CN110008511A - 门洞形断面衬砌边墙混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种门洞形断面衬砌边墙混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法，包括如下步骤：（1）收集计算衬砌结构温控防裂资料；（2）计算衬砌边墙混凝土施工期最大拉应力σ_max；（3）在最大拉应力σ_max≤【σ_max】前提下，按照简单实用经济的原则设计温控措施方案。本发明方法，计算公式简单，能全面、合理反映衬砌结构尺寸、混凝土强度等级、围岩性能、浇筑温度、洞内空气温度年变化和浇筑期洞内气温、是否通水冷却及其水温等主要因素的影响。可以迅速计算任意季节浇筑门洞形断面衬砌边墙混凝土施工期的最大温度拉应力，计算误差小，完全可以用于实际工程进行温度裂缝控制设计计算，特别是初步设计和现场施工期实时快速设计。

Description

门洞形断面衬砌边墙混凝土温控防裂温度应力控制快速设计 方法

技术领域

本发明涉及工程结构混凝土温控防裂技术领域，具体的说是一种门洞形断面衬砌边墙混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法。

背景技术

裂缝是混凝土的主要病害之一。根据裂缝产生的主导原因，可分为外荷载作用引起的结构性裂缝和变形变化作用引起的非结构性裂缝两大类。变形作用包括温度、干缩湿胀和围岩变形等，其中80％都是温度裂缝。近些年，水利水电工程建设高速发展，地下水工的规模和断面尺寸越来越大，地质等环境条件越来越复杂。随着坝高的增大，泄水的流速越来越高，混凝土强度等级也越高。大断面高强度地下水工衬砌边墙混凝土，只要不采取有效的措施，无一例外地都产生了大量裂缝，而且大多是施工期产生贯穿性的温度裂缝(参见图1)。

地下结构工程长期处在潮湿、干湿交替的环境中工作，危害性裂缝的存在严重影响着工程结构的安全性、施工进度工期、导致渗漏甚至渗透破坏、耐久性和寿命、工程造价和美观，还可能诱发其它病害的发生和发展。

现行有关设计规范对于地下工程衬砌边墙混凝土温度裂缝的控制及其计算方法一般都缺乏明确与具体的规定，也没有明确的温控标准。如《水工混凝土结构设计规范》在4.1.2(3)要求“对使用上要求进行裂缝控制的结构构件，应进行抗裂或裂缝宽度验算”，在4.1.8规定“建筑物在施工和运行期间，如温度的变化对建筑物有较大影响时，应进行温度应力计算，并宜采用构造措施和施工措施以消除或减少温度应力。使用中允许出现裂缝的钢筋混凝土结构构件，在计算温度应力时，应考虑裂缝开展而使构件刚度降低的影响”。但没有指明温度应力和温控防裂的计算方法。又如《水工隧洞设计规范》(DL/T5195-2004)仅在11.2.6条要求“温度变化、混凝土干缩和膨胀所产生的应力及灌浆压力对衬砌的影响，宜通过施工措施及构造措施解决。对于高温地区产生的温度应力，应进行专门的研究”。

对使用上要求控制裂缝的部分地下工程衬砌边墙混凝土(如高流速泄洪洞、发电洞引水段等)在施工期的温控防裂设计计算和温度应力计算，目前主要采用有限元法。在完成结构设计后，通过大量方案的温度与温度应力的仿真计算分析提出施工温控防裂方案及其现场施工最高温度控制标准。这样做，精度较高，而且可以优化施工方案。但需要先进行混凝土配合比和大量性能参数试验，试验和仿真计算需要花费较多的时间；而且需要花费较多的资金；对于没有确定施工配合比和没有混凝土性能试验时无法进行；不能适用于初步设计阶段和施工中方案快速调整。特别是至今的有关规范没有施工期温控防裂设计的抗裂安全系数要求值，如水工隧洞衬砌边墙混凝土温控防裂设计时都是参考大坝设计规范。

一些设计单位参考大坝强约束区混凝土的温控标准提出最高温度控制值(以下称为强约束法)，温控施工方案由施工单位制定。施工单位一般是根据混凝土配合比、运输距离与方式、气温等对拟定混凝土拌合(是否制冷及其措施)和浇筑施工温控(如通水冷却)方案进行衬砌结构混凝土最高温度计算，提出满足设计标准的施工方案。这样做，首先是大坝混凝土的温控标准不能适用薄壁衬砌结构，没有反映混凝土强度、围岩性能、衬砌厚度和结构尺度等差别的影响；其次是施工单位计算衬砌边墙混凝土内部最高温度的误差大，大量系数取值人为性强；两方面的温差可能导致制定的施工方案相距甚远，不能有效实现温度裂缝控制目标。特别是，没有计算分析温度应力。

