1、考慮溫度荷載作用的白鶴灘隧洞襯砌拆模時(shí)間研究大型隧洞混凝土襯砌一般采用鋼模臺(tái)車，鋼模臺(tái)車造價(jià)很高，而且制造復(fù)雜、安裝調(diào)試工期長，為節(jié)省工程投資，需盡量減少鋼模臺(tái)車的數(shù)量，提高鋼模臺(tái)車的使用效率。提高鋼模臺(tái)車的周轉(zhuǎn)速度除與混凝土澆筑時(shí)間有關(guān)外，還與模板的拆除時(shí)間密切相關(guān)。拆模時(shí)間的長短會(huì)影響襯砌施工速度，如果能縮短拆模時(shí)間，提前拆除承重模板，縮短模板周轉(zhuǎn)期，對提高混凝土襯砌的速度非常有利。按照相關(guān)管理要求，白鶴灘泄洪洞洞身襯砌頂拱澆筑完成后必須48 h后方可進(jìn)行拆除，而單倉頂拱澆筑時(shí)間為37 h，備倉時(shí)間為48 h，綜合分析頂拱襯砌單倉循環(huán)時(shí)間約為5.54 d，單月澆筑強(qiáng)度為5.4倉，考慮施工期

2、間其他影響因數(shù)，每月只能澆筑4.5倉。如果能縮短拆模時(shí)間，頂拱每月澆筑大于6倉，將至少減少10個(gè)月工期，有利于保證工程工期。1 施工規(guī)范對拆模的要求現(xiàn)澆混凝土襯砌結(jié)構(gòu)頂部大多屬于拱的形式?；炷潦┕ひ?guī)范規(guī)定襯砌混凝土頂拱的跨度不大于8 m時(shí)，其強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的75%以上才能拆模；跨度大于8 m時(shí)，其強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的100%時(shí)才能拆模。按照上述強(qiáng)度拆模，拆模時(shí)間將長達(dá)1428 d。同時(shí)規(guī)范規(guī)定，經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)復(fù)核，混凝土的實(shí)際強(qiáng)度已經(jīng)能夠承受自重及其他荷載時(shí)可提前拆模。在保證質(zhì)量和安全的前提下，經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)復(fù)核，混凝土的實(shí)際強(qiáng)度已經(jīng)能夠承受自重及其他荷載時(shí)，襯砌混

3、凝土承重模板的拆模時(shí)間可以提前到1236 h，大量工程實(shí)踐已經(jīng)證明了這一點(diǎn)1-3。部分大型工程拆模時(shí)間如表1所示。表1部分大型工程實(shí)際拆模時(shí)間統(tǒng)計(jì)Table 1Statistical table of actual formwork removal time of some large projects工程名稱隧洞型式斷面尺寸襯砌厚度/m拆模時(shí)間/h二灘水電站引水隧洞圓形9 m（直徑）0.8012二灘水電站泄洪隧洞城門洞型13 m13.5 m（寬高）1.0024拉西瓦水電站尾水洞圓形17.5 m（直徑）0.8018南水北調(diào)穿黃隧洞圓形7 m（直徑）0.4524烏東德水電站泄洪洞、發(fā)電洞城門洞型

4、、圓形有壓14 m18 m（寬高）0.801.5024三峽水利樞紐永久船閘輸水洞城門洞型7 m9 m（寬高）0.8036溪洛渡水電站導(dǎo)流洞城門洞型18 m20 m（寬高）1.0024溪洛渡水電站泄洪洞城門洞型14 m19 m（寬高）0.801.5024白鶴灘水電站導(dǎo)流洞城門洞型17.5 m22.5 m（寬高）1.102.501824提前拆模時(shí)間通?？紤]混凝土結(jié)構(gòu)自重等的影響，借助結(jié)構(gòu)力學(xué)方法或有限元法計(jì)算不同拆模時(shí)間混凝土的拉應(yīng)力，并根據(jù)施工強(qiáng)度的要求和現(xiàn)場施工進(jìn)度要求確定拆模時(shí)間1，2，4-11。對于一些大型隧洞襯砌混凝土，溫度荷載所產(chǎn)生的拉應(yīng)力也很大，如果水泥的水化熱較高，則產(chǎn)生的溫度拉應(yīng)

