沉管隧道大體積混凝土現場施工質量控制

林 浩，伍 浩，盧鑒鈞

(1.廣州市番禺建設管理有限公司，廣州 510030；2.廣東工業大學土木與交通工程學院，廣州 510006)

0 引言

隨著國家經濟的發展，我國在不斷地加大基礎設施建設力度。在跨江跨?；椖恐?，沉管隧道日益引起人們的廣泛關注，原因是其具有施工安全高效可靠、對航運影響較小、高水密性、可預制性以及對地基條件要求較低等優點。廣州國際創新城金光東隧道屬于大體積混凝土工程項目。沉管管節具有尺寸龐大、形式多樣、工藝復雜等特點，若不能很好地把控溫度、約束和收縮等因素，其結構就容易在施工階段發生裂縫病害[10]，甚至危及整體結構的安全。因此，研究沉管大體積混凝土現場施工質量控制技術十分必要。

國內外對有限元數值仿真的研究和應用已較成熟，郭生根[1,6-7]等結合COMSOL三維有限元軟件對大體積混凝土進行模擬仿真,得出混凝土內部溫度、最大主應力和最高溫度隨外界溫度變化的函數關系；仿真模擬誤差在5%左右，結合神經網絡優化的最大誤差為2.57%。盧春鵬[2]等針對混凝土應力模擬過程中熱膨脹系數隨時間變化這一效應的影響進行了分析,考慮了等效齡期的因素,將混凝土早期變形分離為溫度變形與自生體積變形,建立熱膨脹系數與等效齡期之間的數學模型。趙志方[3]等采用絕熱模式和溫度匹配模式(TMC)兩種溫度歷程養護模式,完成參照混凝土(FA)和超高摻量粉煤灰混凝土(UHVFA)的溫度-應力試驗(TSTM試驗)，將總形變拆分成溫度形變與自生體形變，構建起時變熱脹率模型。李之達[4]等利用有限元軟件Midas/Civil建立了承臺三維實體有限元模型,利用有限元模型分析冷管入水溫度的影響,證明降低冷管入水溫度可有效降低混凝土內部最高溫度。謝智剛[5]等在混凝土中摻加1%的控制水化熱外加劑，同時使用粉煤灰替代水泥用量,通過Midas有限元計算溫度場結果和實測結果進行對比測試混凝土的抗壓強度，結果表明摻加控制水化熱外加劑后核心溫度和里表溫差降低,抗壓強度有所提高。周雙喜[8]等設計了一種傳感器標簽，該標簽可以監測混凝土的溫度，并具有無源射頻識別(RFID)技術，與傳統的檢測方法相比更便利、更便宜、可使用時長更長。廖哲男[9]等開發了一種BIM智能溫控系統，并在寸灘長江大橋工程展開了實際應用,表明系統具有數據精度高、靈敏度高、預警時效性強等優點,從而大大提高了溫度采集的精度和效率,取得了更好的溫度控制效果。王燕燕[10]基于Midas FEA有限元軟件，研究了沉管隧道工廠化預制的溫度和應力狀態，驗證了港珠澳大橋沉管隧道管節工廠預制技術的可行性。

金光東隧道位于江中的沉管段由6節管段組成，總體長度達460m。采用鋼筋混凝土預制結構，管節預制混凝土約32 000m3，鋼筋7 300t。本文以第一段沉管混凝土的底板結構為例，介紹其溫度監控方案及現場監測結果，并運用數值仿真加以驗證。

1 沉管溫度數值仿真理論

本文利用三維數值仿真軟件Midas/FEA，對大體積混凝土施工階段中因化學水化作用反應熱而產生的溫度和應力展開研究。軟件依據熱交換定律來對水化熱的產生、傳熱和散熱過程進行運算分析,熱分析分為傳熱和溫度應力兩個分析過程。傳熱分析是指研究水化熱時因產生的熱量、對流、導熱等因素而導致節點溫升溫降的規律;溫度應力分析是通過綜合傳熱分析得到的時變節點溫度分布、材料變化特性、混凝土收縮徐變等相關結果和參數，對混凝土各時段的應力進行計算[2]。

1.1 水泥的水化熱計算

采用水泥的指數型表示公式：

(1)

1.2 混凝土絕熱溫升

在有限元分析中，可根據水泥的水化熱對混凝土的絕熱溫升進行估算，公式為：

(2)

1.3 導熱方程及其求解

假設沉管管節為均勻各向同性的固體，經前人推導的導熱方程：

(3)

式中：a=λ/Cρ—導溫系數(m2/s);T—溫度梯度。

通過聯合初始和邊界條件求解上述方程式，進而計算得出結構的溫度場。熱傳導方程可以用有限元方法和數值方法聯合求解，也就是將求解區分解成大量的小單元，利用變分原理，將其邊界問題分解成一個由節點溫度作為變量的代數方程。該方法能解決邊界條件非常復雜的問題，而這種方法經常用于二維、三維溫度場的問題[2]。