综合以上情况说明，目前地下工程衬砌边墙混凝土施工期温控防裂设计，没有明确的要求和技术标准；现有设计计算方法，有限元法花费时间、费用较多，不能适用于无混凝土试验成果的初步设计阶段和施工中方案快速调整；强约束法误差较大，不能计算温度应力；都难以有效实现温度裂缝控制目标。

发明内容

本发明的目的主要是针对现有技术存在的不足，提出一种用于门洞形断面衬砌边墙混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法，可在浇筑施工过程中针对发现问题和施工技术、条件等的改变，实时用于优化改进施工温控措施，实现温控防裂目标。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：门洞形断面衬砌边墙混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法，它包括以下步骤：

步骤1：收集计算衬砌边墙混凝土结构的温控防裂资料；

步骤2：分析确定温控防裂目标，确定衬砌边墙混凝土允许温度应力【σ_max】；

步骤3：设计衬砌边墙混凝土的温控防裂施工措施方案，其具体包括如下子步骤：

步骤3.1：分析可变量，拟定多个衬砌边墙混凝土的温控防裂施工措施方案；

步骤3.2：计算温控防裂施工措施方案中衬砌边墙混凝土施工期最大温度拉应力σ_max；

步骤3.3：在计算σ_max≤【σ_max】的前提下，依据简单实用经济的原则优选措施方案，供施工应用。

所述步骤1中温控防裂资料包括：

衬砌结构设计资料：包括温控防裂设计与计算成果、衬砌结构断面尺寸、和混凝土强度等级；

环境资料：包括地质条件围岩变形模量、洞内气温年变化规律以及水温和气温年变化规律；

混凝土浇筑施工资料：混凝土浇筑施工温控措施方案、浇筑温度、浇筑施工时洞内空气温度以及浇筑时是否通水冷却及其水温。

所述步骤2中分析确定温控防裂目标，确定衬砌边墙混凝土允许温度应力【σ_max】是根据设计规范、衬砌结构物的级别、运行期裂缝的危害、安全性和防渗性要求确定。

所述步骤3.1中分析可变量，拟定多个衬砌边墙混凝土的温控防裂施工措施方案，是在不同的温控防裂设计阶段，分析与温控防裂有关的在满足规范要求条件下该阶段可以改变的设计参数；在结构设计阶段，衬砌厚度、混凝土强度设计参数为主要可变量；在施工阶段，浇筑温度、通水冷却及其水温、冬季封闭洞口保温的温控措施为主要可变量；冬季封闭洞口保温是一种必须采取的措施，所述拟定的施工措施方案主要是浇筑温度与通水冷却及其水温的组合。

所述3.2中衬砌边墙混凝土施工期最大温度拉应力σ_max的计算公式为：

σ_max

＝0.39H+0.01H₀+0.06L+0.041C+0.03E-0.0002E²+0.145T₀-0.002Tg-0.14Ta+0.196(Ta-Tmin)+0.0148HT₀-0.0223HTg+0.0071EH+0.0071HC-0.042H(Ta-Tmin)-0.882(1)

式中：σ_max为门洞形断面衬砌边墙混凝土施工期最大温度拉应力，单位为Mpa；

H为衬砌混凝土结构的厚度，单位为m；

H₀为衬砌混凝土结构边墙高度，单位为m；

L为分缝长度，单位为m；

E为围岩变形模量，单位为GPa；

C为衬砌混凝土按90天龄期设计的强度等级，单位为GPa；

T₀为衬砌混凝土浇筑温度，单位为℃；

Ta为衬砌混凝土浇筑施工时洞内空气温度，单位为℃；

T_min为洞内冬季最低温度，单位为℃；

Tg＝35-T_w代表通水和不通水冷却情况的温度效应值，单位为℃，没有通水冷却时取Tw＝35℃计算Tg＝0；通水冷却时，Tw为通水温度，单位为℃；

将门洞形断面衬砌边墙混凝土结构边墙厚度、高度、分缝长度、混凝土强度等级、围岩变形模量、浇筑温度、浇筑施工时洞内空气温度、洞内冬季最低温度、是否通水冷却及其水温代入式(1)，从而获得对应该时期浇筑门洞形断面衬砌边墙混凝土施工期最大温度拉应力σ_max。

