沉管預制大體積混凝土季節性溫控技術研究

鄧德志

（中交四航局第二工程有限公司 廣州 510230）

0 引言

沉管法施工因其具有可淺埋、與兩岸道路銜接容易、對地質水文條件適應力強等優勢，被廣泛應用于跨江越海隧道和內陸城市水下通道等工程建設，如港珠澳大橋海底隧道［1］、深中通道和車陂南隧道等［2］。由于絕大多數沉管隧道的主體結構體積自重大、倒角結構復雜，預制混凝土澆筑過程中的水化熱反應、內表溫差逐漸變大會導致不均勻溫度應力的產生，極大可能會形成裂縫，將嚴重影響沉管結構的質量和抗滲性能［3］。由于不同工程的技術及環境差異性，沉管混凝土溫控措施難以一概而論，因此需結合不同環境下對混凝土水化熱進行分析，用于指導混凝土澆筑和養護。

國內學者陳飛翔［4］采用MIDAS FEA 和LUSAS 有限元軟件對預制沉管混凝土水化熱進行仿真計算，計算出了內表最大溫差為24.8 ℃，內部最高溫度為38.8 ℃，且兩種軟件的計算結果匹配性型良好；蔡杰［5］基于某沉管工程全斷面澆筑法，再無冷卻管的條件下采用溫度監測與防裂措施，顯著減少了裂縫產生提升了抗裂防滲性能；申昌洲［6］通過監測大連灣沉管隧道的混凝土溫度和裂縫發展情況，調整優化了冬季預制沉管施工技術；李進輝［7］對超大斷面沉管混凝土進行溫度應力仿真計算，基于監測結果優化了混凝土溫控措施，達到了溫控效果良好的目的；胡健中［8］結合數值模擬和現場實測，開展了大體積混凝土水化熱規律研究，提出澆筑分層厚度是控制大體積混凝土內部溫峰的關鍵因素；連春明［9］研究了混凝土原材和入模溫度在不同氣候季節環境下對大體積混凝土水化熱反應的影響，得出了混凝土原材溫度隨環境溫度呈線性變化的結論。

綜上所述，沉管大體積混凝土水化熱分析與溫控技術研究已漸進成熟，但在實際施工中的溫度裂縫仍層見迭出，且環境溫度對大體積混凝土水化熱也有顯著影響，因此研究不同季節下混凝土的水化熱對實際工程產生的溫度場規律需要進一步分析與研究。論文依托某沉管過江隧道工程，采用數值模擬和溫度監測研究手段，將數值模擬與現場實測數據進行對比分析，研究不同季節下沉管的混凝土溫度場變化規律，基于上述研究提出適用于大體積混凝土澆筑溫控措施，為類似沉管大體積混凝土施工提供理論技術支持和參考。

1 工程概況

某沉管過江隧道工程過江段采用沉管結構，總長407 m，管節編號由南往北依次為E1、E2、E3、E4，最終接頭為水中接頭。沉管為干塢法預制，在干塢內進行預制，分兩批次澆筑完成。標準節段混凝土方量約1 560 m3，采用全斷面一次澆筑成型工藝。

沉管采用單箱三室型結構型式，除E1 為變截面直線管節，其余為等寬直線管節，橫向總寬為29.6～37.1 m，總高為9.2 m，頂板、底板混凝土厚度為1.25 m，側墻混凝土厚度為1.0 m，中隔墻混凝土厚度厚度為0.6 m，采用全斷面一次澆筑成型［10］。管節標準斷面設計如圖1所示。

圖1 管節斷面設計Fig.1 Section Design of Pipe Section （m）

2 沉管溫度場數值模擬

2.1 絕熱升溫理論計算

混凝土絕熱溫升按照式⑴進行計算［11-12］：

式中：T（t）為齡期為t時的混凝土絕熱溫升（℃）；W為混凝土的膠凝材料用量；Q為膠凝材料水化熱總量，Q=k1·k2·Q0，k1和k2按照表1 取值，可根據3 d 和7 d 水化熱數據求得，Q0=4/（7/Q7-3/Q3）；C為混凝土的比熱，取0.96 kJ/（kg·℃）；ρ為混凝土容重，ρ=2 370 kg/m3；m為與水泥品種、澆筑溫度等有關的系數，取1.4d-1；t為混凝土齡期（d）。

