隧道工程混凝土水化热与冻结壁相互影响研究——以甘肃引洮供水一期工程为例

第46卷第3期人民长江Vo1．46．No．32015年2月YangtzeRiverFeb．，2015文章编号：1001—4179(2015)O3—0042—03隧道工程混凝土水化热与冻结壁相互影响研究——以甘肃引洮供水一期工程为例叶庆，石荣剑，陈博(中国矿业大学深部岩土与地下工程国家重点实验室，江苏徐州221008)摘要：通过数值模拟与现场实测对比，探寻冻结法隧洞施工中衬砌混凝土水化热温升与冻结壁温度场相互影响的规律。研究结果表明，在初期支护的钢拱架外部木背板及喷混凝土形成的保温层作用下，二次衬砌混凝土浇筑后水化热对冻结壁的影响深度仅有30～100mm，只有表层冻土温度短时间内升至零度以上，而后迅速降到零度以下；虽然二次衬砌混凝土受到外部冻结壁低温影响，但混凝土内部温度仍能升至28℃以上，混凝土外表面温度在浇筑20d后降至零度以下，表明混凝土强度增长基本不受影响。数值模拟与现场实测结果基本吻合，相关成果对类似工程研究及设计和施工有一定参考价值。关键词：温度场；冻结壁；冻结法；水化热中图法分类号：TV431文献标志码：ADOI：1O．16232／i．enki．1001—4179．2015．03．012人工冻结法是通过制冷技术，将土中水冻结成冰，干渠7号隧洞4号吴家坪支洞冷冻段围岩以含水疏松与土体胶结形成临时防护层以抵抗水土压力、隔离地沙层为主，自稳能力差，含水率高，水土压力大，尝试多下水。冻结壁达到设计强度后，再浇筑混凝土形种施工方法失败后决定采用冻结法。其中，冻结段长成永久支护，但混凝土浇筑将产生大量的水化热，与冻43．5m，在两侧封堵墙上对打冻结孔，冻结孔共设计两结壁存在相互影响：一方面冻结壁传导的冷量不利于排，设计冻结壁厚度2．5m，平均温度不大于一10~C。衬砌养护，另一方面衬砌混凝土水化热会造成冻结壁隧道初衬采用型钢支架、木背板加20em厚C20喷射温度回升，从而对冻结壁产生不良影响。王衍森通过混凝土。二衬采用P．HSR．42．5水泥，厚40em，设计物理模拟、数值计算及现场实测方法，对矿井外壁水泥混凝土强度为C35。水化热温度场与冻结壁温度场的相互影响进行研究，为了对冻结壁、衬砌温度场进行监测，设置两组监得到了外壁混凝土的强度增长规律。余波江等通测点。第1组设置两个温度传感器，在浇筑隧道初衬过现场实测，得到混凝土水化热对深井冻结壁冻融规之前，紧贴隧道洞身边墙木背板后的冻结壁表面，以研律，并通过ADINA模拟验证。李大海等通过AN—究喷射初衬混凝土对冻结壁温度场的影响。第2组研SYS模拟得到冻结壁温度场以及外层钢纤维混凝土井究二衬混凝土水化热温度场与冻结壁温度场的相互影壁温度场变化规律。上述研究主要针对矿井井壁响，共设置9个温度传感器。其中两个放置在混凝土混凝土温度场与冻结壁温度场的相互影响，随着冻结内，两个紧贴冻结壁置于隧道底板表面(保湿材料法施工技术在城市地下空间开发、隧道工程中的应用，下)，其余5个打到冻土内，编号依次为C1、C2、C3、有必要对该领域的温度场相互影响进行深入研究。c4、c5，距冻结壁表面分别为30，100，200，300，400mm。此外，还在隧洞边墙设置了两个传感器。1工程背景与实测方案2初衬对冻结壁的影响甘肃省引洮供水一期工程计划从洮河九甸峡水利枢纽调水至甘肃省中部干旱地区定西市一带。一期总根据设计要求，隧道开挖成型后每隔5m进行一收稿日期：2014—05—05作者简介：叶庆，男，硕士研究生，主要研究方向为岩土工程冻结法施工技术及其监测。E 第3期叶庆，等：隧道工程混凝土水化热与冻结壁相互影响研究——以甘肃引洮供水一期工程为例43次初衬支护。边墙冻结壁表面温度传感器测得温度随结壁模型30～1000mm深度范围内温度场呈线性分时间变化曲线如图1所示。布。考虑到冻结壁表面暴露在空气中，根据实际情况初衬混凝土初始温度为10．2~C，12月29日开始施加对流荷载。浇筑。由图1可见，初衬浇筑完成后冻结壁表面温度逐渐降低，并最终趋于稳定。可见采用喷射的方式浇筑，混凝土热量易于散失，且浇筑时冻结壁前木背板可有效阻止热量往冻结壁方向传递。