隧道敞开段底板大体积混凝土温度应力控制技术

刘海青1，谷坤鹏2，赵辉3，陈克伟2

（1.中交第三航务工程局有限公司，上海200032；2.中交上海三航科学研究院有限公司，上海200032；3.中交三航局第二工程有限公司，上海200122）

摘要：港珠澳大桥东人工岛敞开段隧道底板最大宽度超过55 m，轴向长度为15~30 m，厚度最大超过3 m，属于典型的板式大体积混凝土结构，温度和裂缝控制难度较高。针对底板的结构特点，采用有限元对混凝土温度场进行了模拟计算分析，提出了冷却水管布设方案和一系列的温控技术措施，并对底板的温度和应变进行了监测。结果表明，混凝土芯部最高温度降低至69.7℃，端头冷却水管加密区最高温度降低至65.8℃，最大芯表温差为11.1℃；横向应变不超过160×10-6，轴向应变不超过250×10-6，端头应变小于中心应变。因此，采用的温控技术措施，有效地控制了底板大体积混凝土的温升，降低了混凝土内应力和开裂风险。

关键词：大体积混凝土；敞开段隧道；底板；温度控制；应变

0 引言

港珠澳大桥整体设计使用寿命为120 a，其中东人工岛敞开段隧道全长288.781 m，底板为大体积混凝土板式结构，混凝土强度等级为C45，共分为OE1~OE10段，结构尺寸较大。如港珠澳大桥东人工岛敞开段隧道OE1-1，底板轴向为东西方向，整体结构形式为梯形结构，最大宽度为56.777 m，最小宽度为54.102 m，分段长度为15 m，中间厚度为3.15 m，并向南北两侧厚度渐变为2.60 m，两侧结构不完全对称，整体一次性浇筑，混凝土设计方量约2 400 m3，且受常年高温多雨的影响，温度裂缝控制难度较高[1]。由于敞开段隧道底板长期处于海平面以下，受海水腐蚀严重，耐久性问题突出，温度控制不利将对主体结构寿命产生严重影响，因此温度及裂缝控制及其重要。

本文以东人工岛敞开段隧道OE1-1为例，详述大体积混凝土底板温度控制主要施工技术措施，并进行了温度和应变的监测，同时对监测结果进行分析，为类似工程结构温度控制提供参考。

1 底板混凝土温度场有限元计算分析

采用MADAS对底板混凝土温度场进行有限元计算分析，混凝土热物理参数取值按相关文献进行[2-3]，混凝土环境温度和浇筑温度取35℃。计算时不考虑气温随时间变化，混凝土升温函数取指数式，绝热温升取55℃。未布设冷却水管底板混凝土温度场计算，底板混凝土温峰出现在底板中心位置，最高为81.0℃，出现在72 h，温升达46℃，混凝土开裂风险较大。因此，需采取冷却循环水的方式以降低混凝土温升，进一步降低此处的温度应力和开裂风险。

大体积混凝土底板特别是在轴向两侧端部极易产生温度裂缝，研究提出了在两侧端头易产生裂缝区域进行冷却水管加密，同时针对敞开段隧道底板的结构特点及温度和裂缝控制要求，并经过多次温度场的有限元分析计算，敞开段隧道底板冷却水管布设方案如下：冷却水管直径取50 mm，底板中部（未加密区）布设3层冷却水管，每层间距90 cm；轴向东西两侧端头2 m区域（加密区）布设4层冷却水管，每层间距60 cm，加密区与未加密区最下层和最上层的冷却水管在同一高度，而由于南北两侧高度较低，最上层冷却水管只布设在中部宽26 m区域。

仿真计算时，水温取30℃，流速取4 m3/h，自浇筑混凝土覆盖冷却水管时开始通水，通水周期按照72 h考虑。布设冷却水管的混凝土温度场有限元代表性的计算分析结果见图1，由有限元温度场计算结果可知，布设冷却水管后未加密区模型计算的芯部理论最高温度为70.0℃，温峰降低了11℃，两侧端头加密区，温峰进一步降低至67.4℃，降低了13.6℃。因此，按此冷却水管布设方案可有效降低底板混凝土的芯部温度，特别是可大幅度降低轴向两端头混凝土的温度，有利于混凝土温度裂缝的控制。

图1 布设冷却水管底板混凝土温度场
Fig.1Floor concrete temperature field with laying the cooling water pipe

2 混凝土温控施工技术措施

2.1 低热大体积混凝土配合比优化设计

低热大体积混凝土配合比设计时，宜采用大掺量复掺矿粉和粉煤灰、低水化热硅酸盐水泥和缓凝型高效减水剂，以最大限度地降低混凝土的水化热。针对该工程特点，选用的主要原材料为P·II 42.5低水化热硅酸盐水泥、Ⅰ级粉煤灰、S95矿粉、5~10 mm和10~20 mm的两级配碎石、中砂及缓凝型聚羧酸高效减水剂。具体混凝土配合比及参数见表1，实验室测试混凝土初凝时间为9 h 45 min，终凝时间为12 h 55 min。

