基于沉管管节预制的大体积混凝土温度监控及分析

刘永成，丰 收，欧智勇，吕建兵，陈银春，李旭龙

(1.中铁隧道集团三处有限公司，广东 深圳 518052；2.广东工业大学土木与交通工程学院，广州 510006)

0 引言

我国大城市大多集中在江河两岸或江河入海口附近。随着经济发展以及城市化进程的快速推进，具有较大通行能力、施工方法简单、工期短、造价低、能较好抵抗自然灾害等优势的沉管隧道在国内同类工程中逐渐兴起。在将近30年的时间里，大陆已建成沉管隧道10座，在建2座，还有多座沉管隧道工程正在开展前期研究或准备动工[1]。

广州金光东沉管隧道属于大体积混凝土结构。在施工过程中，受沉管管节结构尺寸、结构形式和混凝土配合比等内部因素以及混凝土入模温度、现场环境温度、风速等外部环境条件共同作用下，沉管结构容易在施工阶段就出现温度裂缝[2]，影响结构的安全性。

为控制混凝土温度裂缝的产生，目前国内外主要从混凝土配合比设计和混凝土浇筑及养护工艺等方面来实现[3-4]。港珠澳大桥沉管隧道利用优选混凝土原材料并通过自动养护系统降低了沉管开裂的风险，更进一步调整了施工顺序和工艺来解决现浇暗埋段隧道关键部位侧墙和底板的裂缝问题[5-6]；海河沉管隧道根据夏季和冬季环境区别采用不同的养护方式控制混凝土温度[7]；佛山市汾江路南延线沉管隧道通过改善混凝土浇筑和养护工艺等措施，有效地控制了裂缝的产生[8]。此外，一些学者从裂缝产生原因、数值模拟等方面进行了深入研究，邓春林等[9]通过埋设振弦应变传感器研究沉管隧道侧墙混凝土裂缝的成因；张苑竹等[10]通过数值模拟计算表明：浇筑阶段底板和顶板的水化温度和温度应力在腋角部位最大；崔婷婷[11]通过有限元软件研究了大体积混凝土中冷却水管的最佳埋设形式。

本文结合广州金光东沉管隧道大体积混凝土工程项目，运用温度控制技术，在隧道侧墙部位设置冷却管，混凝土浇筑前埋设好温度测点传感器，并在隧道浇筑后的养护过程中实时对测点温度进行监测，根据实际情况及时调整养护措施，将混凝土各项温度指标控制在规范和设计要求的范围内。

1 工程概况

广州国际创新城金光东隧道江中沉管段起讫里程为RK1+990～RK2+450，全长460m，共分6节管段，每段宽22.10m，高8.55m，为标准双向四车道结构，如图1所示。其中E1管段长度为75.0m，E2、E3管段长77.0m，E4+E5-1管段长74.5m，E5-2、E6管段长77.0m。隧道采用移动干坞预制管段。采用两个半潜驳预制，一次预制两节管段。E1、E2 预制完成后在隧址下游寄放，寄放管段在下潜区内一次试漏，寄放区内完成二次舾装后依次浮运至隧址沉放、对接。其他管段在预制完成后隧址处试漏并二次舾装、沉放。管节预制混凝土约32 000m3，钢筋7 300t。由此可见，金光东沉管隧道属于大体积混凝土结构。沉管隧道对防水、抗渗性能要求很高，因此需要严格控制隧道混凝土裂缝的产生。

图1 沉管管节标准横断面(单位：mm)

根据施工顺序，第一个沉管隧道管节E6长77m，高8.55m，分为上部结构(高3.75m)与下部结构(高4.8m)两个部分浇筑，而上部结构与下部结构又分别分成4段长18～20m的节段进行浇筑，因此一个完整的隧道管节E6共分为8个小节段浇筑，监测团队对其中6个小节段进行温度监测及温度控制。由于6个小节段温控方案类似，本文取第六段浇筑混凝土结构进行分析。

2 温度控制技术及监控措施

2.1 冷却管布设

根据设计图纸，第六段浇筑混凝土结构属于隧道上部结构，顶板长18.0m，顶板宽22.1m，顶板厚1.1m(中隔墙厚1.6m)；侧墙长18m，侧墙厚0.9m，侧墙高3.75m。本次混凝土施工在沉管隧道侧墙内布置冷却管。根据表1，按照循环冷却水系统的要求，对沉管隧道侧墙进行循环冷却水系统水管的布置，如图2和图3所示。侧墙冷却管间距取1.0 m，采用钢管，管径取30mm，单侧管长16.5m+1.0m+16.5m=34m。冷却管布置在侧墙中心位置。

表1 不同材料冷却管布置参数

图2 冷却管布置横断面(单位：mm)

图3 截面A-A、B-B冷却管纵断面布置(单位：mm)

根据《大体积混凝土施工规范》[12]、《大体积混凝土温度测控技术规范》[13]等相关规范标准，在混凝土初凝后，开始启动循环冷却水系统，同时控制进水温度、出水温度和水流速率等相关参数。现场循环冷却水系统控制装置如图4所示。