当衬砌混凝土按28天龄期设计的强度等级时，需要按照规范换算为90天龄期设计的强度等级。

施工期如果采用挂帘保温，使得地下洞室空气温度提高，则Ta和T_min采用提高后的洞内空气温度。

针对门洞形断面衬砌混凝土的厚度值小的特性，通水冷却水管都是单列布置，即各公式适用于单列布置通水冷却水管的情况。

本发明有如下有益效果：

本发明方法的计算公式简单，能全面、合理反映门洞形衬砌结构边墙厚度、高度、分缝长度、混凝土强度等级、围岩变形模量、浇筑温度、浇筑施工时洞内空气温度、洞内冬季最低温度、是否通水冷却及其水温等主要因素的影响。可以迅速计算出任意时段浇筑门洞形断面结构衬砌边墙混凝土施工期的最大温度拉应力，计算误差小,完全可以用于实际工程进行施工期最大温度拉应力σ_max计算和温控防裂措施方案设计，特别是初步设计和现场施工期实时快速设计计算。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明衬砌混凝土裂缝的示意图。

图2为门洞形断面衬砌边墙混凝土结构。

图3为门洞形断面衬砌边墙结构三维有限元模型。

图4为泄洪洞洞室气温年变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

如图2-4所示，门洞形断面衬砌边墙混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法，它包括以下步骤：

步骤1：收集计算衬砌边墙混凝土结构的温控防裂资料；其中所述的计算资料包括：

衬砌结构设计资料：包括温控防裂设计与计算成果、衬砌结构断面尺寸、和混凝土强度等级；

环境资料：包括地质条件围岩变形模量、洞内气温年变化规律以及水温和气温年变化规律；

混凝土浇筑施工资料：混凝土浇筑施工温控措施方案、浇筑温度、浇筑施工时洞内空气温度以及浇筑时是否通水冷却及其水温。

步骤2：分析确定温控防裂目标，确定衬砌边墙混凝土允许温度应力【σ_max】是根据设计规范、衬砌结构物的级别、运行期裂缝的危害、安全性和防渗性要求确定。目前国内外还没有衬砌结构混凝土温控防裂设计规范和抗裂安全系数要求。目前国内外还没有衬砌结构混凝土温控防裂设计规范。对于地下水工衬砌的温控防裂目标可以依据《水工混凝土结构设计规范》、《水工钢筋混凝土结构设计规范》和《水工隧洞设计规范》进行，混凝土允许温度应力【σ_max】取值可以采用轴心抗拉强度标准值。

步骤3：设计衬砌边墙混凝土的温控防裂施工措施方案，其具体包括如下子步骤：

步骤3.1：分析可变量，拟定多个衬砌边墙混凝土的温控防裂施工措施方案；是在不同的温控防裂设计阶段，分析与温控防裂有关的在满足规范要求条件下该阶段可以改变的设计参数。在结构设计阶段，衬砌厚度、混凝土强度等设计参数为主要可变量；在施工阶段，浇筑温度、通水冷却及其水温、冬季封闭洞口保温(提高冬季最低温度)等温控措施为主要可变量。由于冬季封闭洞口保温(提高冬季最低温度)是一种经济有效必须采取的措施，因此所述拟定的施工措施方案主要是浇筑温度与通水冷却及其水温的组合。

步骤3.2：计算温控防裂施工措施方案中衬砌边墙混凝土施工期最大温度拉应力σ_max；

所述3.2中衬砌边墙混凝土施工期最大温度拉应力σ_max的计算公式为：

σ_max

＝0.39H+0.01H₀+0.06L+0.041C+0.03E-0.0002E²+0.145T₀-0.002Tg-0.14Ta+0.196(Ta-Tmin)+0.0148HT₀-0.0223HTg+0.0071EH+0.0071HC-0.042H(Ta-Tmin)-0.882(1)

式中：σ_max为门洞形断面衬砌边墙混凝土施工期最大温度拉应力，单位为Mpa；

H为衬砌混凝土结构的厚度，单位为m；

H₀为衬砌混凝土结构边墙高度，单位为m；

L为分缝长度，单位为m；

E为围岩变形模量，单位为GPa；

C为衬砌混凝土按90天龄期设计的强度等级，单位为GPa；

T₀为衬砌混凝土浇筑温度，单位为℃；

Ta为衬砌混凝土浇筑施工时洞内空气温度，单位为℃；

T_min为洞内冬季最低温度，单位为℃；

Tg＝35-T_w代表通水和不通水冷却情况的温度效应值，单位为℃，没有通水冷却时取Tw＝35℃计算Tg＝0；通水冷却时，Tw为通水温度，单位为℃；

将门洞形断面衬砌边墙混凝土结构边墙厚度、高度、分缝长度、混凝土强度等级、围岩变形模量、浇筑温度、浇筑施工时洞内空气温度、洞内冬季最低温度、是否通水冷却及其水温代入式(1)，从而获得对应该时期浇筑门洞形断面衬砌边墙混凝土施工期最大温度拉应力σ_max。

