超深圆形竖井结构混凝土温控及养护技术研究

刘灿平

(广东粤海珠三角供水有限公司，广州 511458）

0 引 言

近年来，盾构隧道施工在地下空间的应用越来越多，尤其是在城市地铁工程、水利工程、城市综合管廊工程等方面[1-3]。因盾构隧道往往下穿重要建筑物、江河湖海及地质条件差的地层，这导致盾构线路埋深大，盾构始发时常采用超深竖井作为始发井，其平面设计在工程中通常采用圆形截面布置，对于这类超深开挖的圆形竖井,目前工程案例及其支护结构的系统性研究较少，而当竖井开挖深度很大时,支护结构分析不合理极易造成重大工程事故[4]。为了确保超深竖井的结构安全，陈文霞探究了岩土层差异、圆形竖井直径、支护结构厚度和地下连续墙环向刚度对圆形超深支护结构的影响,初步尝试求解了工程设计实践中遇到的一些难题。符志远等对竖井的结构特性进行了研究，提出地下连续墙与满堂内衬联合受力计算方法，且为满足盾构机始发要求而研发了新型反力座[5-6]。吴华柒采用弹性地基梁法和增量法对工作井各施工工况进行计算并与实测值进行对比与分析,为复杂工况下越江隧道超大超深工作井结构在施工过程中的变形以及对周边环境的影响提供工程类比和参考经验[7]。

文章结合珠江三角洲水资源配置工程某超深圆形竖井逆作法内衬结构工程实例，对工程中出现的内衬结构内外温差大、新浇内衬结构表面与空气温差大及由于竖井超深引起逆作法内衬结构分层养护难度大等技术难题进行了研究，提出了相应的解决措施，进一步推动超深圆形竖井逆作法内衬结构施工技术研究。

1 工程概况

珠江三角洲水资源配置工程是国务院部署的的172项节水供水重大水利工程之一，工程输水线路总长113.2km，全线主要采用地下深埋盾构施工，最大限度地保护湾区生态环境，为未来发展预留宝贵地表和浅层地下空间，为此本工程盾构工作井基本为50~73m（含底板）的超深竖井[8]。其中，某圆形竖井井深为73.98m，采用顺挖逆做施工工艺，标准开挖层层高4.5m。工作井外围地连墙厚1.2m，内衬墙墙体厚度及工作井开挖内径随开挖深度有所变化，共分两种情况：其中上部分（▽0.12~-16.05m)范围内衬墙体厚度1.2m，内直径31.1m；下部分（▽-16.05~-63.43m)范围内衬墙体厚度1.5m，内直径30.5m。

2 施工中出现的主要技术难题

1）竖井内衬结构尺寸大，内衬混凝土浇筑后，结构内外温差大，存在混凝土开裂的问题。

2）随着内衬结构往深处施作，内衬结构悬于高处，存在难以养护或养护时间不足的问题。

3 问题产生的原因及危害

1）内衬结构内外温差大：

内衬墙厚1.2~1.5m，洞门墙位置厚2.5~3.58m，工作井底板厚3.5m，在狭小的竖井施工作业时，均可视作为大体积混凝土。结构内部水泥水化反应产生大量热量，由于混凝土导热系数小，热量难于及时散发，导致内部温度急剧升高，高达65℃，而内衬表面暴露在空气中，散热较快，导致结构内外温差较大。内部温度高，混凝土体积膨胀大，外部温度相对偏低，其膨胀相对较小，随着时间的推移，内部温度缓缓降低至常温，混凝土体积收缩。在此过程中，内衬结构受拉产生裂纹，严重时，甚至产生贯穿裂纹，影响结构受力并出现渗漏水现象。

2）逆作法内衬结构养护：

竖井内衬结构采用逆作法施工，随着内衬结构往深处施作，结构高处养护将难以实施，内衬结构面难以得到充分养护，其表面温度高，易产生龟裂，且由于结构表面水份散发快，表面混凝土失水，混凝土水化反应水量不足，导致表层局部混凝土强度不足。