图4 循环冷却水系统控制装置

2.2 温度监控措施

2.2.1 测温设备及频率

温度传感器采用便携式BP-35频率仪进行读数，其满足如下工作参数：灵敏度0.25℃，精度±0.5℃，测量范围：-20℃～80℃。每批温度传感器使用前需进行抽样校准，抽样频率为20%。

监测频率：浇筑3d内，每0.5h采集一次数据；第4d至7d龄期，每1h采集一次数据。

2.2.2 温度测点布置

根据结构的对称性和混凝土温度变化的一般规律，分别在截面C、D、E、F、G、H、I上靠左边一侧布置温度传感器，如图5所示。

图5 第六段混凝土结构截面位置(单位：mm)

C、D两个截面每个截面布置12个温度传感器；E、F、G、H、I截面每个截面布置2个温度传感器，七个截面共布置34个温度传感器。测点编号位置如图6所示。

图6 截面C到截面I温度传感器位置及编号(单位：mm)

3 监测结果与分析

3.1 第六段浇筑混凝土结构测点温度监测结果

第六段浇筑混凝土结构各截面顶板、侧墙测点温度监测结果如图7和表2所示。

图7 各截面顶板、侧墙测点温度监测结果

表2 第六段浇筑混凝土结构测点温度监测结果

3.2 监测结果与分析

3.2.1 监测结果

由于混凝土入模温度控制在24.0℃，且养护期间平均环境温度为17.4℃，使混凝土测点峰值温度较低。侧墙与顶板的测点峰值温度均在浇筑后一天半左右出现，规律较稳定；而最大内外温差出现的时间则相差很大，不具有良好的规律性，但是均在峰值温度后温度下降阶段出现。此外，通过本次监测，发现如下现象：

(1)侧墙测点峰值温度出现在截面E侧墙内侧测点26，而不是结构中心截面D的侧墙中心测点23，且截面C、D侧墙内表面测点峰值温度均大于中心测点。随着与结构中心截面D距离的增加，截面E、F、G、H、I侧墙测点峰值温度逐渐下降，截面E、I侧墙相同位置测点同一时间最大温差为12.4℃。

(2)顶板测点峰值温度出现在截面D顶板中心测点14，截面C顶板测点峰值温度也出现在顶板中心测点。随着与结构中心截面D距离的增加，截面E、F、G、H、I顶板测点峰值温度逐渐下降，截面E、I顶板相同位置测点同一时间最大温差为13.6℃。

(3)截面C、D顶板测点最大内外温差变化规律大致一致，且与环境温度变化呈负相关。

3.2.2 分析

(1)推测上部结构侧墙峰值温度出现在结构中心截面侧墙靠近顶板分界面的内侧位置，这可能是因为虽然侧墙与顶板分开浇筑，但是间隔时间比较短，对于分界面部位影响较小，该部分可以近似视为整体浇筑，因此需要加上顶板的厚度，导致侧墙峰值温度出现的位置整体向上抬高，不在侧墙几何中心位置上。而且当上部结构总体浇筑完成后，整个隧道结构完成，隧道内部空气流通较差，处于半封闭状态；而且在养护过程中开启循环冷却水系统，使侧墙混凝土中心温度下降，因此侧墙内侧温度高于中心温度。

(2)推测上部结构顶板峰值温度出现在结构中心截面顶板正中心位置(中隔墙正上方)，这可能是因为中隔墙上方顶板有1.6m厚，是整个顶板结构最厚处。

(3)顶板表面测点受环境温度影响较大，而中心测点基本不受环境温度影响。另外，由于在顶板上方采用了覆盖保温薄膜蓄水养护，导致在白天气温升高时，顶板表面测点温度也随之上升，呈正相关；而内部中心测点温度则基本不受影响，继续保持单调上升或下降，因此使得测点内外温差变化与环境温度成负相关。这从侧面反映出保温养护效果较好。

4 结论

(1)设置冷却管可有效降低混凝土内部温度及内外温差，是沉管隧道大体积混凝土温度控制技术的重要组成部分。循环冷却水系统最佳工作时间从混凝土浇筑完毕到出现峰值温度为止。

(2)在混凝土搅拌站通过加冰拌合等措施，有效控制混凝土入模温度低于30℃。混凝土浇筑后的养护阶段，将混凝土温度监测与主要温控措施相结合，在混凝土表面使用透水模板布，达到了保温保湿的目的。同时在混凝土表面覆盖塑料薄膜，进行保温处理，提高混凝土的表面温度，降低内外温差。

(3)混凝土温度峰值主要受入模温度及环境温度的影响，与入模温度及环境温度成正相关；而最大内外温差主要受环境温度及养护条件影响，与环境温度成负相关。

(4)本段沉管隧道混凝土温度峰值及内外温差峰值分别为63.0℃、21.8℃，均处于规范标准范围之内。由此可见，沉管隧道大体积混凝土温度控制技术在本工程项目上取得了良好的温控效果，为后期沉管隧道大体积混凝土温控工作的开展提供了参考依据。