初衬喷射完成后混凝土能形成一层多孔隙疏松结构，能有效保温，阻止冻结壁与空气对流产生冷量损失。图2冻结壁温度监测3．3数值模拟与实测结果分析2014年1月8日开始浇筑二衬混凝土，并于二衬浇筑前停止冻结。各温度传感器实测与模拟值对比曲线如图3，4所示，其中图3为混凝土、底板温度实测与图1边墙冻结壁表面温度变化模拟值对比情况，图4为冻结壁内温度传感器实测与模拟值情况。3二衬与冻结壁的相互影响3．1数值模型建立采用二维平面热单元PLANE55进行数值计算。考虑实际施工参数及冻融影响范围，因隧道的纵深、圈径较大，选取平面矩形模型近似模拟。其中，冻结壁单元尺寸为1000mm×1000mm，保温材料单元尺寸为1000mm×20mm，二衬混凝土尺寸为1000mm×400mm。二衬混凝土入仓温度为8．3℃，水化热散热系数图3二衬混凝土、底板温度实测模拟对比m取0．45，最终累计产热量Q。=335kJ／kg。土体、保—·一cl实测一c2模拟c4实测温材料及混凝土其他热物理参数如表1所示。+cl模拟一c3实测c4模拟——c2实测c3模拟c5实测表1热物理参数蟪3．2冻结壁初始条件隧洞于2013年8月1日开机冻结，2014年1月2图4冻结壁温度买测模拟对比日停机并进行末端初衬支护。冻结壁内温度传感器监从图3实测情况可以看出，混凝土入模后受水化测温度情况如图2所示。热影响，温度迅速升高，浇筑第一天达到最高温度从1月3日到1月8日测温传感器实测数据可以28．2℃，而后受冻结壁冷量与衬砌表面空气对流影响，看出，浅部冻结壁温度随深度呈线性关系(依次为温度缓慢降低；底板与混凝土温度变化趋势大致相同，0．990，0．978，0．971，0．998，0．995，0．981)。为了对冻浇筑完第一天达到最高温度8．17℃，而后逐渐降低。结壁温度场模型进行简化，以实测数据为依据，假设冻由图4实测值可见，C1距底板表面30mm，受混凝土 人民长江水化热影响较大，1月8日混凝土浇筑完后，在1月9响，木背板能有效阻挡热量向冻结壁传导。混凝土浇日温度达到最大值2．3℃；C2在1月10日温度升高到筑完成后的疏松孔隙结构能形成一层有效的保温层，一0．31℃；C3～C5范围内冻土温度也有所升高，但也减少冻结壁冷量损失。都保持在0oC以下，冻结壁融化范围在30～100mm区(2)浅部范围冻结壁温度场温度值与深度呈线性问内。浇筑混凝土之前已经停止冻结，1月12El之关系。受二衬混凝土影响，冻结壁在混凝土浇筑后1后，C1～C2范围内冻土温度有所回升，C3～C5范围内～2d内的融化深度达到最大，融化范围在30～100冻土温度基本保持稳定，可见100mm深度以内冻结mm。混凝土浇筑完成后第3天回冻进入负温，由于二壁受混凝土水化热与空气对流影响，温度出现回升。衬浇筑前已经停止冻结，浅表100mm范围内土体受200mm深度以上冻结壁冷量与水化热热量传导达到混凝土水化热与空气对流影响，温度有所回升，而深度短期平衡，温度保持稳定。200～500mm范围内冻土温度达到短期平衡，保持稳比较图3中实测与模拟曲线，可以看出底板温度定。传感器实测值与模拟值吻合很好。图4中C1、C2实(3)二衬混凝土水化热温度场、冻结壁30mm深测与模拟变化趋势不同且温度相差较大，最大温差以上温度场数值模拟与实测情况基本吻合。二衬混凝6．07℃，C3～C5实测与模拟值吻合良好，且深度越深土浇筑后水化热量大，且释放迅速，浇筑后第一天温度吻合情况越好。可见，在该工程中采用数值模拟来研升高到最大值28．2"C，而后逐渐降低。由于混凝土有究衬砌混凝土水化热及冻结壁30mm以上温度场是20d左右正温养护时间，所以其强度增长受冻结壁冷可信的。故可采用数值手段来模拟衬砌混凝土水化热量影响较小。因二衬厚度相对较小，内外最大温差为温度场，找到混凝土最低温度值，其随时间变化曲线如’9．2~C，不会出现温度裂缝情况。下图5所示。参考文献：[1]姜耀东，赵毅鑫，周罡，等，广州地铁超长水平冻结多参量监测分析[J]．岩土力学，2010，33(1)：158—173．[2]王涛，岳丰田，檀鲁新，等．白垩系底层冻结温度场实测与数值模拟分析[J]．煤炭技术，2009，28(3)：121—123．[3]王衍森．特厚冲积层中冻结井外壁强度增长及受力与变形规律研究[D]．