5、力很可能成為拆模時(shí)間的控制因素3，12-14。2 工程計(jì)算參數(shù)2.1結(jié)構(gòu)模型以白鶴灘泄洪洞洞身上平段為例，斷面如圖1所示，城門洞型斷面為15 m15 m，襯砌厚度為1.0 m，沿泄洪洞軸線方向每隔12 m設(shè)置環(huán)向施工分縫。白鶴灘泄洪洞為類圍巖，襯砌結(jié)構(gòu)的底板和邊墻為C9040低熱混凝土，頂拱為C9030低熱混凝土，其中頂拱中部采用自密實(shí)混凝土，頂拱兩側(cè)采用一級(jí)配或二級(jí)配混凝土。圖1泄洪洞洞身上平段A型襯砌橫斷面圖(單位：cm)Fig.1Cross section of A-type lining of upper flat section of flood discharge tunnel(u

6、nit:cm)2.2環(huán)境溫度氣溫的年周期變化過程公式如下：Ta=A+Bcos(2365(tC)（1）式中：Ta為t時(shí)刻的環(huán)境氣溫；A為多年平均氣溫；B為氣溫年變幅；C為最高氣溫距離1月1日的天數(shù)。對于隧洞內(nèi)部來說，氣溫的年變幅小于露野氣溫的年變幅，隧洞多年平均氣溫要高于露野的多年平均氣溫。根據(jù)洞內(nèi)施工實(shí)測氣溫資料和當(dāng)?shù)貧庀蟛块T氣溫資料及隧洞氣溫變化的實(shí)際特點(diǎn)，取洞內(nèi)溫度A23 ，B3 ，C=210 d。2.3混凝土力學(xué)參數(shù)混凝土力學(xué)參數(shù)如表2所示。各齡期的彈性模量E擬合公式的函數(shù)表達(dá)式為E()=E0(1eab)（2）式中：為齡期，d；a、b為公式系數(shù)；E0為最終彈性模量，取1.2E（90 d）

7、。表2混凝土力學(xué)參數(shù)Table 2Mechanical parameters of concrete混凝土坍落度/mm劈裂抗拉強(qiáng)度/MPa軸拉強(qiáng)度/MPa極限拉伸值(10-6)彈模/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混凝土熱學(xué)參數(shù)混凝土絕熱

8、溫升T計(jì)算公式為T(t)=T0ta+t（3）式中：a為水化熱達(dá)到一半的齡期；T0為最終絕熱溫升。低熱混凝土熱學(xué)性能參數(shù)如表3所示。表3混凝土熱學(xué)參數(shù)Table 3Thermal parameters of concrete標(biāo)號(hào)塌落度/mm級(jí)配比熱/(kJ(kg)-1)導(dǎo)熱系數(shù)/(kJ(mh)-1)容重/(kNm-3)線膨脹系數(shù)/(10-6-1)導(dǎo)溫系數(shù)/(m2h-1)絕熱溫升/()T0/a/dC9030150泵送二級(jí)0.8334.9024.216.740.002 131.501.22C902570常態(tài)三級(jí)0.8304.6824.406.810.002 131.201.50C9025120泵送三

9、級(jí)0.8304.6824.216.670.002 139.601.322.5抗拉安全系數(shù)根據(jù)2022-122022-04對已澆筑頂拱混凝土取樣進(jìn)行的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可知，泄洪洞頂拱中部自密實(shí)混凝土24 h抗壓強(qiáng)度為3.73 MPa，側(cè)部二級(jí)配混凝土24 h抗壓強(qiáng)度為3.3 MPa。本文取抗壓強(qiáng)度的1/12作為抗拉強(qiáng)度，計(jì)算抗拉安全系數(shù)。地下工程混凝土施工期應(yīng)力的抗拉安全系數(shù)最小值標(biāo)準(zhǔn)目前有關(guān)規(guī)范還沒有明確規(guī)定，拱壩只有容許最大拉應(yīng)力要求，不便進(jìn)行施工期拉應(yīng)力控制。根據(jù)規(guī)范要求15，考慮到地下工程的等級(jí)一般低于攔河大壩，抗拉安全系數(shù)取3.0。2.6初始條件和邊界條件1）在溫度場的計(jì)算中，將混凝土