4 内衬结构温控技术措施

4.1 混凝土施工温控措施

4.1.1 优选原材料

1）水泥采用低水化热的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

2）选择优质粉煤灰，以达到合理减少混凝土单位水泥用量的目的。

3）通过对各生产厂家骨料的比选，选择粒径相对较大，级配最优的骨料，以达到合理减少混凝土单位水泥用量的目的。

4） 通过对各类外加剂的比选，选择优质外加剂，以达到合理减少混凝土单位水泥用量的目的。

4.1.2 控制原材料温度

1）水泥、粉煤灰、外加剂均设置降温措施，水泥的入罐温度不宜高于65℃。

2）优先采用进场时间较长的水泥和掺合料拌制混凝土，尽可能降低水泥及掺合料在生产过程中存留的余热。

3）采用通风良好的遮阳大棚料场存放骨料，避免太阳直射。

4）夏季高温施工阶段，通过往水池投放冰块控制拌合用水水温，每班混凝土生产前提前测取实际水温，通过试验确定加冰量，确保拌合用水水温不高于15℃。

5）对骨料洒水降温，同时注意骨料含水率的检测，以保证混凝土配合比的质量。

4.1.3 优化配合比

1）在满足混凝土各项指标的前提下，采用优化配合比设计，合理减少混凝土单位水泥用量，将水泥用量控制在260~300kg/m3范围内。

2）所配制的混凝土拌合物，到浇筑工作面的坍落度控制在160mm 以内。

3）拌和水用量不宜大于170kg/m3。

4）在满足混凝土各项指标的前提下，采用优化配合比设计，适当提高粉煤灰掺量，但粉煤灰掺量不宜超过胶凝材料用量的30%；矿渣粉的掺量不宜超过胶凝材料用量的40%；粉煤灰和矿渣粉掺合料的总量不宜大于混凝土中胶凝材料用量的50%。

5）水胶比不宜大于0.45。

6）砂率宜为38~45%。

4.1.4 控制混凝土拌合及运输温度

1）混凝土出机温度较高时，可采取加冰拌合，降低出机口温度。

2）按要求定期对拌合站计量系统进行校验，控制计量误差。

3） 混凝土出厂前按要求进行出机温度、坍落度、含气量等指标检测，各项指标均检测合格后方可出厂。

4）加强施工管理，尽量减少混凝土转运次数；缩短运输时间，避免混凝土运输车辆在受料斗前长时间等候。

5） 运输车储运罐装混凝土前用凉水冲洗降温，并在混凝土搅拌运输车罐体周边设置一层棉纱降温，并及时浇水降温，在罐车行走、转动过程中，使罐体周边湿润。

4.1.5 控制混凝土浇筑温度

1）进行仓面设计，混凝土整体分层浇筑，每层浇筑厚度以30~50cm 为宜。

2）混凝土浇筑时尽量避开白天高温时段，在下午16：00 以后和早上10：00 之前进行浇筑。

3）在混凝土浇筑过程中，应至少每2~4h 测量一次混凝土出机口温度和入仓温度，并做好记录，混凝土入仓温度不得超过28℃。

4）混凝土浇筑后应及时进行保温保湿养护，保温保湿养护可采用覆盖土工膜、喷雾、洒水等方式。

4.2 预埋冷却水管降温

4.2.1 冷却水管

竖井内衬墙冷却水管采用高导热性HDPE 塑料管，规格为：内径28mm,壁厚2mm,外径32mm。工作井洞门墙和底板混凝土冷却水管采用焊接钢管，规格为：内径28.5mm,壁厚2.6mm,外径33.7mm。