2.2 混凝土浇筑温度控制

有关研究表明[4-5]，混凝土绝热温升随着混凝土入模温度的升高而增大，因此降低混凝土浇筑温度对于控制大体积混凝土温度尤为重要。浇筑温度控制主要可从原材料温度控制、运输过程中的降温和施工过程控制。其中原材料降温主要是降低混凝土粗骨料、粉料和搅拌用水的温度，本工程采用搭设遮阳棚的方式对混凝土粗细骨料进行遮阳降温，采用在筒仓侧面覆盖帆布的方式对粉料进行遮阳降温，采用冷水机生产搅拌用水的方式降低混凝土搅拌用水温度，2台冷水机功率分别为10 m3/h和15 m3/h，一般在混凝土浇筑前4 h打开，确保水温不大于5℃。运输过程中的降温和施工过程控制的技术措施主要包括利用包裹、喷雾洒水、充分利用夜间温度降低的时段及减少混凝土的运输等待时间等措施。

表1 混凝土配合比及配合比参数
Table 1Mixture ratio and parameters of concrete

水胶比粉煤灰掺量/%矿粉掺量/%单方胶凝材料用量/（kg·m-3）砂率每方混凝土原材料用量/（kg·m-3）水泥粉煤灰矿粉水砂石外加剂0.34 25 30 420 0.42 189 105 126 143 770 1 064 3.36

2.3 冷却水管布设

采用上述的技术方案进行冷却水管布设，中部非加密区分别于60 cm、150 cm和240 cm高处布设3层冷却水管，端头加密区分别于60 cm、120 cm、180 cm和240 cm高处布设4层冷却水管，冷却水管为直径50 mm的钢管，单个循环冷却水管总长度不超过200 m，每根冷却水管的流量可调范围为0~10 m3/h，共设置20个进口和20个出口，3个冷却水循环系统。具体冷却水管布设方案及进出水口设置见图2。冷却水管安装之后及时通水测试流量及冷却水管是否漏水。

图2 高度60 cm层冷却水管布设
Fig.2Cooling water pipe scheme for height of 60 cm layer

2.4 混凝土浇筑及冷却循环水温控施工操作

2台泵车从南侧依次向北侧采用水平分段、竖向分层的方式进行浇筑，早上6时开始浇筑，共浇筑41 h，混凝土浇筑总方量为2 352 m3。当混凝土覆盖某段冷却水管时，此根冷却水管开始通水，水流量保持在5 m3/h以上，后续根据温度监测数据进行流量调节及冷却水管关闭。浇筑完毕后覆盖土工布和薄膜洒水保温养护，5 d后拆除东端头模板，11 d后拆除南北两侧模板，拆模后的侧面同样采取包覆和洒水进行混凝土养护。浇筑期间环境温度为28.7~29.8℃，实体混凝土凝结时间约8 h，浇筑温度不超过30℃。

3 测试结果及分析

3.1 温度和应变监测方案

对底板混凝土同时进行温度和应变监测，根据冷却水管的布设，在底板中部和东西两端头加密区布置上、中、下3层测点，在东部分段面中间位置，贴近模板处及距离模板10 cm处布设有上、中、下3层测点，温度和应变均采用自动采集仪测试。

3.2 混凝土温度

1）芯部最高温度和降温速率

图3为底板中部未加密区、西端头加密区和东端头加密区混凝土代表性测点的温度变化曲线图，中部未加密区为混凝土浇筑后51 h达到温峰，为69.7℃，温峰持续时间约为12 h；东、西两端头加密区温峰出现在40~43 h左右，最高温度分别为67.9℃和65.8℃，持续时间约15~20 h。中部中心位置前5 d平均降温速率为1.74℃/d，端头中心位置5 d平均降温速率为2.52℃/d，端头降温速率稍大。实测中部未加密区以及两侧端头的最高温度与仿真计算结果基本吻合。因此，冷却水管及其他系列降温措施有效地降低了混凝土芯部温度，特别是进一步降低了端头加密区的温度。

图3 底板各区域混凝土温度测试曲线
Fig.3Concrete temperature test curves of each area of floor

2）温差

图4为底板混凝土芯部与上下表面和东西端头表面温差曲线，从测试结果可以看出，最大温差为11.1℃，满足规范要求，温差控制较好，有利于降低混凝土温度应力。

图4 芯表温差曲线
Fig.4Temperature difference curves of center-surface

3.3 应变监测

混凝土应变监测结果见图5，由应变测试结果并结合混凝土温度测试结果，应变测试有以下规律：混凝土浇筑后13 d应变测试值为99.7~242微应变，4 d内应变变化较快，后续变化速率逐渐变小并趋于稳定，分析原因认为主要是受4 d内混凝土水化速度较快且温峰后降温速率较快的影响；两侧端头混凝土的应变小于中部应变，分析认为主要原因是中部温峰高于端头温度；轴向的应变较大，一般超过200微应变，横向的应变较小，一般为100~160微应变，分析认为横向（南北向）可能受产生裂缝的影响，降低了混凝土内部的应变测试值。轴向（东西向）上，底层与中层两处的应变值相近，上层部位的应变值较小；横向（南北向）上，上中下3层的应变值相近，但中层部位的最大，上层次之，底层最小。

