盾构井内衬墙薄壁混凝土施工仿真和温控防裂研究

程 严，王振红，汪 娟，辛建达

(1.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635；2. 中国水利水电科学研究院结构材料研究所，北京 100038)

0 引 言

随着我国水资源配置工程建设的开展，需要进行大量的开挖工作，为了提供盾构机的工作条件，就要修建盾构工作井，盾构工作井平面尺寸大且结构相对单薄，属于混凝土薄壁结构，这种结构形式与地基约束较强，且多采用高标号抗冲耐磨混凝土[1-4]，其水泥用量多，绝热温升高，早期温升快，弹性模量大。盾构井是水资源配置工程施工中常见的混凝土建筑物，对盾构井内衬墙进行温度控制是防止裂缝产生的必要措施，进而确保供水安全。

在现有温控措施条件下，水工薄壁混凝土结构中裂缝的出现较难避免，并且影响因素众多，裂缝形成机理复杂[5-8]。段亚辉等[9]对典型门洞形断面衬砌混凝土温度和温度应力的变化发展规律、温度裂缝的机理和发生发展过程进行了深入研究，得出在早期7～30 d和冬季2个温降阶段极易产生温度裂缝，施工期温度裂缝控制设计应该以这2个阶段温差控制为重点。关莉莉等[10]综合考虑分缝长度、浇筑温度、通水水温、是否保温4个方面对导流洞衬砌混凝土进行低温季节浇筑温控方案优选。

但是，上述研究在进行有限元仿真计算时，多基于顺作法进行仿真计算，对于需要逆作法施工的盾构机工作井的参考具有一定的局限性。针对这一问题，本文选取珠江三角洲水资源配置工程中B4标GS10号典型盾构井内衬墙结构，运用三维有限元仿真分析方法SAPTIS[11]，采用逆作法施工顺序，考虑内衬墙和连续墙之间3种不同的连接方式(完全粘接、无粘接和弱粘接)下、研究无温控措施、不同浇筑温度及不同通水冷却措施(水管间距、通水时长和通水水温)下的内衬墙混凝土结构温度、应力发展变化规律和开裂风险，并进行对比分析，优选出合理有效的温控防裂方案，指导工程现场施工。

1 工程概况

珠江三角洲水资源配置工程是国务院批准的《珠江流域综合规划(2012—2030年)》提出的重要水资源配置工程，也是国务院要求加快建设的全国172项节水供水重大水利工程之一。珠江三角洲水资源配置工程由1条输水主干线、2条分干线、1条支线、3座泵站、4座水库组成，从西江水系向珠江三角洲东部地区引水，解决城市生活生产缺水问题，提高供水保证程度。主干线鲤鱼洲泵站～高新沙水库段为双线Ф6000 mm盾构隧洞，施工期共计17个盾构工作井，工作井基本为直径35.9 m的圆形井、井深约43～67 m，工作井由外圈地下连续墙和内衬墙、底板组成，均为C30钢筋混凝土结构，地下连续墙厚1～1.2 m，内衬墙厚1.2～1.5 m，工作井底板厚度约3.5～6 m。盾构工作井工程现场施工情况见图1。

图1 盾构工作井工程现场施工情景

2 基本理论

2.1 温度场基本理论

考虑均匀的、各向同性的固体、温度场满足热传导方程[12]，即

(1)

式中，T为温度，℃；a为导温系数，m2/h；θ为混凝土绝热温升，℃；t为时间，d；τ为龄期，d。

根据变分原理和有限元离散，温度场有限元计算的递推方程见式(2)，可根据上一时刻的温度场Tn求解下一时刻的温度场Tn+1。

(2)

式中，H为传导矩阵；R为计算域；Tn和Tn+1为结点温度列阵；Fn+1为计算荷载列阵。

2.2 应力场基本理论

混凝土在复杂应力状态下的应变增量包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、干缩应变增量和自生体积应变增量，即

(3)

由物理方程、几何方程和平衡方程可得任一时段Δti在区域Ri上的有限元支配方程，即

(4)

3 有限元模型和参数

3.1 有限元模型

B4标GS10号盾构井有限元计算模型与网格如图2所示。模型包括连续墙、内衬墙、压顶梁、洞门墙和底板。盾构井外径31.8 m，压顶梁高程0.82～2.32 m；连续墙高程-56.20～0.82 m，厚1.0 m；内衬墙高程-35.30～0.82 m，厚1.2～1.5 m；洞门墙高程-49.10～-35.30 m，厚1.15 m；底板高程-52.10～-49.10 m，厚3.0 m。共剖分单元162 504，结点总数176 219个。温度场计算时，地基四周为绝热边界，工作井内为散热边界，通水冷却时，按等效算法计算；应力场计算时，地基四周为三向约束。