徐州：中国矿业大学，2005．[4]余波江，王仁和，李栋伟．混凝土水化热对深井冻结壁冻融规律影响的实测研究[J]．煤炭工程，2011，(10)：80—86．图5二衬最低温度随时间变化曲线[5]李大海，张弛，郭力，等．外层钢纤维混凝土井壁水化热温度场数从图5可见，混凝土浇筑完成后从第60天(1月8值模拟研究[J]．能源技术与管理，2009，(1)：93—95．日)到第80天(1月2813)温度才降到0~C，从而能保[6]王效宾，杨平，张婷，等．盾构出洞水平解冻温度场三维有限元分证混凝土有20d的正温养护时间。从数值模拟结果析[J]．解放军理工大学学报：自然科学版，2009，10(6)：586—590．可以看出，二衬混凝土在浇筑完第二天(1月9日)达[7]周晓敏，王梦恕，陶龙光，等．北京地铁隧道水平冻结和暗挖施工到最大温差9．2℃一七述结果表明，冻结壁冷量传导模型试验与实测研究[J]岩土工程学报，2003，25(6)：676—679．对二衬混凝土强度增长影响相对较小，且二衬混凝土[8]刘睫，陈兵．大体积混凝土水化热温度场数值模拟[J]．混凝土与内外温差较小，混凝土不会出现温度裂缝的情况。水泥制品，2010，(5)：16—19．(编辑：郑毅)4结论(下转第51页)(1)初衬混凝土水化热对冻结壁温度场没有影 第3期陈建胜，等：构皮滩水电站工程软岩原位流变试验研究51[2]李云鹏，王芝银，丁秀丽．岩体原位流变荷栽试验的力学参数与模4结论型反演[J]．实验力学，2005，20(2)：297—303．[3]刘成宇．土力学(第二版)[M]．北京：中国铁道出版社，2004．(1)薄层状页岩在外荷载的长期作用下蠕变变形[4]赵海斌，翦波．构皮滩水电站通航建筑物第二级升船机塔楼结构量较大，表现出显著的软岩黏弹性特征。及基础处理专题一地基岩体力学特性及工程处理模型试验研究(2)广义开尔文模型主要反映衰减蠕变的特性，成果报告[R]．长沙：中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，而伯格斯模型则可以反映衰减蠕变及定常蠕变特性。20l2．[5]丁秀丽．岩体流变特性的试验研究及模型参数辨识[D]．武汉：中(3)由于原位流变实测曲线表现出弹性变形、黏国科学院研究生院，2005．性流动等特性，伯格斯模型对其试验曲线的拟合效果[6]张强勇，张建国，杨文东，等．软弱岩体蠕变模型辨识与参数反演更好，更适用于薄层页岩(软岩)流变特性的描述。[J]．水利学报，2008，39(1)：66—72．(4)由半无限空间弹性理论推导的基于刚性承压[7]朱珍德，李志敬，朱明礼，等．岩体结构面剪切流变试验及模型参板原位流变试验的流变本构(Burgers)模型及建立的数反演分析[J]．岩土力学，2009，30(1)：99—104．岩体流变力学参数辨识方法合理可行，可供工程参考[8]周火明，钟作武，张宜虎，等．岩体原位试验新技术在水电工程中的初步应用[J]．长江科学院院报，201l，28(1O)：112一l17．和应用。[9]周火明，丁秀丽，李雏树，等．构皮滩水电站岩石力学研究[J]．人参考文献：民长江，2006，37(3)：8—1O．[1]刊、钧．岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展[J]．岩石力学(编辑：郑毅)与工程学报，2007．26(6)：1081—1106．In—siturheologicaltestandstudyofsoftrockatGoupitanHydropowerStationCHENJiansheng，JIANBo，ZUOChengrong，YUXinhua(PowerchinaZhongnanEngineeringCorporation，Changsha410014，China)Abstract：Anin—siturheologicaltestofthin—layershalewasca~iedoutforthesecond—levelshipliftfoundationatGoupitanHydropowerStation．