当衬砌混凝土按28天龄期设计的强度等级时，需要按照规范换算为90天龄期设计的强度等级。

施工期如果采用挂帘保温，使得地下洞室空气温度提高，则Ta和T_min采用提高后的洞内空气温度。

针对门洞形断面衬砌混凝土的厚度值小的特性，通水冷却水管都是单列布置，即各公式适用于单列布置通水冷却水管的情况。

所述步骤3.2的门洞形衬砌边墙混凝土最大温度拉应力σ_max计算式(1)，是根据如下技术方案获得的。

以溪洛渡泄洪洞无压段门洞形断面结构(图2)及其有关参数为基础，并结合国内有关类似工程，建立三维模型(图3)，对各种可能情况(175个方案)进行有限元法仿真计算。基本参数和计算方案见表1，各方案衬砌边墙混凝土施工期最大温度拉应力σ_max也列于表1。

表1 门洞形断面衬砌边墙混凝土温度应力计算方案和最大温度拉应力σ_max

步骤3.3：在计算σ_max≤【σ_max】的前提下，依据简单实用经济的原则优选措施方案，供施工应用。

对于表1的175个方案门洞形衬砌边墙混凝土施工期最大温度拉应力σ_max计算值进行统计分析，即获得式(1)。

实施例2：

下面应用某工程实际中水电站泄洪洞无压段门洞形断面衬砌边墙混凝土温度应力计算实例，对本发明进行进一步说明。

1、基本资料

(1)概况

某水电站为大(一)型，泄洪洞为Ⅰ级建筑物。无压段为门洞形断面(图2)，衬砌后断面尺寸为14m×19m(宽×高)，各类围岩性质及其衬砌类型列于表2，衬砌结构分缝长度为9m。其中1.0m厚度衬砌结构断面如图2所示，其余厚度衬砌后断面尺寸不变。衬砌底板混凝土设计强度等级为C₉₀40常态混凝土；边墙为C₉₀40泵送混凝土；顶拱和边墙水面线1.0m以上为C25。根据开挖初期洞内实测资料和设计院提供的资料，设计单位取洞内年平均气温为23.5℃，气温年变幅为1.5℃，采用规范余弦公式(2)计算。施工条件，招标文件可以提供出机口14℃制冷商品混凝土，实现浇筑温度18℃。

式中：Ta为洞内τ时刻的空气温度；

τ为距1月1日的时间(天)；

τ₀为洞内最高气温距1月1日的时间(天)，取τ₀＝210天。

表2 无压段门洞形断面衬砌边墙和围岩分类

(2)温控防裂设计与技术要求

设计院根据有关设计规范、混凝土配合比优化及其性能试验、有限元法计算成果，确定了泄洪洞无压段衬砌混凝土温控标准和浇筑温度列于表3。

表3 无压段衬砌混凝土的温度控制标准

夏季浇筑混凝土施工时推荐以下方案：无压段，混凝土浇筑温度18℃，水管间距1.0m，水管长度100m，冷却水流量2.0m³/h，冷却水温14～20℃，混凝土浇筑时开始通水，通水冷却7天。冬季施工，在混凝土浇筑温度能够低于18℃的情况下，可以采用自然入仓的混凝土浇筑。

(3)衬砌混凝土温控防裂施工方案

根据以上设计要求，施工方案规划整个泄洪洞基本按9m分仓浇筑，衬砌混凝土施工温控防裂方案如下：

①采用预冷混凝土，出机口温度达到12℃～14℃。

②减少混凝土运输浇筑过程中温度回升。增加运输能力有效保证混凝土仓面浇筑坯及时覆盖；在混凝土运输汽车车厢顶部设可移动式帆布遮阳棚，在混凝土运输车辆箱体上安装发泡保温装置等。