10、的澆筑溫度、地溫分別作為襯砌混凝土和地基的初始溫度。在應(yīng)力場仿真分析中，將參考溫度下溫度應(yīng)力為0時(shí)的應(yīng)力場作為初始應(yīng)力場。2）在溫度場的計(jì)算中，襯砌結(jié)構(gòu)對稱面和遠(yuǎn)離襯砌的圍巖面在熱分析中為絕熱邊界，屬于第二類熱學(xué)邊界條件。在應(yīng)力場的計(jì)算中，圍巖周邊取為全約束邊界，襯砌結(jié)構(gòu)對稱面取垂直該邊界的對稱約束。3）在溫度場的計(jì)算中，拆模前為襯砌混凝土通過鋼模板表面與空氣進(jìn)行熱對流；拆模后，襯砌混凝土直接與空氣進(jìn)行對流散熱。在應(yīng)力場的計(jì)算中模板起法向約束作用。3 只考慮自重作用的拆模時(shí)間拆模時(shí)頂拱結(jié)構(gòu)僅承受混凝土的自重荷載，原因如下：1）頂拱襯砌時(shí)洞室開挖和初期支護(hù)已完成，洞室已經(jīng)穩(wěn)定，洞室變形已經(jīng)很小。

11、2）由于澆筑混凝土設(shè)備的限制，頂拱混凝土澆筑時(shí)上部空間的混凝土不飽滿，頂拱中心一定范圍內(nèi)混凝土和頂部圍巖并未接觸，存在著一定的空隙，往往需要經(jīng)過回填灌漿才能保證緊密結(jié)合，故灌漿前頂部圍巖荷載不會(huì)傳到頂拱結(jié)構(gòu)上。3）澆筑混凝土?xí)r圍巖滲水往往通過預(yù)先埋設(shè)的排水管排除，不存在內(nèi)外水壓力。根據(jù)施工方提供的資料，襯砌混凝土的初凝時(shí)間為12 h，終凝時(shí)間為20 h，在初凝時(shí)間之前，混凝土自重荷載由模板承擔(dān)，在初凝時(shí)間和終凝時(shí)間之間，混凝土的自重荷載按照線性變化逐漸由模板承擔(dān)轉(zhuǎn)化到襯砌混凝土自身承擔(dān)。根據(jù)泄洪洞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，計(jì)算對象可按照對稱條件截取。規(guī)定沿洞軸線往洞外為z軸正向，圍巖范圍徑向取3倍洞徑左右。巖

12、體和襯砌統(tǒng)一采用空間八結(jié)點(diǎn)等參單元，結(jié)構(gòu)段模型共劃分三維塊體單元8 346個(gè)，襯砌中央橫斷面處混凝土塊體單元尺寸不超過0.5 m。成果整理斷面取3處代表點(diǎn)，如圖2所示。圖2成果整理代表點(diǎn)示意圖Fig.2Sketch map of representative points將混凝土澆筑后12、24、36、48、60、72和84 h拆模分別作為計(jì)算方案，該方案下的第1主應(yīng)力云圖如圖3所示，澆筑完成后12 h拆模時(shí)自重作用下的拉應(yīng)力與抗拉安全系數(shù)如表4所示。圖312 h拆模的第1主應(yīng)力云圖（單位:Pa）Fig.3The first principal stress nephogram while t

13、he removal time is 12 h(unit:Pa)表412 h拆模時(shí)代表點(diǎn)拉應(yīng)力與最小抗拉安全系數(shù)Table 4Tensile stress and minimum tensile safety factor of representative points while the removal time is 12 h斷面代表點(diǎn)拉應(yīng)力/MPa最小抗拉安全系數(shù)自密實(shí)混凝土一級(jí)配混凝土二級(jí)配混凝土A-A表面點(diǎn)10.0524.88中間點(diǎn)10.01713.26圍巖點(diǎn)10.00923.28B-B表面點(diǎn)2中間點(diǎn)2圍巖點(diǎn)20C-C表面點(diǎn)30中間點(diǎn)30.00829.9019.87圍巖點(diǎn)30.02

14、111.867.78注：頂拱中部采用自密實(shí)混凝土，頂拱兩側(cè)采用一級(jí)配或二級(jí)配混凝土。B-B、C-C斷面分別列有2種安全系數(shù)。由表4可見，在12 h拆模條件下，A-A斷面表面點(diǎn)1、中間點(diǎn)1、圍巖點(diǎn)1的最大拉應(yīng)力都比較小，最小抗拉安全系數(shù)為4.88、13.26、23.28，均大于3.0，抗拉安全系數(shù)滿足要求。A-A斷面表面點(diǎn)拉應(yīng)力最大，表5僅列出澆筑完畢24、36、48、60、72和84 h拆模的相關(guān)結(jié)果。僅考慮自重的作用，澆筑完畢12 h拆模時(shí)混凝土強(qiáng)度完全可滿足安全要求。表5不同拆模時(shí)間A-A斷面表面點(diǎn)最大拉應(yīng)力及抗拉安全系數(shù)Table 5Maximum tensile stress and

