沉管隧道预制节段混凝土温度应力控制措施研究

摘要：简述了沉管隧道预制节段存在的问题及解决方法，从管节预制厂生产区域布置、节段预制工艺流程、管节组装与沉管等方面论述了管节预制和组装工艺流程。以节段拆模48h为研究对象，确定管节强度及温度计算参数。在此基础上建立有限元模型，根据有限元模型计算出节段温度场分布及节段温度应力，通过分析计算结果提出了应采取的控制措施。

关键词：沉管隧道；工厂化预制；温度应力；控制措施；有限元分析

基金项目：上海市青年科技启明星计划资助，城市地下互通立交超大断面山岭隧道设计与施工工法关键技术研究，编号：21QB1404900

0 " 引言

在我国城市化快速发展的背景下，对城市地下空间的开发与利用越来越引起人们的关注[1]。沉管隧道以其快速施工和低环境污染等优势被广泛用于城市地下交通和水利建设工程[2]。本文介绍从钢筋绑扎至浮运出坞的全过程沉管隧道管节工艺流程，通过严格的温控与拆模周期管理，大幅度提升了管节的安全与耐久性能。

1 " 沉管隧道预制节段存在的问题及解决方法

1.1 " 沉管隧道预制节段存在的问题

目前沉管隧道管节的工厂化制造和装配面临许多技术难题，尤其是管节温度应力直接影响了沉管隧道的长期稳定与结构安全[3]。沉管隧道管节预制时，水泥水化反应所释放的热能会在管节内形成温度梯度，从而诱发温度应力[4]。若处理不当，会引起管节接头过早开裂，从而影响接头的综合性能及服役寿命。因此，如何有效控制管节的温度应力，对于保证工程的质量与安全具有重要意义。

1.2 " 解决方法

本文在前期研究的基础上，通过试验研究，获得不同龄期、不同龄期的节段温度场及温度应力，并对其进行数值模拟，发现其水化热产生的应力超出了其龄期的极限值[5]。基于此，对48h内拆除节段模板的可行性进行评价，并对其进行有效控制。通过查阅已有的相关资料，并结合相关的物理力学指标[6]，采用理论计算与有限元法相结合的手段，对48h内节段的变形、弯矩以及裂纹的发展过程进行数值仿真研究[7]，分析龄期对混凝土耐久性能的影响。

2 " 管节预制和组装工艺流程

2.1 " 管节预制厂生产区域布置

根据有关文献资料、参考厄勒海峡沉管隧道管节预制厂布局，本文所述管节预制厂主要由钢筋厂房、混凝土浇筑厂房、滑移坞门、浅坞滑移区、管节系泊区以及浮坞门等六个生产区域、采用串联布置方式组成，即从钢筋绑扎到最后的管节拖运入大海，六个生产区域采用直线连接。管节预制厂生产区域串联布置示意如图1所示。

2.2 " 节段预制工艺流程

沉管管节工厂化制作方式，是将传统的管节制作模式控制为流水线式的工厂化生产，这样可极大地提高管节的制作效率。本文所述沉管是由若干管节组成；而管节是由若干节段组成，即采用的是节段式管节。节段预制工艺流程可分为4个部分，如下所述。

2.2.1 " 安装节段钢筋外模板

一是在专用底板上预先安装钢筋墙板；二是将钢筋墙板存入缓冲区同步安装钢筋笼底板；三是使用装配夹具调整钢筋墙板和底板的几何尺寸；四是将预制的钢筋墙板吊到钢筋笼底板上；五是安装钢筋笼的顶板。

2.2.2 " 安装节段钢筋笼

一是将节段钢筋笼固定在内部的钢筋框架上，并安装接地系统与预埋件；二是使用绞盘将预制好的节段钢筋笼（长度约为22m、质量约为230t）牵引到缓冲区；三是放置牵引模具，安装水平千斤顶和液压管路；四是使用绞盘将钢筋笼牵引到外模板中。

2.2.3 " 安装节段内模和浇筑混凝土

一是将节段内模板放入钢筋笼内部位置并调整其几何尺寸；二是进行节段一次性全断面混凝土浇注。

2.2.4 " 节段顶推和拆模

一是在节段的强度、水化作用、防止裂缝产生的安全限界达到规定要求后，通过滑动梁将节段一步一步地向前顶推；二是拆除模板；三是将模板清洗干净并涂上润滑油，放回存放处码放备用。

2.3 " 管节组装与沉管

首先，将完成预制的8个节段组装成一个完整的管节；其次，关闭干坞门并抽水到干坞，当水面达到海平面9 m以上时，产生足够的浮力使管节浮起；再次，牵引管节到达深水坞后打开坞门放水；然后当坞内水面降至正常海平面时，打开坞门，将管节浮运出坞；最后，将管节沉放就位。

3 " 管节强度及温度计算参数

管节预制厂开工建设至第一节管节预制完成的时间为20个月，其中管节预制时间为2～3个月。参考厄勒隧道的节段拆模时间为48h，因此以节段拆模48h为研究对象，评估最短拆模时间的可靠性，确定节段强度及温度计算参数。

3.1 " 经计算确定的参数

3.1.1 " 混凝土弹性模量

混凝土入模温度取值为25.0℃，混凝土弹性模量的计算公式如下：

E（τ）=E0（1-e-0.09τ） " " " " " "（1）

式中：E（τ）为龄期的混凝土弹性模量（MPa）；E0为混凝土最终弹性模量，C60混凝土取值3.60×104MPa。经计算得到C60混凝土48h的弹性模量为5.93×103MPa。