③加强管理，加快施工速度。通过加强管理，减少等待卸车时间或者卸料入仓时间，避免多次转料入仓等，混凝土浇筑覆盖时间不宜超过1h。

④合理安排混凝土施工进度。混凝土浇筑时段尽量安排在低温季节、早晚温度较低时进行。白天高温时段做浇筑前准备，尽量安排在下午16时至次日上午10时左右进行浇筑。

⑤仓内空调。在钢模台车上配备空调，用于仓内夏季施工，以降低仓内浇筑环境温度，既有利于温控，又可起到防暑降温作用。

⑥表面养护。混凝土拆模后即开始流水养护，采用塑料管，每隔20～30cm钻左右的小孔，挂在模板上或外露钢筋头上，通水流量为15L/min左右。白天实行不间断流水养护，夜间(20∶00～6∶00)实行间断流水养护，即流水1h，保持湿润1h，当气温超过25℃时不间断养护，有压段边顶拱无压段养护时间不少于28d。

⑦通水冷却。冷却水流量35L/min，混凝土温度与水温之差不超过22℃。冷却水管采用PE管，平行于水流方向蛇形布置于每个浇筑块的中部，单根水管长度不大于100m，垂直间距为1.0m。右岸龙落尾在高温季节先通48小时制冷水(约14～20℃)，之后7天通常温水；低温季节通常温水。

⑧冬季混凝土特殊保温。进入冬季，选择保温效果好的保温材料覆盖混凝土暴露面，防止混凝土表面产生裂缝。隧洞洞口处可采用挂门帘方式，避免冷风倒灌入洞内，引起混凝土表面裂缝。

⑨缩短交接班时间。实行现场交接班制度，所以设备运行人员，必须在现场交接班，交接班时间不能超过30min；吃饭时不能停止浇筑，必须分批次错开吃饭，要保证仓内混凝土浇筑的连续性。

⑩加强混凝土温度测量。为了验证施工期混凝土温度是否满足温控要求，采用预埋设在混凝土中的电阻式温度计或热电偶测量混凝土温度，并对成果进行分析；在混凝土浇筑过程中，每4h测量一次混凝土的出机口温度、混凝土的浇筑温度、气温，并做好记录；温度量测过程中，发现超出温控标准的情况，及时报告。

(4)衬砌混凝土温度观测成果

将左、右岸泄洪洞无压段衬砌混凝土(仅对其中高峰期2010年)温控成果及其超温情况进行统计分析，列于表4和表5。

表4 2010年泄洪洞衬砌混凝土内部最高温度统计表

表5 2010年左、右岸泄洪洞衬砌混凝土浇筑温度统计表

由表4、表5可以看出，泄洪洞无压段衬砌边墙混凝土温控效果总体良好，浇筑温度超温比例较高，最高温度超温(设计允许值)比例较低，右岸控制效果更好些。右岸衬砌边墙混凝土浇筑温度，底板超温比例4.30％，边墙无超温，平均2.86％；混凝土内部最高温度无超温。

(5)衬砌混凝土裂缝情况

泄洪洞无压段门洞形断面衬砌边墙混凝土裂缝情况按结构段和施工分段统计列于表6。

表6 左、右岸泄洪洞无压段门洞形断面衬砌边墙混凝土裂缝情况

根据泄洪洞结构特点、衬砌混凝土施工工艺和表5的裂缝统计情况，综合分析可以获得以下认识：

(A)边顶拱衬砌混凝土裂缝多。无压段底板仅2仓有裂缝。估计与边墙(边顶拱)尺度大于底板有关。另外无压段底板右岸采取先浇找平混凝土，裂缝少于左岸，也有较小的影响。

(B)两岸泄洪洞相比，左岸1#、2#比右岸3#、4#洞衬砌混凝土裂缝多，与左岸衬砌混凝土最高温度超温比例大些(包括通水冷却水温高些的影响)、右岸落尾段边顶拱衬砌混凝土分开浇筑有关。

(C)根据裂缝普查的详细情况，围岩越坚硬完整温度裂缝越多。都是围岩坚硬完整的II类围岩区，尽管衬砌厚度小，却是温度裂缝的主要发生区域；Ⅳ类围岩区厚度大的衬砌混凝土一般很少温度裂缝。与围岩越坚硬，对衬砌混凝土的约束越强密切相关。

(6)有限元法仿真计算成果

设计技术要求，是根据设计阶段有限元法仿真计算成果提出的。另外，表1也列出了大量有限元法仿真计算成果。如：Ⅲ1类围岩区F2型1.0m厚度衬砌夏季8月1日浇筑，设计阶段计算方案55的σ_max＝2.12MPa，最小抗裂安全系数1.99；施工阶段计算方案43的σ_max＝3.76MPa，最小抗裂安全系数1.12；Ⅳ类围岩区F4型1.5m厚度衬砌夏季8月1日浇筑，施工阶段计算方案28的σ_max＝2.93MPa，最小抗裂安全系数1.44。

