考虑温度荷载作用的白鹤滩隧洞衬砌拆模时间研究

1、考虑温度荷载作用的白鹤滩隧洞衬砌拆模时间研究大型隧洞混凝土衬砌一般采用钢模台车，钢模台车造价很高，而且制造复杂、安装调试工期长，为节省工程投资，需尽量减少钢模台车的数量，提高钢模台车的使用效率。提高钢模台车的周转速度除与混凝土浇筑时间有关外，还与模板的拆除时间密切相关。拆模时间的长短会影响衬砌施工速度，如果能缩短拆模时间，提前拆除承重模板，缩短模板周转期，对提高混凝土衬砌的速度非常有利。按照相关管理要求，白鹤滩泄洪洞洞身衬砌顶拱浇筑完成后必须48 h后方可进行拆除，而单仓顶拱浇筑时间为37 h，备仓时间为48 h，综合分析顶拱衬砌单仓循环时间约为5.54 d，单月浇筑强度为5.4仓，考虑施工期

2、间其他影响因数，每月只能浇筑4.5仓。如果能缩短拆模时间，顶拱每月浇筑大于6仓，将至少减少10个月工期，有利于保证工程工期。1 施工规范对拆模的要求现浇混凝土衬砌结构顶部大多属于拱的形式。混凝土施工规范规定衬砌混凝土顶拱的跨度不大于8 m时，其强度应达到设计的混凝土强度标准的75%以上才能拆模；跨度大于8 m时，其强度应达到设计混凝土强度标准的100%时才能拆模。按照上述强度拆模，拆模时间将长达1428 d。同时规范规定，经过计算和试验复核，混凝土的实际强度已经能够承受自重及其他荷载时可提前拆模。在保证质量和安全的前提下，经过计算和试验复核，混凝土的实际强度已经能够承受自重及其他荷载时，衬砌混

3、凝土承重模板的拆模时间可以提前到1236 h，大量工程实践已经证明了这一点1-3。部分大型工程拆模时间如表1所示。表1部分大型工程实际拆模时间统计Table 1Statistical table of actual formwork removal time of some large projects工程名称隧洞型式断面尺寸衬砌厚度/m拆模时间/h二滩水电站引水隧洞圆形9 m（直径）0.8012二滩水电站泄洪隧洞城门洞型13 m13.5 m（宽高）1.0024拉西瓦水电站尾水洞圆形17.5 m（直径）0.8018南水北调穿黄隧洞圆形7 m（直径）0.4524乌东德水电站泄洪洞、发电洞城门洞型

4、、圆形有压14 m18 m（宽高）0.801.5024三峡水利枢纽永久船闸输水洞城门洞型7 m9 m（宽高）0.8036溪洛渡水电站导流洞城门洞型18 m20 m（宽高）1.0024溪洛渡水电站泄洪洞城门洞型14 m19 m（宽高）0.801.5024白鹤滩水电站导流洞城门洞型17.5 m22.5 m（宽高）1.102.501824提前拆模时间通常考虑混凝土结构自重等的影响，借助结构力学方法或有限元法计算不同拆模时间混凝土的拉应力，并根据施工强度的要求和现场施工进度要求确定拆模时间1，2，4-11。对于一些大型隧洞衬砌混凝土，温度荷载所产生的拉应力也很大，如果水泥的水化热较高，则产生的温度拉应

5、力很可能成为拆模时间的控制因素3，12-14。2 工程计算参数2.1结构模型以白鹤滩泄洪洞洞身上平段为例，断面如图1所示，城门洞型断面为15 m15 m，衬砌厚度为1.0 m，沿泄洪洞轴线方向每隔12 m设置环向施工分缝。白鹤滩泄洪洞为类围岩，衬砌结构的底板和边墙为C9040低热混凝土，顶拱为C9030低热混凝土，其中顶拱中部采用自密实混凝土，顶拱两侧采用一级配或二级配混凝土。图1泄洪洞洞身上平段A型衬砌横断面图(单位：cm)Fig.1Cross section of A-type lining of upper flat section of flood discharge tunnel(u

6、nit:cm)2.2环境温度气温的年周期变化过程公式如下：Ta=A+Bcos(2365(tC)（1）式中：Ta为t时刻的环境气温；A为多年平均气温；B为气温年变幅；C为最高气温距离1月1日的天数。对于隧洞内部来说，气温的年变幅小于露野气温的年变幅，隧洞多年平均气温要高于露野的多年平均气温。根据洞内施工实测气温资料和当地气象部门气温资料及隧洞气温变化的实际特点，取洞内温度A23 ，B3 ，C=210 d。2.3混凝土力学参数混凝土力学参数如表2所示。各龄期的弹性模量E拟合公式的函数表达式为E()=E0(1eab)（2）式中：为龄期，d；a、b为公式系数；E0为最终弹性模量，取1.2E（90 d）

