隧洞混凝土施工期温度应力分析与监控研究★

王俭奎 赵新铭 胡少伟 陆 俊

(1.南京航空航天大学，江苏 南京 210016； 2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；3.河海大学，江苏 南京 210000)

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隧洞混凝土施工期温度应力分析与监控研究★

王俭奎1赵新铭1胡少伟2，3陆 俊2

(1.南京航空航天大学，江苏 南京 210016； 2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；3.河海大学，江苏 南京 210000)

根据隧洞混凝土温度场和温度应力的有限元计算原理，利用ABAQUS对实际施工过程进行模拟，得到混凝土温度场和温度应力场的分布规律，据此找出实际施工过程中的薄弱部位及需加强监测部位，给出合理的温度监控布置方案。

地铁隧洞，混凝土，温度应力，温度监控

0 引言

近年来，国内外学者对大体积混凝土工程施工期温度应力问题进行了系统而深入地研究，在理论方面和实际工程施工技术等方面，均取得了重大突破和成就[1，8，9]。由于隧洞工程混凝土的厚度较薄，洞内温度变化及环境变化较小等因素，少有学者研究隧洞混凝土施工期的温控问题。而实际表明，在绝大部分的地下工程中，隧洞工程在施工期都出现了不同程度的裂缝。在施工期对混凝土温度场进行动态监测，根据反馈得到的数据，可进一步优化设计、合理安排施工方案，保证施工质量。隧洞工程混凝土施工期监测及温控问题，具有重要的理论意义和实际工程应用价值。

1 热传导理论

在温度场中，考虑均匀的、各样同性的固体，将其划分为多个六面体单元，取其中一个微元体dxdydz(见图1)。在单位时间内，由左侧面流入dydz的热量为qxdydz，从右界面流出的热量为qx+dxdydz，根据热量平衡原理，在时间dt内，流入微分体的净热量为(qx-qx+dx)dydz。

(1)

其中,qx单位为kJ/(h·m2)；λ为导热系数，kJ/(m·h·℃)。

从式中不难看出，qx是T的函数，将其展开成泰勒级数，并只取其前两项，有:

(2)

由此可以得到在单位时间内，由x方向流入微分体的净热量为：

(3)

(4)

其中，θ为绝热温升，℃。

其中，c为比热容，kJ/(kg·℃)；ρ为密度，kg/m3;τ为时间，h。

根据热量的守恒，温度升高所吸收的总热量等于从各方向流入微元体的净热量与内部水化热之和，即：

(5)

经化简可得：

(6)

其中，α为导温系数，m2/h，α=λ/cρ。

以上即为不稳定温度场的热传导方程。

2 工程概况和计算参数

该隧道段断面采用双向矩形断面，钢筋混凝土框架结构，典型断面底板厚900 mm，顶板厚700 mm，侧墙厚700 mm，隧洞净宽6 500 mm，净高6 850 mm，通仓浇筑，混凝土标号为C40。

2.1 混凝土强度与弹性模量

混凝土的强度和弹性模量根据试验测定，其具体数值见表1。

表1 混凝土强度与弹性模量试验值

不同龄期的混凝土弹性模量可用如下公式来表示：

E(t)=33.462×(1-e-0.09t)

(7)

2.2 其他参数

混凝土比热：106 713 J/(kN·℃)；混凝土线膨胀系数试验值：11.01×10-6℃-1；混凝土导热系数：9 627.8 J/(m·hr·℃)；混凝土表面放热系数50.2 kJ/(m2·hr·℃)；混凝土泊松比：0.2。

此外，混凝土绝热温升的拟合表达式为：

θ=50.4×(1-e-0.608τ0.967)

(8)

此外，基坑开挖面以下1 m为砾质粘性土，其参数如下：

粘性土比热：137 800 J/(kN·℃)；粘性土线膨胀系数试验值：1×10-5℃-1；粘性土导热系数：5 400 J/(m·hr·℃)；粘性土变形模量8×106N/m2；粘性土泊松比：0.3。

3 计算结果分析

利用有限元软件ABAQUS对该隧洞混凝土工程的侧墙与顶板进行分析模拟，得到侧墙与顶板的温度曲线(见图2，图4)和温度应力曲线(见图3，图5)。

该隧洞混凝土侧墙最大温度发生在内部中心区域，在1.72 d后升高到最大值，约为41.04 ℃，最高温升高为20.04 ℃，此时里表最大温差为17.02 ℃，满足相关规范要求。施工缝处最高温度为30.82 ℃，相应龄期为16.67 d(即顶板浇筑后1.67 d)。

侧墙的最大温度应力发生在侧墙内部上端的施工缝附近，开始为压应力，浇筑后迅速增至最大值，此后逐渐回落，4 d后变为拉应力，龄期16.13 d(即上层顶板浇筑后1.13 d)时达到最大值1.33 MPa，小于相应龄期的轴拉强度。

