CN113882433A - 盾构工作井内衬墙温控防裂方法 - Google Patents

盾构工作井内衬墙温控防裂方法 Download PDF

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CN113882433A CN202111197824.9A CN202111197824A CN113882433A CN 113882433 A CN113882433 A CN 113882433A CN 202111197824 A CN202111197824 A CN 202111197824A CN 113882433 A CN113882433 A CN 113882433A
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王振红
焦石磊
张进
叶明�
汪娟
金鑫鑫
肖俊
齐春雨
杨永森
辛建达
李辉
侯文倩
赵一鸣
史倬宇
张步
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Abstract

本发明提供一种盾构工作井内衬墙温控防裂方法，即：在内衬墙浇筑模板内布置通水冷却水管；分层浇筑内衬墙；严格控制浇筑的混凝土温度；浇筑完毕后，采用动态调控的通水冷却方式进行水冷，其目的是保证混凝土内部的温度不能超过55℃；通水冷却结束后，在内衬墙的表面铺设保温层，继续养护；保温时间不少于28天，降温速率不大于1℃/d；保温材料拆除时需满足混凝土内部温度与环境温度最大温差小于20℃。工程实践证明，本发明提供的内衬墙温控防裂效果显著。

Description

盾构工作井内衬墙温控防裂方法
技术领域
本发明涉及一种温控防裂方法，具体地说，涉及一种针对盾构工作井内衬墙的温控防裂方法。本发明属于水利工程技术领域。
背景技术
我国地大物博自然资源丰富，特别是水利资源极为丰富。珠江三角洲水资源配置工程是指从西江水系向珠江三角洲东部地区引水，解决城市生活生产缺水问题，提高供水保证程度。该工程由一条输水主干线、两条分干线、一条支线、三座泵站、四座水库组成，工程设计引水流量80立方米每秒，输水线路全长约113.1公里，其中干线长90.3公里。
为了修建全长约113.1公里长的输水线路，沿途需要修改五十多个盾构工作井，以便盾构机开挖输水管线。如图1和图2所示，常见的盾构工作井1为直径约26.5m～36.9m的圆形井，井深约43m～67m，盾构工作井(又叫工作井)由外圈的连续墙2和内圈的内衬墙3组成，在工作井的下部浇筑有洞门墙4，在工作井的底部浇筑有底板5，所有结构均为钢筋砼结构。
由于构成盾构工作井的内衬墙、门洞墙和底板均是钢筋砼结构，混凝土结构在施工期裂缝的存在一直较为普遍；同时，由于愈来愈多的施工承包商采用高性能泵输送混凝土，其施工优点和较大经济效益得到施工承包商喜欢，但是，由于高性能泵输送混凝土具有施工速度快、水泥用量多、坍落度大、水化反应剧烈、热量多且早期集中释放、弹性模量大和体积变形大等特点，致使浇筑的钢筋砼结构开裂现象更加普遍、更是防不胜防！
因此，如何有效地防止盾构工作井的内衬墙、洞门墙和底板开裂成为困扰工程建设者和施工方的问题，也成为全国水利行业学术界和工程界特别关注的问题。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种针对盾构工作井内衬墙的温控防裂方法。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种盾构工作井内衬墙温控防裂方法，所述内衬墙由井口向下、分层逆作法施工；该内衬墙温控防裂方法为：
1)、在内衬墙浇筑模板内，按水平排距×竖直层距为1.0m×1.0m的方式布置通水冷却水管，冷却水管采用内径28.00mm、壁厚2.00mm的HDPE管，供水主管管径为40mm；预埋的冷却水管单根长度控制在100m-120m；