图2 盾构井有限元计算模型和网格剖分

3.2 逆作法施工顺序

B4标GS10号工作井为外径31.8 m的圆形竖井，地面平整高程3.0 m，基坑底高程-52.20 m，开挖深度55.20 m。采用地下连续墙+混凝土内衬墙支护方案。

基坑开挖采用地下连续墙垂直支护，盾构井内衬墙采用逆作法施工，洞门墙以下结构采用顺作法施工。其具体的支护结构设计为：地下连续墙厚1.0 m，嵌入井底，逆作法内衬墙厚1.2～1.5 m，衬砌后内直径分别为27.4 m和26.8 m。洞门墙厚1.15 m，底板厚3.0 m。盾构井浇筑分层和施工顺序见图3。

图3 盾构井浇筑分层和施工顺序

3.3 混凝土热、力学参数

B4标GS10号盾构井内衬墙为C30混凝土，配合比参数见表1，混凝土热力学参数见表2。

表1 工作井内衬墙混凝土配合比参数

表2 工作井内衬墙热力学参数

4 施工仿真和温控防裂研究

4.1 有无温控措施研究

B4标GS10号盾构井内衬墙混凝土于高温季节(7月份)浇筑，浇筑层厚4.5～6.0 m，层间歇期15 d，浇筑温度27 ℃。本文研究有无温控措施2种方案下的混凝土开裂情况。方案1无温控措施。方案2有基本温控措施，浇筑结束后立即通水冷却，水管间距为1.0 m×1.0 m，通水时间为5 d，通水水温20 ℃，通水流量2.1～2.4 m3/h，水流方向每24 h变换一次；保温系数β=5 kJ/(m·h·℃)，保温时间是4 d龄期后，保温时间不少于28 d。内衬墙和连续墙之间完全粘结。

表3为有无温控措施对内衬墙混凝土温度应力的影响，图4为2种方案下内衬墙内部点温度和应力过程线比较，图5为2种方案下盾构井典型剖面最高温度包络图对比。

表3 有无温控措施对内衬墙混凝土温度应力的影响

图4 有无温控措施内衬墙内部点温度和应力过程线比较

图5 有无温控措施下盾构井典型剖面最高温度包络图对比(单位：℃)

由表3、4和图5可知，当内衬墙厚度为1.5 m时，在方案1(无温控措施)条件下，其最高温度和最大应力均出现在内衬墙结构内部。内衬墙浇筑3 d龄期后内部温度达到最高值，为52.22 ℃；60 d龄期拉应力为5.15 MPa，高于对应龄期混凝土的抗拉强度4.97 MPa，安全系数为0.97，存在较大开裂风险。在方案2(通水冷却+表面保温)条件下，内衬墙混凝土内部最高温度明显降低，最高温度由不通水的52.22 ℃降低为47.30 ℃，温度降幅10.34%；60 d龄期拉应力由不通水的5.15 MPa降低为4.28 MPa，应力降幅9.90%；安全系数由0.97增加到1.16。通过对比可以看出，采取通水冷却及表面保温措施可以有效的降低内衬墙最高温度，减小基础温差，降低拉应力，增加结构安全裕度。

4.2 降低浇筑温度研究

改变内衬墙浇筑温度，其他条件不变，进行混凝土浇筑温度分别为23 ℃(方案3)、25 ℃(方案4)、27 ℃(方案2)和29 ℃(方案5)共4个方案的仿真计算。内衬墙温度应力与浇筑温度关系曲线如图6所示，内衬墙内部应力过程线如图7所示。由图6和图7可知，对于1.5 m厚内衬墙，随着浇筑温度的升高，内衬墙混凝土内部最高温度和应力线性递增。浇筑温度从23 ℃升高到29 ℃时，最高温度从44.54 ℃增高到48.68 ℃，60 d龄期拉应力从3.95 MPa增大到4.44 MPa。仿真结果表明，浇筑温度每提高1 ℃，内衬墙混凝土最高温度升高0.69 ℃，应力增大0.12 MPa，降低浇筑温度是内衬墙混凝土温控防裂的有效措施。

图6 内衬墙温度应力与浇筑温度关系曲线

图7 不同浇筑温度内衬墙内部应力过程线对比

4.3 通水冷却参数优化研究

4.3.1 水管间距

改变通水冷却水管间距，其他条件不变，进行水管间距1.0 m×0.75 m(方案6)、1.0 m×1.0 m(方案2)和1.0 m×1.5 m(方案7)共3个方案的仿真计算。不同水管间距内衬墙内部点温度和应力过程线如图8所示。由图8可知，水管间距分别为1.0 m×0.75 m、1.0 m×1.0 m和1.0 m×1.5 m时，内衬墙混凝土内部最高温度分别为45.94、47.30、48.75 ℃，增幅分别为2.96%和6.12%；60 d龄期拉应力分别为4.00、4.28、4.59 MPa，增幅分别为7.00%和14.75%。仿真结果表明，水管间距加密后，有利于控制最高温度，降低温度应力。