表1 礦物摻合料水化熱調整系數Tab.1 Mineral Admixture Hydration Heat Adjustment Coefficient

常見P·II 42.5R水泥水化熱Q0=305.0～345.0 kJ/kg，取中間值Q0=325.0 kJ/kg作為有限元模擬計算用值。

當膠凝材料總用量為400 kg/m3時，按照表1 取摻合料水化熱調整系數k1=0.89和k2=0.95進行計算，得到混凝土的膠凝材料水化熱總量為266.11 kJ/kg，并由此計算得到采用P·II 42.5R水泥加摻粉煤灰的該混凝土在不同齡期下的絕熱溫升，由此計算得到該混凝土在不同齡期下的絕熱溫升，結果如表2所示。

表2 混凝土絕熱溫升計算結果Tab.2 Calculation Results of Adiabatic Temperature Rise of Condensate

2.2 數值計算模型建立及參數

論文選取標準管節中的某一節段（E4-S3），采用Midas FEA 軟件，按照沉管單管節實際尺寸建立模型，尺寸為16.0 m×29.6 m×9.2 m，選用三維實體單元對建立的沉管模型進行網格劃分，單元總數為286 260 個，如圖2所示。沉管澆筑方向為從底板往頂板方向。

圖2 沉管節段實體有限單元模型Fig.2 Solid Finite Element Model of Submerged Tube Segment

主體結構混凝土采用C40（P10）混凝土，本次開展夏季和冬季兩種工況下沉管施工期混凝土內部溫度場有限元模擬，計算參數如表3所示。

表3 計算參數Tab.3 Calculation Parameters

2.3 邊界條件

工程所在的夏季環境平均溫度介于25～35 ℃范圍，冬季環境平均溫度介于15～25 ℃范圍。溫度場仿真計算中采用正弦函數擬合得到沉管外界氣溫變化過程，僅考慮對流作用，結果如圖3所示。分析時沉管底板采用第一類邊界條件，側墻和頂板采用第三類邊界條件。

圖3 環境溫度變化情況Fig.3 Changes in Ambient Temperature

2.4 溫度場計算結果及分析

通過計算得到夏季和冬季沉管單管節澆筑后達到內部溫峰時的溫度場分布云圖，如圖4所示?？芍?，混凝土澆筑后在夏季和冬季工況下內部到達溫峰值處都出現在底板中隔墻下方，溫峰值為72.8 ℃和67.3 ℃，說明底板與中隔墻連接倒角處澆筑厚度和方量較大且內部散熱不易，混凝土水化熱程度高故溫度達到整個管節的峰值。而側墻與頂板較底板有更多的面積暴露在外，受環境影響較大散熱效果更加顯著故溫度較低。

圖4 混凝土澆筑后內部達到溫峰時溫度場Fig.4 Temperature Field when the Internal Temperature Peak Reaches after Concrete Pouring

基于沉管混凝土結構對稱規律，于沉管混凝土結構頂板、側墻、底板各布設6 個（Ta1、Ta2、Ta3、Tb1、Tb2、Tb3）、3 個（Tf1、Tf2、Tf3）、7 個（Tc1、Tc2、Td1、Td2、Td3、Te1、Te2）關鍵測點，便于研究其中心和內表溫度變化規律，關鍵測點布設如圖5所示。

圖5 關鍵測點選取Fig.5 Selection of Key Measurement Points

根據溫度場模擬結果，關鍵測點在夏季和冬季兩種工況下管節混凝土溫度隨時間變化如圖6、圖7所示。

圖6 頂板及側墻模擬溫度時程Fig.6 Simulated Temperature Time History of Roof and Side Wall

圖7 底板模擬溫度時程Fig.7 Base Plate Simulated Temperature Time History

分析在夏季和冬季工況下管節關鍵測點的溫度變化趨勢，可直觀反映管節不同位置的溫度變化情況。管節頂板、底板、側墻關鍵測點的溫升規律均呈現出先快速升溫后緩速降溫的變化趨勢。溫峰出現在底板中隔墻倒角測點Tc2 處，在夏季工況下澆筑后62 h后達到72.8 ℃，在冬季工況下澆筑62 h 后達到67.3 ℃。管節混凝土內外溫差的變化趨勢在夏季與冬季工況下與溫度變化趨勢大致相同，即內外溫差呈現先快速增大后緩速減小的規律，其中，管節最大內外溫差峰值出現在頂板中隔墻倒角測點Tb2 范圍，在夏季工況下澆筑90 h 后內外溫差值達到27.1 ℃，在冬季工況下澆筑90 h 后內外溫差值達到29.4 ℃。說明頂板與中隔墻連接倒角處澆筑厚度和方量較大且內部散熱不易，且頂板相對標高較高表層混凝土大面積暴露在外，容易受氣流影響散熱過快故內外溫差較大。