7、。表2混凝土力学参数Table 2Mechanical parameters of concrete混凝土坍落度/mm劈裂抗拉强度/MPa轴拉强度/MPa极限拉伸值(10-6)弹模/GPa泊松比7 d28 d90 d28 d90 d7 d28 d90 d7 d28 d90 d0.17C90301500.9301.872.852.433.3058879816.124.529.50.17C9040701.3202.953.792.433.59709010320.127.831.80.171201.5842.703.632.538096-19.824.929.20.172.4混凝土热学参数混凝土绝热

8、温升T计算公式为T(t)=T0ta+t（3）式中：a为水化热达到一半的龄期；T0为最终绝热温升。低热混凝土热学性能参数如表3所示。表3混凝土热学参数Table 3Thermal parameters of concrete标号塌落度/mm级配比热/(kJ(kg)-1)导热系数/(kJ(mh)-1)容重/(kNm-3)线膨胀系数/(10-6-1)导温系数/(m2h-1)绝热温升/()T0/a/dC9030150泵送二级0.8334.9024.216.740.002 131.501.22C902570常态三级0.8304.6824.406.810.002 131.201.50C9025120泵送三

9、级0.8304.6824.216.670.002 139.601.322.5抗拉安全系数根据2022-122022-04对已浇筑顶拱混凝土取样进行的力学性能试验结果可知，泄洪洞顶拱中部自密实混凝土24 h抗压强度为3.73 MPa，侧部二级配混凝土24 h抗压强度为3.3 MPa。本文取抗压强度的1/12作为抗拉强度，计算抗拉安全系数。地下工程混凝土施工期应力的抗拉安全系数最小值标准目前有关规范还没有明确规定，拱坝只有容许最大拉应力要求，不便进行施工期拉应力控制。根据规范要求15，考虑到地下工程的等级一般低于拦河大坝，抗拉安全系数取3.0。2.6初始条件和边界条件1）在温度场的计算中，将混凝土

10、的浇筑温度、地温分别作为衬砌混凝土和地基的初始温度。在应力场仿真分析中，将参考温度下温度应力为0时的应力场作为初始应力场。2）在温度场的计算中，衬砌结构对称面和远离衬砌的围岩面在热分析中为绝热边界，属于第二类热学边界条件。在应力场的计算中，围岩周边取为全约束边界，衬砌结构对称面取垂直该边界的对称约束。3）在温度场的计算中，拆模前为衬砌混凝土通过钢模板表面与空气进行热对流；拆模后，衬砌混凝土直接与空气进行对流散热。在应力场的计算中模板起法向约束作用。3 只考虑自重作用的拆模时间拆模时顶拱结构仅承受混凝土的自重荷载，原因如下：1）顶拱衬砌时洞室开挖和初期支护已完成，洞室已经稳定，洞室变形已经很小。

11、2）由于浇筑混凝土设备的限制，顶拱混凝土浇筑时上部空间的混凝土不饱满，顶拱中心一定范围内混凝土和顶部围岩并未接触，存在着一定的空隙，往往需要经过回填灌浆才能保证紧密结合，故灌浆前顶部围岩荷载不会传到顶拱结构上。3）浇筑混凝土时围岩渗水往往通过预先埋设的排水管排除，不存在内外水压力。根据施工方提供的资料，衬砌混凝土的初凝时间为12 h，终凝时间为20 h，在初凝时间之前，混凝土自重荷载由模板承担，在初凝时间和终凝时间之间，混凝土的自重荷载按照线性变化逐渐由模板承担转化到衬砌混凝土自身承担。根据泄洪洞结构特点，计算对象可按照对称条件截取。规定沿洞轴线往洞外为z轴正向，围岩范围径向取3倍洞径左右。岩

12、体和衬砌统一采用空间八结点等参单元，结构段模型共划分三维块体单元8 346个，衬砌中央横断面处混凝土块体单元尺寸不超过0.5 m。成果整理断面取3处代表点，如图2所示。图2成果整理代表点示意图Fig.2Sketch map of representative points将混凝土浇筑后12、24、36、48、60、72和84 h拆模分别作为计算方案，该方案下的第1主应力云图如图3所示，浇筑完成后12 h拆模时自重作用下的拉应力与抗拉安全系数如表4所示。图312 h拆模的第1主应力云图（单位:Pa）Fig.3The first principal stress nephogram while t