图8 不同水管间距内衬墙内部点温度和应力过程线比较

4.3.2 通水时长

改变通水时长，其他条件不变，进行通水2 d(方案8)、5 d(方案2)、10d(方案9)、15 d(方案10)和20 d(方案11)共5个方案的仿真计算。内衬墙温度应力与通水时长关系曲线如图9 所示，不同通水时长内衬墙内部温度过程线如图10所示。由图9和图10可知，通水2 d时，冷却结束后混凝土会出现较大的温度反弹，出现第2个峰值，超过第1个温度峰值，最高温度为48.02 ℃；内衬墙混凝土在龄期3 d时达到最高温度，通水冷却时间5～20 d不影响其最高温度，均为47.30 ℃。计算结果表明，通水时长越短，混凝土内部早期拉应力越小，但后期拉应力会较大，如通水时长为2 d时，14、28、60 d龄期拉应力分别为1.18、3.01、4.84 MPa；通水时长越长，早期温降幅度较大，应力较大，增大早期开裂风险，但后期拉应力较小，如通水时长为15 d时，14、28、60 d龄期拉应力分别为2.91、2.84、3.77 MPa。

图9 内衬墙温度应力与通水时长关系曲线

图10 不同通水时长内衬墙内部温度过程线对比

4.3.3 通水水温

改变通水水温，其他条件不变，进行通水水温16 ℃(方案12)、20 ℃(方案2)和24 ℃(方案13)共3个方案的仿真计算。内衬墙温度应力与通水水温关系曲线如图11所示，不同通水水温内衬墙内部应力过程线如图12所示。由图11和图12可知，当通水水温分别为16、20、24 ℃时，内衬墙内部最高温度分别为46.38、47.30、49.28 ℃，增幅为1.98%和6.25%；60 d龄期拉应力分别为4.08、4.28、4.71 MPa，增幅为4.90%和15.44%。计算结果表明，通水水温降低，一方面可以增强削峰效果，致使最高温度降低，温降幅度减小，应力略有减小；但要防止早期水温过低而在管壁周围产生过大的温度梯度，容易产生微裂纹，对混凝土防裂不利。通水水温过高，温控效果差，对温控防裂不利。

图12 不同通水水温内衬墙内部应力过程线对比

4.4 内衬墙和连续墙粘接强度研究

当连续墙和内衬墙之间无粘接时，内衬墙混凝土不受连续墙约束作用，应力相对较小，28 d龄期拉应力仅为0.49 MPa；当连续墙和内衬墙之间弱粘接时，内衬墙混凝土受连续墙一定约束作用，当内衬墙混凝土内部应力超过粘结强度时，粘接消失，内衬墙脱开连续墙，不再受连续墙约束作用，此时内衬墙混凝土应力急剧下降(图13)，之后，应力发展过程同无粘结时相同；当连续墙和内衬墙之间完全粘接时，内衬墙混凝土受连续墙完全约束作用，应力较大。结果表明，连续墙和内衬墙之间不同的连接方式对内衬墙混凝土应力作用明显，可以通过减弱粘结强度来降低内衬墙拉应力。

图13 不同内衬墙和连接墙连接方式内衬墙内部点应力过程线比较

5 结 论

本文对珠江三角洲水资源配置工程中盾构井内衬墙薄壁混凝土结构进行了三维有限元仿真分析，研究了有无温控措施、浇筑温度、通水冷却温度对内衬墙混凝土温度、应力的影响，同时，研究了考虑内衬墙和连续墙之间3种不同的连接方式(完全粘接、无粘接和弱粘接)下的内衬墙混凝土内部应力强度，具体如下：

(1)无温控措施时，内衬墙结构内部温度较高，拉应力超过抗拉强度，存在较大开裂风险。可以通过合适的通水冷却方式(通水时间5～7 d，水管间距1.0 m×1.0 m，水温20 ℃，流量2.1～2.4 m3/h)以及保温措施(不影响最高温度的情况下)来降低混凝土的基础温差、降低结构的最大拉应力，以增加安全裕度，减小开裂风险。

(2)降低浇筑温度是内衬墙混凝土温控防裂的有效措施。随着浇筑温度的升高，内衬墙混凝土内部最高温度和应力线性递增。浇筑温度每提高1 ℃，最高温度升高0.69 ℃，应力增大0.12 MPa。

(3)通水冷却措施对内衬墙薄壁混凝土具有良好的温控防裂效果。通水水管加密、通水时间延长和降低通水水温均能有效内衬墙混凝土最高温度和温降产生的拉应力，减小结构开裂风险。

(4)内衬墙和连续墙粘接强度越大，对内衬墙混凝土的约束越大，从而导致拉应力升高，可以通过减弱粘结强度来降低拉应力，增大安全系数，防止裂缝产生。