2)、分层浇筑内衬墙，每层内衬墙的高度为4.5m-6.0m，厚度为1.2m-1.5m；
3)、严格控制浇筑的混凝土温度；
混凝土的浇筑温度可按公式(1)计算：
T＝T1+(Ta+R/β-T1)(φ1+φ2) (1)
式中：T是混凝土浇筑温度；T1是混凝土入仓温度；Ta是外界环境气温；R是太阳辐射热，单位kJ/(m2.h)；β是混凝土表面放热系数，单位kJ/(m2.h.℃)；φ1是平仓过程的温度系数，φ1＝kτ，τ为混凝土入仓后到平仓前的时间，k为经验系数，取0.0030；φ2是平仓后的温度系数，平仓后的温度系数φ2采用单向差分法进行计算，公式如下：
Figure RE-GDA0003369965620000021
其中，
Figure RE-GDA0003369965620000022
是混凝土导热系数和表面放热系数的取值，取值范围为
Figure RE-GDA0003369965620000023
超过上下限范围的按上下限考虑；c是比热，取值范围为0.6-1.2，超过上下限范围的按上下限范围考虑；Δτ是平仓结束至坯层再次被覆盖的时间；
4)、浇筑完毕后，采用动态调控的通水冷却方式进行水冷，通水冷却时间为5～7天，通水水温为20℃，通水流量2.1m3/h～2.4m3/h，水流方向每24h变换一次；其目的是保证混凝土内部温度不超过55℃；
5)、通水冷却结束后，在内衬墙的表面铺设保温系数β＝5kJ/(m2.h.℃)、导热系数λ＝ 0.16kJ/(m2.h.℃)的保温层，继续养护；保温时间是4天龄期后，保温时间不少于28天，降温速率不大于1℃/d；保温材料拆除时需满足混凝土内部温度与环境温度的最大温差小于20℃。
优选地，浇筑时间为每年的4月份--10月份，浇筑的混凝土温度小于25℃；浇筑时间为当年的11月份--来年的3月份，浇筑的混凝土温度小于18℃。
在本发明较佳实施例中，分层浇筑的上一层内衬墙浇筑完成后，间隔12～15天，再浇筑下一层内衬墙。
在本发明较佳实施例中，在浇筑混凝土时，严格控制混凝土浇筑温度与出机口温度之差小于5℃，且避免高温时段浇筑混凝土，应充分利用低温季节或早晚及夜间气温低的时段浇筑；冬季浇筑的混凝土应有保温措施。
在本发明较佳实施例中，在混凝土浇筑完毕6～18h后，混凝土表面连续而不是间断地进行保湿养护，以保持混凝土表面湿润；
向混凝土表面喷淋水温不低于20℃的水；连续保湿养护不少于28天。
在本发明较佳实施例中，在拆除内衬墙模板时，选择高温时段拆除，不在夜间和气温骤降期间拆模，且拆模时间不低于3天；
当气温骤降来临时，推迟拆模时间；如必须拆模，在拆模的同时采取保护措施，减小冷击现象发生。
在本发明较佳实施例中，当盾构工作井内气温高于23℃情况时，向盾构工作井内喷雾降温，通风；当遇气温骤降即单日内气温降幅≥6℃时，加强对盾构工作井内保温，保证井内温度波动不大于6℃。
工程实践证明，本发明提供的内衬墙温控防裂效果显著！
附图说明
图1是盾构工作井立体结构示意图；
图2是盾构工作井剖面结构示意图；
图3是A2标LG03#盾构工作井内衬墙施工工序图；
图4是A2标LG03#盾构工作井第6层内衬墙温度观测点位置图；
图5是A2标LG03#盾构工作井第6层内衬墙温度过程线；
图6是A2标LG03#盾构工作井第6层内衬墙应力过程线；
图7A是A2标LG03#盾构工作井第6层内衬墙典型剖面最高温度包络图；
图7B是A2标LG03#盾构工作井第6层内衬墙典型剖面最大应力包络图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。
如图1和图2所示，常见的盾构工作井1为一直径约为26.5m-36.9m的圆形井，井深约 43m-67m，由外圈的连续墙2和内圈的内衬墙3组成，在工作井的下部浇筑有洞门墙4，在工作井的底部浇筑有底板5。