1.4 溫度應力的有限單元法

沉管混凝土體積較大，相應的拉應力會在水化反應熱效應下產生。溫度應力可應用有限單元法求解得出，具體過程是將溫度應變作為初始應變，解得熱載荷，以此求出相應的溫度應力。

1.4.1 溫度應力的基本方程

對于材料各向同性的空間問題，存在15個未知分量，其中包含3個位移分量(u、v、w)、6個應力分量(σx、σy、σz、σxy、σxz、σyz)和6個應變分量(εx、εy、εz、γx、γy、γz)，具體的平衡方程如下所示：

(4)

式中：E—彈性模量；μ—泊松比。

1.4.2 空間單剛矩陣和載荷矩陣

設單元的函數矩陣為：

[N]=[INiINjINmINn]

(5)

單元內任意一點的位移可表示為：

[f]=[N][δ]e

(6)

單元中任一點的位移都可以通過計算得出，進而得出對應的應變。即：

[ε]=[B][δ]e[BiBjBmBn][δ]e

(7)

在有限元法中，應力列陣可以表示為：

[σ]=[D][ε]=[D][B][δ]e

(8)

式中:[D]—彈性矩陣。

當只考慮水化熱作用時，對于單元e，由虛功原理可得到剛度矩陣：

(9)

綜上，因溫度變化而產生的單元節點等效荷載可以表示為：

(10)

由單元節點等效荷載求解溫變節點位移δ，再由式：

[ε]=[B][δ]e[BiBjBmBn][δ]e

(11)

求得熱應力σ。

2 數值仿真分析

本文選取沉管第一段管片的混凝土結構建模，取底板進行分析，底板結構尺寸如圖1所示。

圖1 第一段沉管混凝土底板尺寸(單位：mm)

2.1 數值仿真模型的建立

由對稱性取1/2構件模型(圖2)，網格尺寸：100mm×100mm，網格數量：177 300。

圖2 1/2沉管有限元模型

2.1.1 模型參數

根據《大體積混凝土施工規范》(GB50496-2018)，有：

(1)混凝土的比熱容和導熱系數，可查G.0.1中的規定得出。

(2)混凝土試塊表面換熱系數。管片采用6mm鋼模板，混凝土入模時的環境平均溫度約28℃，現場無劇烈的空氣流動，計算得出混凝土試塊與空氣上接觸面放熱系數為18.442 2W/(m2·K)，試塊周圍放熱系數為7.0W/(m2·K)。

(3)最大絕熱升溫與導溫系數見表1。

表1 最大絕熱升溫與導溫系數

2.1.2 邊界條件

將對稱邊界作為對稱面的內力邊界，并賦予其絕熱條件；其他面上賦予熱交換條件，環境溫度取環境的平均溫度：22℃/28℃。

2.1.3 施工段設置

模型被劃分成2個施工段，陸續激活各施工段單元，同時激活與鈍化相應的邊界條件，以最大限度地模擬實際工況。工期總時長為14d，各段劃分出16個控制時間點位(0.1d、0.2d、0.5d、0.8d、1.0d、1.2d、1.5d、1.8d、2.0d、2.5d、3d、4d、5d、7d、12d、14d)。冷卻管如圖2和圖3所示，冷卻管直徑30mm，取對流系數1.338e6W/m2.[T]，比熱4 186J.g/N/[T]，入口溫度40℃，流量約1.5m3/h。

2.2 數值仿真結果

2.2.1 沉管溫度分析

通過使用Midas/FEA進行有限元數值分析，得到構件的溫度分布場。如圖3所示，混凝土最高溫度為72.8℃，出現在構件頂板上，其中第一澆筑段的最高溫度為71.4℃，出現在中間側墻與底板連接處。

圖3 構件溫度場分布

通過溫度云圖可知，混凝土構件側墻與頂(底)連接處是溫度分布出現>70℃的主要位置，因該處混凝土的體積較大，所以具有較長的散熱路徑，實際工程在上述位置應合理布設溫度傳感器。

2.2.2 沉管應力分析

由于沉管混凝土體積較大，在水化熱作用下構件產生了拉應力，其底板熱應力場分布如圖4所示,沉管各階段拉應力分布如圖5所示。

表3 混凝土拉應力超限率

圖4 熱應力場分布

圖5 沉管各階段拉應力分布

通過以上沉管不同階段的應力場以及拉應力超限率來看，整個構件的拉應力基本在混凝土抗拉容許值之內，因此初步判斷混凝土不會產生裂縫。

2.2.3 沉管有限元參數化分析

2.2.3.1 環境溫度與入模溫度

混凝土在不同的澆筑環境下，由于溫度升高及其與空氣的熱交換發生變化，導致溫度場分布會發生變化，因此對不同的入模溫度和環境溫度進行參數化分析。

表4 不同入模溫度條件下沉管混凝土的最高溫度

表5 不同環境溫度條件下沉管混凝土的最高溫度

圖6 不同入模溫度條件下沉管混凝土的最高溫度

圖7 不同環境溫度條件下沉管混凝土的最高溫度

由上述圖表可以看出，結構內側的熱交換系數越小，其測點溫度越高，可通過降低混凝土的入模溫度及周邊溫度來使混凝土構件內部的最高溫度顯著降低。

2.2.3.2 散熱系數

構件表面熱交換系數隨著空氣流速的變化而變化，分析中改變構件內側表面的熱交換系數就是為了模擬空氣流速的變化，熱交換系數越大表明空氣流速越大，混凝土結構底板上表面最高。本次分析選取5組不同的熱交換系數，相應選擇的溫度測點如圖8所示，不同散熱系數下各測點的的溫度變化趨勢如圖9和圖11所示?？芍夯炷羶葌赛c溫度會隨著其熱交換系數變小而升高，混凝土內表面溫度在其延長度方向變化趨勢不明顯。