4.2.2 冷却水管埋设

内衬墙及部分洞门墙冷却水管采用分层环形布置，部分洞门墙及底板冷却水管采用蛇形布置，要求如下：

1）冷却水管单根水管长度≤150m。

2）内衬墙每层水管环形布置、并沿内衬墙中间埋设，每层水管设进、出水口，并于主管相接。

3）每层内衬墙布置4 圈冷却水管，冷却水管层间间距lm,第1 层距离内衬墙顶部为0.75m,第4层距离内衬墙底部均为0.75m。

4）洞门墙冷却水管层间间距0.75m,水管沿洞门墙中间布置，洞门以上视高度进行环形布置，洞门高度范围内采用蛇形布置，冷却水管距离洞门边线lm。

5）底板冷却水管采用蛇形布置，层间间距1m，冷却水管层数为2 层。

6）混凝土钢模板拼装前，冷却水管穿入钢筋笼后固定于内衬墙中部，确保混凝土浇筑过程中不会出现移位的情况

4.2.3 冷却水循环温度控制

1）在混凝土浇筑前将冷却水管与外部循环水管连接，同时在进水口加装水阀控制进水流量，循环水温过高，则需向水池加冰降温。

2）混凝土浇筑完成12h 后，通水对混凝土内部进行降温，模板拆除时将冷却水管与外部循环水管断开，该块模板拆除完成后恢复连接，继续通水降温。

3）冷却水热交换过程应控制在150~200s，冷却水进水流速宜为0.6~0.7m/s。

4）通过调节进水流量及水温控制进水温度与混凝土最高温度之差，温差宜为15~25℃，出水温度与进水温度之差宜为3~6℃(2h 测定一次)，24h水流方向调整一次。

5）混凝土浇筑前预先在冷却水管中充满水，使冷却水管中的水在混凝土升温的同时被加热，以保证开启冷却水管时，其冷却水的温度和混凝土的温差不会过大。

6）当混凝土最高温度与表层温度之差不大于15℃时可暂停水冷却作业；当混凝土最高温度与表层温度之差大于25℃时，应重新启动水冷却系统。

7）水冷却结束后，采用水泥浆对冷却水管进行封堵灌浆，压浆材料水灰比≤0.6。

8）混凝土在水冷却过程中，混凝土表面应保持湿润，保证混凝土表里温差＜25℃。

9）循环水水箱水温可采取更换循环水或加冰进行调节，水温主要根据混凝土内部温度进行调节。

4.2.4 结构温度监测

1）监测点布置：

在内衬墙0℃、90℃、180℃、270℃方向的墙体中间布置4 组温度计，测量混凝土温度，每组设3 支温度计，分别监测混凝土外表、内部、底部温度。

工作井底板混凝土测温计共设4 个断面（0℃、90℃、180℃、270℃方向），每个断面按半径方向均匀布置5 个点(内侧点位于井中心，外侧点距离地连墙表面0.05m),每个点设3 支温度计，分别监测底板表面点、中间点（底板中心）、内部点的温度。

混凝土浇筑体的外表温度，为混凝土外表以内50mm 处的温度。混凝土浇筑体的内部温度，为混凝土浇筑体中心温度，测点布置在H/2处(H为板厚、或墙厚)。混凝土浇筑体底面的温度，为混凝土浇筑体底面上50mm 处的温度。对于预埋冷却水管的部位，测温点应布置在相邻两冷却水管的中间位置，并在冷却水管进出口分别布置测温点。

2）监测频次：

温度测量使用电子自动类温度计，温度计测量误差控制在0.5℃以内。温度测温频次：混凝土浇筑后，第一至二天每2h 测量次混凝土温度、第三至四天每4h 次，后续每天检测1 次。

5 内衬结构养护措施

1）混凝土强度达到2.5MPa 以上，保证其表面及菱角不因拆模而损坏时，方可拆除模板。

2）延长拆模时间，拆模时混凝土龄期不少于3d，选择在高温时段拆模，不宜在夜间和气温骤降期间拆模。

3）内衬墙养护采用雾化喷淋系统，由带雾化喷头内径12mm 的防爆水管及一台100W 水泵组成。防爆水管沿内衬墙环形布置，高程比上层内衬墙距底高约10cm 处。混凝土拆模前利用模板顶部的行走平台将防爆水管安装到位，通过水管连接至井口，循环水管开关布置于井口位置。养护防爆水管根据喷淋范围每层安装一圈，喷雾养护应能保持结构表面处于湿润状态。

6 结 语

通过对内衬结构内部增加冷却水循环系统及针对性养护措施将内衬结构大体积混凝土温度控制在设计要求的范围内，极大程度的减少了裂纹的产生，消除了因养护不到位对混凝土表观强度的影响，达到了预期的效果。