应力变化曲线对比

图6 盾构井纵剖面与水平剖面温度和应力包络图(单位：温度℃，应力0.01 MPa)

3.2 洞门墙温度应力分析

图7为洞门墙内部点和表面点温度和应力变化曲线，图8为盾构井洞门墙水平剖面温度和应力包络图。由图7、8可知，洞门墙混凝土浇筑时间为1月，根据施工方案，低温季节浇筑温度不超过18 ℃，采取通水冷却措施，洞门墙内部和表面最高温度分别为42.42 ℃和41.68 ℃，均在第3 d龄期时达到，随后温度在环境温度和通水冷却作用下持续降低，施工浇筑后60 d龄期温度降至28.43 ℃和22.65 ℃，降温速率约为0.23 ℃/d。洞门墙厚4.0 m，在地下连续墙约束和温降收缩共同作用下，此时洞门墙混凝土内部和表面拉应力分别为3.59 MPa和2.97 MPa，抗裂安全系数分别为1.38和1.67。模拟结果表明，除内衬墙和洞门墙的粘结处表现了较大的温度应力外，目前的施工方案下洞门墙开裂风险较低。

图7 洞门墙内部点和表面点温度和应力变化曲线对比

图8 盾构井洞门墙水平剖面温度和应力包络图(-56.28 m高程)(单位：温度℃，应力0.01 MPa)

3.3 底板温度应力分析

图9为底板内部点和表面点温度和应力变化曲线，图10为盾构井底板纵剖面温度和应力包络图。由图9、10可知，底板混凝土浇筑时间为12月，根据施工方案，低温季节浇筑温度不超过18 ℃，采取通水冷却措施，底板内部和表面最高温度分别为42.38 ℃和39.68 ℃，均在第3 d龄期时达到，随后温度在环境温度和通水冷却作用下持续降低，施工浇筑后60 d龄期温度降至31.08 ℃和22.96 ℃，降温速率约为0.19 ℃/d。底板浇筑层厚3.0 m，在下层底板混凝土和温降收缩共同作用下，此时底板混凝土内部和表面拉应力分别为3.17 MPa和3.53 MPa，抗裂安全系数分别为1.57和1.41。模拟结果表明，除洞门墙和底板的交界处表现了较大的温度应力外，目前的施工方案下底板开裂风险较低。

图9 底板内部点和表面点温度和应力变化曲线对比

图10 盾构井底板纵剖面温度和应力包络图(单位：温度℃，应力MPa)

4 结 论

(1)对内衬混凝土采用逆-顺结合施工过程进行数值模拟，根据施工方案要求，内衬墙、洞门墙和底板内部最高温度分别为45.74、42.42、42.38 ℃，降温速率分别为0.28、0.23、0.19 ℃/d，施工浇筑后60d龄期拉应力分别为4.66、3.59、3.17 MPa，抗裂安全系数分别为1.07、1.38和1.57。

(2)在盾构井整体施工中，随着高程的降低，环境温度日均变幅减小以及结构体型的改变，温控难度逐步下降，内衬墙厚度较小，受地下连续墙约束和气温变化影响较大，在高温季节浇筑的部位开裂风险较大，施工时应重点关注。

(3)对于内衬墙在做好保温措施延缓降温速率前提下，可考虑适当延长通水冷却时间或者对结构进行分缝释放温度应力。受到施工工序和间歇期的影响，在结构突变连接处，如内衬墙和洞门墙粘结处及洞门墙和底板交界处均出现了较大温度应力，可能出现裂缝，应加强这些部位的观测。