15、its tensile safety factor of section A-A surface points at different removal time拆模時(shí)間/h最大拉應(yīng)力/MPa抗拉安全系數(shù)120.0524.88240.0488.88360.04811.50480.04813.06600.04814.75720.04815.53840.04816.704 考慮溫度荷載的拆模時(shí)間一般情況下，洞內(nèi)氣溫變化不大，溫度變化對混凝土強(qiáng)度增長影響較小，但由于混凝土早期水化熱的作用，造成拆模后混凝土內(nèi)部和表面產(chǎn)生內(nèi)外溫差，此溫差在混凝土表面會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，對拆模不利，故在提前拆模時(shí)，需要復(fù)核拆模

16、時(shí)混凝土的實(shí)際強(qiáng)度是否已經(jīng)能夠承受自重和溫度荷載共同作用?；炷两Y(jié)構(gòu)安全需用抗拉安全系數(shù)與抗裂安全系數(shù)共同表征?？沽寻踩禂?shù)為混凝土的抗拉強(qiáng)度除以混凝土的拉應(yīng)力，抗拉強(qiáng)度用彈性模量極限拉伸值表征。目前有關(guān)規(guī)范也對地下工程混凝土施工期溫度應(yīng)力的抗裂安全系數(shù)最小值沒有明確規(guī)定，文獻(xiàn)16對混凝土溫控防裂要求為1.51.8，施工期為其中的小值；文獻(xiàn)12對混凝土溫控防裂要求為1.52.0，本文按1.5控制。假設(shè)襯砌澆筑時(shí)間為2月1日，混凝土澆筑溫度為18 。通水冷卻參數(shù)為：PE管管徑為25 mm，水管間距為1.0 m0.5 m，通水水溫為20 ，通水流量為48 m3/d。混凝土熱學(xué)參數(shù)如表6所示。表6白

17、鶴灘低熱混凝土熱學(xué)參數(shù)Table 6Statistical table of thermal parameters of low heat concrete of the Baihetan Project強(qiáng)度等級(jí)比熱/(kJ(kg)-1)導(dǎo)熱系數(shù)/(kJ(mh)-1)容重/(kNm-3)線膨脹系數(shù)/(10-6-1)導(dǎo)溫系數(shù)/(m2h-1)絕熱溫升()T0/a/dC90300.8334.9024.216.740.002 131.501.22考慮溫度荷載作用后，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)部位還是A斷面的表面點(diǎn)1，僅列出該點(diǎn)在不同拆模時(shí)間的拉應(yīng)力及其安全系數(shù)，如表7所示。不同拆模時(shí)間A-A斷面表面點(diǎn)抗裂安全系數(shù)

18、變化如圖4所示。表7不同拆模時(shí)間A-A斷面表面點(diǎn)最大拉應(yīng)力及安全系數(shù)Table 7Maximum tensile stress and its tensile safety factor of section A-A surface points at different removal time拆模時(shí)間/h最大拉應(yīng)力/MPa最小抗拉安全系數(shù)最小抗裂安全系數(shù)120.143.043.65240.173.253.14360.203.132.87480.223.222.80600.233.242.91720.213.823.36840.184.454.20圖4不同拆模時(shí)間下A-A斷面表面點(diǎn)抗裂安全系

19、數(shù)Fig.4Section A-A surface points anti-crack safety factor at different removal time由表7可見，考慮溫度荷載的作用時(shí)，混凝土抗拉安全系數(shù)比表3有明顯的降低，不管是抗拉安全系數(shù)還是抗裂安全系數(shù)都滿足要求，但12 h拆模時(shí)抗拉安全系數(shù)值較小，拆模時(shí)間宜為24 h。由圖4可見，隨著拆模時(shí)間的延長，A-A斷面表面點(diǎn)的抗裂安全系數(shù)出現(xiàn)先降低后增加的規(guī)律，拐點(diǎn)出現(xiàn)在3648 h，抗拉安全系數(shù)也有一定的變化，這可能與48 h拆模方案下表面點(diǎn)最高、溫度（27.67 ）相較于其他方案最高，同時(shí)最大內(nèi)外溫差（7.93 ）較大導(dǎo)致溫度應(yīng)力增大有關(guān)。因此，在制定拆模時(shí)間方案時(shí)，應(yīng)盡量避免將拆模時(shí)間定為48 h左右，可定為2436 h。綜上可知，雖然2436 h拆?；炷恋膹?qiáng)度還較低，但混凝土的實(shí)際強(qiáng)度已經(jīng)能夠承受自重和溫度荷載的共同作用，頂拱模板在混凝土澆筑完2436 h拆除是安全可行的。本工程中