根據數值計算結果，夏季沉管主體結構內部最高溫度（72.8 ℃）不滿足溫控標準低于70 ℃的規定要求，最大內表溫差（27.1 ℃）不滿足溫控標準低于25 ℃的規定要求；冬季沉管主體結構內部最高溫度（67.3 ℃）滿足溫控標準低于70 ℃的規定要求，最大內表溫差（29.4 ℃）不滿足溫控標準低于25 ℃的規定要求，因此混凝土澆筑后應及時做好養護。

3 階段式溫控措施

沉管是大體積結構而且結構復雜，混凝土在養護過程中，容易因為養護不到位而出現溫度收縮裂縫。針對沉管預制干塢法施工的特點，依托于數值模擬計算結果，根據季節不同采取保溫和散熱的綜合措施，保證混凝土內表溫差及氣溫與混凝土表面的溫差在控制范圍內?？傮w分為以下3個階段：

⑴第一階段：混凝土澆筑準備

為降低混凝土澆筑環境溫度，減少混凝土的暴曬或雨水天氣，在管節頂部利用模板對拉行架搭設遮蔭棚。

⑵第二階段：混凝土澆筑完成后

混凝土澆筑完成并達到初凝收面后，所有混凝土裸露面應及時覆蓋高分子養護膜+土工布進行保濕保溫養護。待底板、頂面混凝土終凝后再前基礎上增加進行蓄水養護，養護水溫度與混凝土表面溫度差≤15 ℃；

⑶第三階段：模板拆除后

外模拆除后，對外側墻混凝土進行土工布覆蓋包裹，噴淋養護；噴淋水溫度控制內表溫差≤20 ℃；內拆模后兩端進行掛簾封閉，行車道內采用超聲霧化儀進行噴霧養護，養護相對濕度控制≥85%，預制沉管拆模后濕養護時間不少于14 d。

針對沉管混凝土的不同階段養護采取不同的養護要求，如表4所示。

表4 不同階段養護要求Tab.4 Maintenance Requirements at Different Stages

4 管節現場溫度監測

4.1 監測點布設

為直觀反映沉管大體積混凝土的澆筑溫升狀態，基于沉管節段結構的對稱性與前面第二章節所述數值模擬計算結果，將溫度傳感器布設在管節節段的頂板、底板、側墻及中隔墻處，測點布置具體位置如表5所示。自動化采集裝與溫度傳感器連接，并通過無線通訊的方式將數據傳輸至電腦端，實現沉管節段溫測自動化，可發現異常及時發出預警信息和處理建議，提醒工程技術人員采取措施同時也便于為后續節段混凝土溫控進行指導和調整。

表5 測點布置Tab.5 Test Point Layout

采集頻率為澆筑7 d 內1 h 采集一次數據，7～14 d齡期內2 h 采集一次數據，而后4 h 采集一次數據，根據動態監測結果及時調整養護措施，直至溫度穩定符合溫控標準及強度達到設計要求。

4.2 監測結果及分析

由于該節段澆筑時間為夏季，本次研究節段溫測處于夏季工況。如圖8、圖9所示，該節段頂板、底板、側墻測點溫升規律均呈現出先快速升溫后緩速降溫的變化趨勢，與上述數值模擬結果規律基本一致。溫峰出現在底板中隔墻倒角測點Nc2 處，在澆筑后70 h 后達到73.5 ℃。其中，管節最大內外溫差峰值出現在頂板中隔墻倒角測點Nb2 范圍，在澆筑88 h 后內外溫差值達到19.5 ℃，較數值模擬結果27.1 ℃下降了28%，且滿足溫控標準低于25 ℃的規定要求，也進一步驗證了溫控措施的合理性和可行性。

圖8 頂板及側墻模擬溫度時程（夏季）Fig.8 Simulated Temperature Time History of Roof and Side Wall （Summer）

圖9 底板模擬溫度時程（夏季）Fig.9 Time History of Base Plate Simulated Temperature （Summer）

5 結論

⑴通過數值模擬研究夏季與冬季不同工況下管節混凝土溫升規律，結果表明管節混凝土溫升規律和內外溫差變化規律在兩種工況下大致相同，即先快速增大后緩速減小，且溫峰出現在底板中隔墻倒角處，最大內外溫差峰值出現在頂板中隔墻倒角處。

⑵結合數值模擬計算結果，提出了不同季節分階段式混凝土溫控措施，保證混凝土內表溫差及氣溫與混凝土表面的溫差在控制范圍內?？傮w分為以下3 個階段：混凝土澆筑準備、混凝土澆筑完成后、模板拆除后。

⑶由現場監測和數值模擬對比分析得出，仿真結果與實際監測結果規律基本一致，說明數值模擬結果的可行性和可用于指導施工，同時在采取分階段式溫控措施后，澆筑后的內外溫差值較數值模擬結果下降了28%，進一步驗證了該措施的科學性和合理性。