3.1.2 " 混凝土抗压强度

混凝土抗压强度随着龄期的增长而增长，其计算公式如下：

Rc（τ）=Rc28[1+mln（τ/28）] " " " " "（2）

式中：Rc（τ）为龄期的混凝土抗压强度（MPa）；Rc28为28d龄期的混凝土抗压强度，C60混凝土取值27.5MPa；m为系数，取值0.1727。经计算得到C60混凝土48h的抗压强度为15.0MPa。

3.1.3 " 混凝土抗拉强度

混凝土抗拉强度随着龄期增长而增长，其计算公式如下：

σ（τ）=0.8σ0lg（τ）2/3 " " " " " "（3）

式中：σ（τ）为龄期τ的混凝土抗拉强度（MPa）；σ0为28d龄期的混凝土抗拉强度，C60混凝土取2.04MPa。经计算得到C60混凝土48h的抗拉强度为0.73MPa。

3.1.4 " 水泥的水化热与其龄期的关系

水泥最终水化热与水泥各龄期水化热关系的表达式如下：

Qτ=Q0（1-e-aτb） " " " " " " "（4）

式中：Qτ为水泥龄期的水化热；Q0为最终水化热；a、b为系数，分别取值0.36和0.74。经计算得到C60混凝土48h的水化热为158.2kJ/kg。

3.2 " 不经计算确定的参数

3.2.1 " 混凝土其他参数

混凝土其他参数如表1所列。

3.2.2 " 周围环境参数

一是土层温度暂时取值25℃；二是施工期间平均气温暂时取值25℃。

4 " 有限元模型的建立

采用大型通用有限元软件ADINA进行混凝土浇筑48h内的温度场分析。沉管隧道横断面尺寸如图2所示。沉管隧道每个节段的长度为22.5m；其横断面宽度为37.95m，高度为11.5m；假定每个节段的所有外表面均能向外散热。根据上述尺寸建立沉管隧道节段三维有限元模型，其中单元51670个，节点13024个。

5 " 节段温度场分布及节段温度应力计算

5.1 " 节段48h后温度场分布

根据有限元模型的计算结果，节段混凝土浇筑48h后的最高温度为38.3℃，位置在节段中隔墙下部；最低温度23.9℃，位置在节段横断面顶板中部。由于与外界对流的面积较大，节段外侧温度较低，温度范围为27～33℃。节段混凝土浇筑48h后温度场分布如图3所示。

5.2 " 节段温度应力计算结果

在有限元软件中导入相同模型的温度场，即可计算出节段温度应力。根据有限元的计算结果可知，节段混凝土浇筑48h后的最大主拉应力为0.95MPa，位置在底板处；高应力区仅在中隔墙腋脚部分扩展，深度约为0.4m；混凝土土水化热引起的最大主拉应力已经大于48h抗拉强度0.73MPa。节段混凝土浇筑48h后温度应力分布如图4所示。

5.3 " 计算结果分析

有限元模拟结果表明，在节段混凝土浇筑48h内，节段内部的最高温度可达38.3℃，而最低温度为23.9℃。这种温度梯度可导致节段内部产生显著的温度应力。特别是在节段中隔墙下部，由于水化热的集中，最大主拉应力达到了0.95MPa，超过了48h混凝土的抗拉强度0.73MPa[5]。由此表明，如果不采取适当的控制措施，节段在早期拆模后可能会出现开裂问题。此外，研究还发现，通过优化拆模时间、混凝土配比和养护策略，可以有效降低节段的温度应力，提高节段的耐久性能。

5.4 " 应采取的控制措施

混凝土水化热、节段顶推及拆模过程中，节段局部范围的拉应力超过混凝土的48h抗拉强度，但范围与深度有限，可通过适当增加配筋予以解决。本文强调了在预制沉管隧道节段预制过程中，对温度控制和拆模时间的严格管理的必要性。应采取适当的温度控制措施和优化拆模时间，以确保节段结构的安全和耐久性。

本文强调了在沉管隧道管节节段预制过程中，对温度控制和拆模时间进行严格管理的重要性，通过对混凝土材料参数的深入分析和有限元模拟，提出了一系列控制温度应力的有效措施。这些措施包括：优化拆模时间，以确保节段在拆模时具有足够的强度和稳定性；调整混凝土配比，以降低水化热的产生；以及采用适当的养护策略，以控制节段的温度变化。

此外，节段模板在混凝土浇筑48h后拆除是可行的，但需注意，节段拆模后的弯矩分布与节段正常使用状态下的弯矩分布不同，该问题需要设计单位进行考虑。

6 " 结束语

本文针对沉管隧道管节在现代工厂化预制过程中遇到的温度应力问题进行了深入研究。通过分析现有文献中提供的混凝土材料参数，并运用公式计算和有限元分析方法，对管节节段在48h拆模后的变形、弯矩及裂缝情况进行了详细评估。同时，考虑后续混凝土的徐变对其耐久性的影响，并评估早期强度提高对混凝土性能的作用。

通过实际工程案例的对比分析，进一步验证了本文所提控制措施的有效性。本文研究成果不仅为沉管隧道节段的温度应力控制措施提供了理论依据，也为类似工程的设计和施工提供了技术指导。

参考文献

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