13、he removal time is 12 h(unit:Pa)表412 h拆模时代表点拉应力与最小抗拉安全系数Table 4Tensile stress and minimum tensile safety factor of representative points while the removal time is 12 h断面代表点拉应力/MPa最小抗拉安全系数自密实混凝土一级配混凝土二级配混凝土A-A表面点10.0524.88中间点10.01713.26围岩点10.00923.28B-B表面点2中间点2围岩点20C-C表面点30中间点30.00829.9019.87围岩点30.02

14、111.867.78注：顶拱中部采用自密实混凝土，顶拱两侧采用一级配或二级配混凝土。B-B、C-C断面分别列有2种安全系数。由表4可见，在12 h拆模条件下，A-A断面表面点1、中间点1、围岩点1的最大拉应力都比较小，最小抗拉安全系数为4.88、13.26、23.28，均大于3.0，抗拉安全系数满足要求。A-A断面表面点拉应力最大，表5仅列出浇筑完毕24、36、48、60、72和84 h拆模的相关结果。仅考虑自重的作用，浇筑完毕12 h拆模时混凝土强度完全可满足安全要求。表5不同拆模时间A-A断面表面点最大拉应力及抗拉安全系数Table 5Maximum tensile stress and

15、its tensile safety factor of section A-A surface points at different removal time拆模时间/h最大拉应力/MPa抗拉安全系数120.0524.88240.0488.88360.04811.50480.04813.06600.04814.75720.04815.53840.04816.704 考虑温度荷载的拆模时间一般情况下，洞内气温变化不大，温度变化对混凝土强度增长影响较小，但由于混凝土早期水化热的作用，造成拆模后混凝土内部和表面产生内外温差，此温差在混凝土表面会产生拉应力，对拆模不利，故在提前拆模时，需要复核拆模

16、时混凝土的实际强度是否已经能够承受自重和温度荷载共同作用。混凝土结构安全需用抗拉安全系数与抗裂安全系数共同表征。抗裂安全系数为混凝土的抗拉强度除以混凝土的拉应力，抗拉强度用弹性模量极限拉伸值表征。目前有关规范也对地下工程混凝土施工期温度应力的抗裂安全系数最小值没有明确规定，文献16对混凝土温控防裂要求为1.51.8，施工期为其中的小值；文献12对混凝土温控防裂要求为1.52.0，本文按1.5控制。假设衬砌浇筑时间为2月1日，混凝土浇筑温度为18 。通水冷却参数为：PE管管径为25 mm，水管间距为1.0 m0.5 m，通水水温为20 ，通水流量为48 m3/d。混凝土热学参数如表6所示。表6白

17、鹤滩低热混凝土热学参数Table 6Statistical table of thermal parameters of low heat concrete of the Baihetan Project强度等级比热/(kJ(kg)-1)导热系数/(kJ(mh)-1)容重/(kNm-3)线膨胀系数/(10-6-1)导温系数/(m2h-1)绝热温升()T0/a/dC90300.8334.9024.216.740.002 131.501.22考虑温度荷载作用后，最大拉应力出现部位还是A断面的表面点1，仅列出该点在不同拆模时间的拉应力及其安全系数，如表7所示。不同拆模时间A-A断面表面点抗裂安全系数

18、变化如图4所示。表7不同拆模时间A-A断面表面点最大拉应力及安全系数Table 7Maximum tensile stress and its tensile safety factor of section A-A surface points at different removal time拆模时间/h最大拉应力/MPa最小抗拉安全系数最小抗裂安全系数120.143.043.65240.173.253.14360.203.132.87480.223.222.80600.233.242.91720.213.823.36840.184.454.20图4不同拆模时间下A-A断面表面点抗裂安全系

19、数Fig.4Section A-A surface points anti-crack safety factor at different removal time由表7可见，考虑温度荷载的作用时，混凝土抗拉安全系数比表3有明显的降低，不管是抗拉安全系数还是抗裂安全系数都满足要求，但12 h拆模时抗拉安全系数值较小，拆模时间宜为24 h。由图4可见，随着拆模时间的延长，A-A断面表面点的抗裂安全系数出现先降低后增加的规律，拐点出现在3648 h，抗拉安全系数也有一定的变化，这可能与48 h拆模方案下表面点最高、温度（27.67 ）相较于其他方案最高，同时最大内外温差（7.93 ）较大导致温度应力增大有关。因此，在制定拆模时间方案时，应尽量避免将拆模时间定为48 h左右，可定为2436 h。综上可知，虽然2436 h拆模混凝土的强度还较低，但混凝土的实际强度已经能够承受自重和温度荷载的共同作用，顶拱模板在混凝土浇筑完2436 h拆除是安全可行的。本工程中