图5 底板不同位置应变曲线
Fig.5Strain curves of each area of floor

4 结语

1）结合混凝土温度场有限元计算分析，提出了港珠澳大桥东人工岛敞开段隧道底板大体积混凝土冷却水管布设方案，冷却水管管径50 cm，单个冷却水循环长度不超过200 m，中心区域冷却水管间距90 cm，轴向端头易裂位置间距加密至60 cm。根据有限元计算结果，此冷却水管布设方案可将芯部最高温度降低11℃，特别是两侧端头加密区最高温度可降低13.6℃。

2）提出了配制低热缓凝大体积混凝土、采用冷水机降低混凝土搅拌用水至3~5℃、控制粉体材料温度不超过40℃、根据温度监测结果进行冷却水管开关和流量调节、延长拆模时间不低于5 d及合理的保温保湿养护等系列的温控技术措施。

3）对敞开段隧道底板混凝土进行了温度和应变监测，芯部最高温度降低至69.7℃，端头冷却水管加密区最高温度降低至65.8℃，最大芯表温差为11.1℃；混凝土横向应变不超过160×10-6，轴向应变不超过250×10-6，端头应变小于中心应变。

4）提出的成套温控技术措施，有效地降低了混凝土的芯部最高温度和内表温差，特别是加密端头冷却水管的措施大幅度降低了端头易裂位置的温度和应变，降低了混凝土的应力和开裂风险。

参考文献：

[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，1997. WANG Tie-meng.Engineering structure crack control[M].Beijing: China Architecture&Building Press,1997.

[2]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国水利水电出版社，2012. ZHU Bo-fang.Temperature stress and temperature control of massive concrete[M].Beijing:China Water&Power Press,2012.

[3]谷坤鹏，于铜，陈克伟，等.大尺度现浇暗埋段隧道裂缝控制关键技术[J].中国港湾建设，2015，35（11）：4-7. GU Kun-peng,YU Tong,CHEN Ke-wei,et al.Key technology of crack control for large-scale cast-in-situ buried tunnel[J].China Harbour Engineering,2015,35(11):4-7.

[4]王甲春，闫培渝，韩建国.混凝土绝热温升的实验测试与分析[J].建筑材料学报，2005，8（4）：446-451. WANG Jia-chun,YAN Pei-yu,HAN Jian-guo.Experiment and analysisof concreteadiabatic temperaturerise[J].Journal of Building Materials,2005,8(4):446-451.

[5]汪冬冬，王成启，谷坤鹏.不同胶凝材料混凝土绝热温升试验[J].水运工程，2009（10）：10-13. WANG Dong-dong,WANG Cheng-qi,GU Kun-peng.Experimental study on adiabatic temperature rising for concrete of different cement materials[J].Port&Waterway Engineering,2009(10):10-13.

Temperature strain control for mass concrete floor of open section of tunnel

LIU Hai-qing1,GU Kun-peng2,ZHAO Hui3,CHEN Ke-wei2
（1.CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China;2.CCCC Shanghai Third Harbour Engineering Academy of Science Co.,Ltd,Shanghai 200032,China;3.No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China）

Abstract：The maximum width over 55 m,the maximum thickness over 3 m and the axial length is 15 to 30 m of open section of tunnel floor in east artificial island of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,which is the typical plate-type mass concrete structure,so,there are higher technical difficulties for temperature and crack controlling.According to the structure characteristics of the floor,we used the finite element to carried out the simulation analysis on the temperature field of concrete, put forward the lay scheme of cooling water pipe and a series of technical measures for temperature control,and monitored the temperature and strain of the floor.The results show that the maximum temperature of concrete center was reduced to 69.7℃, the tip of the cooling water pipe encryption area was reduced to 65.8℃,and the maximum center-surface temperature difference was 11.1℃.The transverse and axial strain under 160×10-6and 250×10-6respectively,and the strain of tip is less than center.So,the temperature control measures was adopted to effectively control the temperature rise of the floor mass concrete,and reduce the strain and the cracking risk of the concrete.

Key words：mass concrete;open section of tunnel;floor;temperature control;strain

中图分类号：U455.4

文献标志码：A

文章编号：2095-7874（2017）08-0097-05

doi：10.7640/zggwjs201708023

收稿日期：2017-05-16

作者简介：刘海青（1969—），男，河北景县人，高级工程师，副总工程师，港航专业。E-mail：[e-mail]