圖8 沉管不同散熱系數下溫度測點

圖9 沉管測點1不同散熱系數下溫度測點

圖10 沉管測點2不同散熱系數下溫度測點

圖11 沉管測點3不同散熱系數下溫度測點

3 現場施工質量控制

金光東隧道沉管部分屬于大體積混凝土施工，澆筑量大。為了更好地監測到在大體積混凝土施工過程中混凝土的升溫曲線以及混凝土內外溫差的變化，監測方案實施之前，應進行相應的數值仿真，了解結構的溫度在澆筑過程中變化的大致情況。在實際監測過程中，如果混凝土構件的內表溫差、表面與環境溫差、降溫速率等參數指標臨近極值，在其表面做好充分的保溫措施，可以減小降溫速率，從而降低內表溫差?，F場施工質量控制的工藝流程如圖12所示。

圖12 現場施工質量控制工藝流程

3.1 側墻冷卻管的布置

為防止因冷卻管水與混凝土溫差過大引起水管周圍混凝土出現放射狀裂紋的現象，現場構件采用可加熱的水箱循環系統，以保證開啟冷卻管時其冷卻水的溫度和混凝土內部溫差不超過25℃。按照水冷卻系統的要求，對水冷卻系統進行水管布置，如圖13和圖14所示。下側墻冷卻水管間距取1.6m，采用鋼管，管徑取30mm，管長18.5m+1.6m+18.5m=38.6m。冷卻管布置在側墻中心。

圖13 冷卻管布置(單位：mm)

圖14 截面A-A、B-B冷卻管布置(單位：mm)

水冷卻系統對混凝土溫度進行控制的方法：混凝土經過初凝階段后，打開水冷卻系統使其運行，對進水溫度進行控制的同時也要控制出水溫度。

監控儀器布置如圖15所示。進水溫度要求與混凝土內部最高溫度的溫差不超過25℃即可，并通過改變冷卻水流量，調節冷卻水帶出的熱量，以此控制混凝土的降溫速率。

圖15 監控儀器布置(A-A和B-B截面 單位：mm)

影響沉管大體積混凝土溫度的影響因素較多，監測過程中需要對環境溫度、現場風速、各階段混凝土的溫度進行監測。

如圖16和圖17所示，布置測點時，考慮到混凝土結構是對稱的，結合一般混凝土溫度變化的規律，將溫度測點布置在20m節段橫向中部截面D及與前端距離為50cm的截面C的上部偏左位置。

圖16 混凝土試件溫度傳感器分布位置(單位：mm)

圖17 截面C、D上溫度傳感器布置(單位：mm)

布設15個溫度傳感器在每個剖面上，兩個剖面共布設30個傳感器，記錄得到試塊各測點的溫度數據，繪制時變曲線。

3.2 監測結果

本文的溫度監測頻率為澆筑后72h內每0.5h采集一次數據，之后的24h保持每1h采集一次數據。沉管底板的溫升曲線如圖18所示。

圖18 沉管下半部分有限元分析與實測溫升曲線

在混凝土結構剖面D底板的測點，測得上表面最高溫度為60.4℃、下表面最高溫度為64.8℃；在C側墻與底板倒角中心測點，測得底板中心最高溫度為73.0℃。

通過對沉管現場的實測數據和有限元計算結果的對比，表明該模型的計算結果與實測的混凝土溫度變化基本吻合。沉管側墻與底板的連接處是構件溫度分布中出現大于70℃的主要位置，因混凝土體積較大而具有較長的散熱路徑，實際施工中應著重關注。

4 結論

(1)根據數值仿真的結果可知，大體積混凝土試件在0～14d內出現的應力與混凝土的溫度密切相關，若實際澆筑前2周內出現應力過大的情況,則應分析溫度監控指標后采取相應的措施，澆筑2周以后出現的應力與混凝土內部的約束及混凝土的收縮關系較大。

(2)對大體積混凝土構件進行數值仿真所得到的溫度變化情況，與現場實測的基本相符。數值仿真是現場施工質量控制技術的關鍵步驟，對現場施工具有重要的指導意義。

(3)沉管構件側墻與頂(底)連接處是溫度分布中最高溫度的主要位置，因混凝土體積較大而具有較長的散熱路徑，實際施工中應著重關注。

(4)根據數值仿真的結論可知，混凝土內側熱交換系數越小，內側點溫度越高，所以在實際施工中應充分考慮現場風速對大體積混凝土施工質量的影響。