2、实例1：

泄洪洞无压段门洞形断面Ⅲ1类围岩区F2型1.0m厚度衬砌，Ⅲ1类围岩区F2型1.0m厚度衬砌，是泄洪洞无压段门洞形断面中数量最多、温控防裂难度较大的结构段。

(1)收集计算衬砌边墙混凝土结构的温控防裂资料；其中所述的计算资料包括：

衬砌结构设计资料：包括温控防裂设计与计算成果、衬砌结构断面尺寸、和混凝土强度等级；

环境资料：包括地质条件围岩变形模量、洞内气温年变化规律以及水温和气温年变化规律；

混凝土浇筑施工资料：混凝土浇筑施工温控措施方案、浇筑温度、浇筑施工时洞内空气温度以及浇筑时是否通水冷却及其水温。

(2)分析确定温控防裂目标，确定衬砌边墙混凝土允许温度应力【σ_max】；

本实施例中水电站的泄洪洞，根据《水工隧洞设计规范》是一级建筑物，流速高，运行期裂缝的危害大，参考类似工程经验，应该进行防裂设计。依据《水工混凝土结构设计规范》、《水工钢筋混凝土结构设计规范》，边墙C₉₀40泵送混凝土的轴心抗拉强度标准值为2.39MPa。

(3)设计衬砌边墙混凝土的温控防裂施工措施方案：

(3.1)：分析可变量，拟定多个衬砌边墙混凝土的温控防裂施工措施方案；

由于衬砌结构尺寸、混凝土强度等级确定，而且冬季都必须封闭洞口保温，因此可变量只有浇筑温度和通水冷却水温。以夏季8月1日浇筑为代表进行温控防裂设计。招标文件可以提供出机口14℃制冷商品混凝土，实现浇筑温度18℃。根据施工条件，拟定浇筑温度都为18℃，不通水冷却、通15℃制冷水冷却、通22℃常温水冷却3个温控措施方案。

(3.2)：计算温控防裂施工措施方案中衬砌边墙混凝土施工期最大温度拉应力σ_max；

8月1日浇筑，由式(2)计算Ta≈25℃。对于上述3个方案，将门洞形断面Ⅲ1类围岩区F2型衬砌有关参数代入式(1)计算，分别为σ_max＝2.61MPa、2.07MPa、2.26MPa。

(3.3)：在计算σ_max≤【σ_max】的前提下，依据简单实用经济的原则优选措施方案，供施工应用。上述3个拟定方案中，18℃浇筑+15℃制冷水冷却、18℃浇筑+22℃常温水冷却2个温控措施方案满足计算σ_max≤【σ_max】＝2.39MPa，按照安全、经济、合理、简单可行原则，结合设计技术要求，选择18℃浇筑+22℃常温水冷却方案为施工温控措施方案。

(4)施工过程实时温控防裂措施方案设计

施工中，由于隧洞开挖与外界贯通，洞内空气温度迅速下降接近外界气温变化。2009年10月至2012年11月，对泄洪洞(左、右岸)共计进行了300多次气温实测，汇总示于图4。其中以2010年1月1日为日期坐标轴第一天。其中横坐标为时间(天)；纵坐标为温度(℃)。采用最小二乘法进行余弦函数拟合得：

式中：T_a为洞内温度(℃)；

τ为距离1月1日的时间(天)。

由于洞内气温变化，施工中必须实时重新设计温控措施方案。

同样按照上述设计方法，夏季8月1日浇筑施工，洞内温度Ta为25.99℃。拟定浇筑温度都为18℃，不通水冷却、通15℃制冷水冷却2个温控措施方案。将门洞形断面Ⅲ1类围岩区F2型衬砌有关参数代入式(1)计算，分别为σ_max＝4.03MPa、3.49MPa。显然都超过抗拉强度值。为此，进一步进行18℃浇筑+8℃制冷水冷却+冬季严格封闭洞口保温提高最低温度至14℃，代入式(1)计算得σ_max＝3.09MPa，仍然大于【σ_max】＝2.39MPa。