Theresearchshowsthatthethinshalehasalargeamountofcreepdeformationunderthelong—termexternalload，whichisofprominentvisco—elasticcharacteristic．Accordingtotheelasticitytheoryofsemi—infinitespace，theanalyticalexpressionofrheologicalconstitutiverelation，Burgersmodel，isderivedbasedonrigidbearingplatein—siturheologicaltest．Andtheidentificationwayforrockrheologicalconstitutivemodelparameterisbuilt．Therefore，thesolutiontotherheologicalpa—rametersdeterminationofrockmassbasedonin—siturheologicaltestissettled．Keywords：softrock；in—siturheologicaltest；BurgersModel；parameteridentification(上接第44页)ResearchoninteractionbetweentunnelliningconcretehydrationheatandfrozenwallYEQing，SHIRongjian，CHENBo(StateKeyLaboratoryforC．eomechanics&DeepUndergroundEngineering，ChinaUniversityofMiningTechnology，Xuzhou221008，China)Abstract：Forthetunnelconstructionusingfrozenconstructionmethod，westudythemutualinfluenceoftunnelliningcon—cretehydrationheatandfrozenwalltemperaturefieldbycomparisonofnumericalsimulationandfieldtest．Itisshownthatintheinitialsupportingperiod，undertheactionoftheheat—insulationlayerformedbythewoodenboardoutsidethesteelarchandtheshotcrete，theinfluentialdepthofthehydrationheatonfrozenwallcanonlyreachasuperficialrangeof30to100mmafterthesecondaryconcretelining．onlythetemperatureofsurfacefrozenearthrisetoaboveO℃inshorttimeanddroptobelowzerosoonafter．Althoughthesecondaryliningconcreteisinfluencedbythelowtemperatureoftheoutsidefrozenwall，theinternaltempera—tureoftheconcretecanrisetoabove28~C，whilethetemperatureofoutersurfaceoftheconcretedropstobelowzeroin20days，whichdemonstratesthattheincreaseofconcretestrengthishardlyaffected．Theresultsofnumericalsimulationareconsistentwiththoseofthefieldtest．Keywords：temperaturefield；frozenwall；frozenconstructionmethod；hydrationheat