顶板温度约2 d增至最大值，此后逐渐回落，10 d趋于稳定。顶板最高温度发生在顶板与侧墙、中墙的连接区内部，其值为44.83 ℃，最高温升为23.63 ℃，相应的龄期为1.67 d，里表温差最大值为21.17 ℃，相应的龄期为1.67 d。

顶板表面的最大主拉应力位于顶板两端的倒角表面，开始为拉应力，浇筑后迅速增至最大值，此后逐渐回落，5 d后变为压应力，并逐渐趋于稳定。最大主拉应力为1.77 MPa，相应龄期为1.67 d(即顶板内部温度最高、里表温差最大的时刻)。

4 温度监测方案布置

在施工期监测中，监测点的设置与埋置时间、传感器的种类、质量和性能等需要相互协调配合，并要注意监测期间监测点的保护与修复工作。在实际的工程测量中，宜采用温度光纤法，该方法是一种全自动化计算机智能测温监控技术，与传统的预留测温孔法(埋置测温管)和热电偶电阻法(如优质铜—康铜热电偶等)比较，方便快捷，准确性高，连续性强。

根据计算分析结果，对该隧洞衬砌混凝土的侧墙及顶板进行监测点的布置，本着工程适用性、代表性和经济性原则，根据结构很好的对称性，只选取其一半进行布设。采用光纤分布式应变和温度传感器来进行温度监控，温度光纤进入衬砌混凝土结构后，根据测点位置进行布设(见图6)。

对侧墙与顶板共选取10个关键测位，其中2号，3号，4号测位分别位于侧墙高度的四等分点上，1号，5号测位分别位于施工缝上、下方的60 mm处；6号，10号测位分别位于顶板与侧墙、中墙连接处中心位置，7号，8号，9号测位分别位于顶板的四等分点上。顶板中每个测位在上、中、下位置3个测点埋置温度光纤，其中上、下测点距顶板内外表面100 mm，测量施工期顶板的表面温度；中间测点位于顶板的中部，测量施工期顶板的中心温度。侧墙中每个测位按左、中、右位置各埋置3个测点，其中左、右测点距侧墙内外表面100 mm，测量混凝土施工期侧墙的表面温度；中间测点位于侧墙的中部，测量施工过程中侧墙的中心温度。

此外，根据相关规范规定，混凝土温度控制指标应符合以下要求：任一时间、任一截面处内外最大温差不得高于25 ℃；降温速度低于3 ℃/d；揭开保温层时，内外温差应小于15 ℃。

5 结语

1)受新浇筑混凝土的水化热温升的影响，混凝土内部的最大主拉应力位于侧墙上端施工缝处。虽然该温度场产生的最大主拉应力小于相应龄期的轴拉强度，但在实际施工过程中也要对施工缝处的温度和应力足够重视，并宜加强监测。

2)通过分析可知，顶板两端倒角处、顶板施工缝处容易产生表面裂缝；侧墙的施工缝处、顶板施工缝处易产生内部裂缝。

[1] 韩 刚.大型隧洞衬砌混凝土施工期及运行期温控分析[D].西安：西安理工大学，2009.

[2] 刘 伟，贾 俊，王 豪，等.锦屏水电站洞室群衬砌裂缝成因分析[J].价值工程，2011(2):198-199.

[3] 陈 智，禹化伟.铁路山岭隧道二次衬砌贯穿裂缝的预防[J].铁道工程学报，2010，142(7):60-63.

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[5] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1999.

[6] 李忠良，孟秋丽.大体积混凝土计算机智能化温度监控施工分析[J].中国科技信息，2012(15)：90-91.

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[9] Hirofumi Takayama,Masaichi Nonomura,Yasuo Masuda.Study on cracks control of tunnel lining concrete at an early age[C].The 4th Dimension of Metropolises，2007.

Research of thermal stress analysis and temperature monitoring project of subway tunnel in construction period★

WANG Jian-kui1ZHAO Xin-ming1HU Shao-wei2，3LU Jun2

(1.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China; 2.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210024,China； 3.HohaiUniversity,Nanjing210000,China)

On the basis of the finite element calculation laws of the thermal fields and thermal stress fields, the actual construction process was simulated by ABAQUS. The regularities of distribution of the two fields mentioned above were obtained. And then the project of temperature monitoring of subway tunnel concrete during the construction period was provided, which played a certain reference role in the construction of the subway tunnel concrete.

subway tunnel, concrete, thermal stress, temperature monitoring

1009-6825(2014)07-0160-03

2013-12-18★：江苏高校优势学科建设工程资助项目；水利公益性行业科研专项(项目编号：201201038)

王俭奎(1987- )，男，在读硕士； 赵新铭(1962- )，男，博士，教授； 胡少伟(1969- )，男，博士后，博士生导师，教授级高级工程师； 陆 俊(1981- )，男，博士

U455

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