泄洪洞门洞形断面Ⅲ1类围岩区F2型衬砌实际施工，采用18℃浇筑+8℃制冷水冷却+冬季封闭洞口保温的温控防裂方案。仍然有产生温度裂缝的较大风险，甚至是非常可能。

(5)与有限元法计算应力值σ_max误差分析

设计阶段计算成果，18℃浇筑+15℃通水冷却，公式(1)计算值σ_max＝2.07MPa，与有限元法方案55计算值2.12MPa的误差仅为-2.4％。

施工阶段实时控制计算成果，18℃浇筑+16℃通水冷却，公式(1)计算得σ_max＝3.62MPa，与有限元法方案43计算值3.76MPa的误差仅为3.7％。

两个阶段计算应力值与有限元法计算值的误差仅-2.4％、3.7％，精度高，完成满足工程设计精度要求。

(6)温控防裂设计方案合理性分析

表6温度裂缝检查成果表明，4个泄洪洞无压段(门洞形)边墙44％～49％的结构段发生温度裂缝，而且都是围岩坚硬完整II类、Ⅲ1类围岩区衬砌厚度小，Ⅳ类围岩区厚度大的衬砌边墙混凝土一般很少温度裂缝。如果考虑温度裂缝的这种分布，则II类、Ⅲ1类围岩区厚度小衬砌混凝土基本都发生温度裂缝。上述计算结果也表明，Ⅲ1类围岩区1.0m厚度F2型衬砌混凝土非常可能产生温度裂缝，与现场温度裂缝检查成果一致。

3、实例2：

泄洪洞无压段门洞形断面Ⅳ类围岩区F4型衬砌

(1)基本资料同上。

(2)分析确定温控防裂目标，确定衬砌边墙混凝土允许温度应力【σ_max】取值。

同样根据《水工隧洞设计规范》是一级建筑物，依据《水工混凝土结构设计规范》、《水工钢筋混凝土结构设计规范》，边墙C₉₀40泵送混凝土的轴心抗拉强度标准值为2.39MPa。

(3)设计阶段温控防裂方案设计

为减小篇幅，只简要介绍设计阶段、施工实时控制阶段，Ⅳ类围岩区F4型衬砌夏季温控防裂措施方案设计成果。

以夏季8月1日浇筑为代表进行温控防裂设计。根据施工条件，拟定浇筑温度都为18℃，不通水冷却、通15℃制冷水冷却、通22℃常温水冷却3个温控措施方案。

设计阶段，夏季8月1日浇筑施工，洞内温度Ta为25℃，公式(1)计算3个温控措施方案σ_max＝2.46MPa、1.91MPa、2.10MPa，两个通水冷却方案的应力小于轴心抗拉强度标准值为2.39MPa。按照安全、经济、合理、简单可行原则，结合设计技术要求，选择18℃浇筑+22℃常温水冷却方案为施工温控措施方案。

施工实时控制阶段，夏季8月1日浇筑施工，由公式(3)计算洞内温度T_a为25.99℃，由公式(1)计算18℃浇筑不通水冷却、18℃浇筑+15℃通水冷却、18℃浇筑+22℃通水冷却3个方案σ_max＝3.08MPa、MPa、MPa。

施工中实际采用18℃浇筑+15℃通水冷却措施方案。按照计算应力成果，还大于轴心抗拉强度标准值2.39MPa，即有裂缝风险。建议加强冬季洞口保温提高洞内气温(至14℃)，或者降低通水冷却水温至8℃。

施工阶段有限元法计算方案28(18℃浇筑+15℃通水冷却)的σ_max＝2.93MPa，最小抗裂安全系数1.44。公式(1)计算值3.08MPa，误差仅4.9％。

与温度裂缝检查成果的比较。公式(1)计算应力成果说明，Ⅳ类围岩区的衬砌边墙混凝土仍然有一定的温度裂缝风险，与表6检查成果一致。而且Ⅲ1类围岩区比Ⅳ类围岩区的衬砌的应力大得多，混凝土裂缝更多。与表6温度裂缝检查成果的(C)结论“围岩越坚硬完整温度裂缝越多”一致。

综上实例计算分析说明，本发明，计算公式简单，能全面、合理反映衬砌结构尺寸、混凝土强度等级、围岩性能(变形模量)、浇筑温度、洞内空气温度年变化和浇筑期洞内气温、是否通水冷却及其水温等主要因素的影响。可以迅速计算出任意时段(季节)浇筑门洞形断面结构衬砌边墙混凝土施工期的最大温度拉应力，计算误差小,完全可以用于实际工程进行温度裂缝控制设计，特别是初步设计和现场施工期实时快速设计。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.门洞形断面衬砌边墙混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤1：收集计算衬砌边墙混凝土结构的温控防裂资料；

步骤2：分析确定温控防裂目标，确定衬砌边墙混凝土允许温度应力【σ_max】；

步骤3：设计衬砌边墙混凝土的温控防裂施工措施方案，其具体包括如下子步骤：

步骤3.1：分析可变量，拟定多个衬砌边墙混凝土的温控防裂施工措施方案；

步骤3.2：计算温控防裂施工措施方案中衬砌边墙混凝土施工期最大温度拉应力σ_max；

步骤3.3：在计算σ_max≤【σ_max】的前提下，依据简单实用经济的原则优选措施方案，供施工应用。

2.根据权利要求1所述的门洞形断面衬砌边墙混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法，其特征在于，所述步骤1中温控防裂资料包括：

衬砌结构设计资料：包括温控防裂设计与计算成果、衬砌结构断面尺寸、和混凝土强度等级；

环境资料：包括地质条件围岩变形模量、洞内气温年变化规律以及水温和气温年变化规律；

混凝土浇筑施工资料：混凝土浇筑施工温控措施方案、浇筑温度、浇筑施工时洞内空气温度以及浇筑时是否通水冷却及其水温。

3.根据权利要求1所述的门洞形断面衬砌边墙混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法，其特征在于，所述步骤2中分析确定温控防裂目标，确定衬砌边墙混凝土允许温度应力【σ_max】是根据设计规范、衬砌结构物的级别、运行期裂缝的危害、安全性和防渗性要求确定。

4.根据权利要求1所述的门洞形断面衬砌边墙混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法，其特征在于，所述步骤3.1中分析可变量，拟定多个衬砌边墙混凝土的温控防裂施工措施方案，是在不同的温控防裂设计阶段，分析与温控防裂有关的在满足规范要求条件下该阶段可以改变的设计参数；在结构设计阶段，衬砌厚度、混凝土强度设计参数为主要可变量；在施工阶段，浇筑温度、通水冷却及其水温、冬季封闭洞口保温的温控措施为主要可变量；冬季封闭洞口保温是一种必须采取的措施，所述拟定的施工措施方案主要是浇筑温度与通水冷却及其水温的组合。

5.根据权利要求1所述的门洞形断面衬砌边墙混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法，其特征在于，所述3.2中衬砌边墙混凝土施工期最大温度拉应力σ_max的计算公式为：

σ_max

＝0.39H+0.01H₀+0.06L+0.041C+0.03E-0.0002E²+0.145T₀-0.002Tg-0.14Ta+0.196(Ta-Tmin)+0.0148HT₀-0.0223HTg+0.0071EH+0.0071HC-0.042H(Ta-Tmin)-0.882(1)

式中：σ_max为门洞形断面衬砌边墙混凝土施工期最大温度拉应力，单位为Mpa；

H为衬砌混凝土结构的厚度，单位为m；

H₀为衬砌混凝土结构边墙高度，单位为m；

L为分缝长度，单位为m；

E为围岩变形模量，单位为GPa；

C为衬砌混凝土按90天龄期设计的强度等级，单位为GPa；

T₀为衬砌混凝土浇筑温度，单位为℃；

Ta为衬砌混凝土浇筑施工时洞内空气温度，单位为℃；

T_min为洞内冬季最低温度，单位为℃；

Tg＝35-T_w代表通水和不通水冷却情况的温度效应值，单位为℃，没有通水冷却时取Tw＝35℃计算Tg＝0；通水冷却时，Tw为通水温度，单位为℃；

将门洞形断面衬砌边墙混凝土结构边墙厚度、高度、分缝长度、混凝土强度等级、围岩变形模量、浇筑温度、浇筑施工时洞内空气温度、洞内冬季最低温度、是否通水冷却及其水温代入式(1)，从而获得对应该时期浇筑门洞形断面衬砌边墙混凝土施工期最大温度拉应力σ_max。

6.根据权利要求5所述的门洞形断面衬砌边墙混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法，其特征在于，当衬砌混凝土按28天龄期设计的强度等级时，需要按照规范换算为90天龄期设计的强度等级。

7.根据权利要求5所述的门洞形断面衬砌边墙混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法，其特征在于，施工期如果采用挂帘保温，使得地下洞室空气温度提高，则Ta和T_min采用提高后的洞内空气温度。

8.根据权利要求5所述的门洞形断面衬砌边墙混凝土温控防裂温度应力控制快速设计方法，其特征在于，针对门洞形断面衬砌混凝土的厚度值小的特性，通水冷却水管都是单列布置，即各公式适用于单列布置通水冷却水管的情况。