内衬墙2由井口向下、分层逆作法施工。由于内衬墙2的厚度较薄，而混凝土浇筑后短时间内，其内部绝对温升较大，所以，如不采取严格的温控措施，内衬墙表面极易开裂！针对施工期已出现的裂缝，本发明人选取出现裂缝的典型部位，结合盾构工作井及内衬墙的结构形式、浇筑时间、浇筑过程、浇筑温度和实际裂缝分布，对这些已浇筑的混凝土的施工过程进行全过程精细分析，认为不同的浇筑温度、不同的浇筑季节、不同的分层形式、不同的保温形式、不同的水管冷却方式下，混凝土内部的温度、应力发展变化是不同的，故，本发明提出了如下的盾构工作井内衬墙温控防裂方法：
1、在内衬墙浇筑模板内，按1.0m×1.0m(水平排距×竖直层距)布置通水冷却水管，冷却水管采用内径为28.00mm、壁厚为2.00mm的HDPE管，供水主管管径为40mm；预埋的冷却水管单根长度控制在100m左右，最长不大于120m。
2、分层浇筑内衬墙，每层内衬墙的高度为4.5m-6.0m，厚度为1.2m-1.5m。
3、严格控制浇筑的混凝土温度：
混凝土的浇筑温度可按公式(1)计算：
T＝T1+(Ta+R/β-T1)(φ1+φ2) (1)
式中：T是混凝土浇筑温度(℃)；T1是混凝土入仓温度(℃)；Ta是外界环境气温(℃)； R是太阳辐射热(kJ/(m2.h))；β是混凝土表面放热系数(kJ/(m2.h.℃))；φ1是平仓过程的温度系数，φ1＝kτ，τ为混凝土入仓后到平仓前的时间，k为经验系数，可取0.0030(1/min)；φ2是平仓后的温度系数。平仓后的温度系数φ2可采用单向差分法进行计算，公式如下：
Figure RE-GDA0003369965620000041
其中，
Figure RE-GDA0003369965620000042
是混凝土导热系数和表面放热系数的取值，取值范围为
Figure RE-GDA0003369965620000043
超过上下限范围的按上下限考虑；c是比热，取值范围为0.6-1.2，超过上下限范围的按上下限范围考虑，单位：kJ/(kg/m3)；Δτ是平仓结束至坯层再次被覆盖的时间，单位：小时。
通常，浇筑时间为每年的4月份--10月份，浇筑的混凝土温度不能超过25℃；浇筑时间为当年的11月份--来年的3月份，浇筑的混凝土温度不能超过18℃。
4、浇筑完毕后，采用动态调控的通水冷却方式进行水冷，通水冷却时间为5～7天，通水水温为20℃，通水流量2.1m3/h～2.4m3/h，水流方向每24h变换一次；其目的是保证混凝土内部的温度不能超过55℃。
5、通水冷却结束后，在内衬墙的表面铺设保温系数β＝5kJ/(m2.h.℃)、导热系数λ＝0.16 kJ/(m2.h.℃)的保温层，继续养护；保温时间是4天龄期后，保温时间不少于28天，降温速率不大于1℃/d；保温材料拆除时需满足混凝土内部温度与环境最大温差小于20℃。
表面保温结束后，保温材料拆除应避免选择在气温较低的时段进行，防止产生冷击。
在浇筑混凝土时，应严格控制混凝土浇筑温度与出机口温度之差小于5℃，且尽量避免高温时段浇筑混凝土，应充分利用低温季节和早晚及夜间气温低的时段浇筑。冬季浇筑的混凝土应有保温措施。
因为盾构工作井的内衬墙是分层浇筑的，故，为防止浇筑完成后的整个内衬墙产生裂缝，经大量的实践发现除对浇筑的上一层内衬墙采取上述温控防裂方法，还需要在上一层内衬墙浇筑完成后，间隔12～15天，再浇筑下一层内衬墙。
在拆除内衬墙模板时，要选择高温时段拆除，不宜在夜间和气温骤降期间拆模，且拆模时间不低于3天。当气温骤降(日平均气温在2～3天内连续下降累计6℃以上)来临时，应推迟拆模时间；如必须拆模，应在拆模的同时采取保护措施，避免冷击现象发生，其目的是避免混凝土内部温度变化过大。
为防止混凝土表面产生裂缝，在混凝土浇筑完毕6～18h后，混凝土表面应用连续而不是间断的进行保湿养护，以保持混凝土表面湿润。例如，向混凝土表面喷淋水温不低于20℃的水，让养护水流从混凝土顶面向模板与混凝土之间的缝渗流，以保证砼表面始终处于湿润状态；连续保湿养护不少于28天。但是，当气温骤降期间应暂停保湿养护。
另外，为防止内衬墙产生温度裂缝，还需要注意盾构工作井内的温度，当井内气温高于23℃情况时，应向盾构工作井内喷雾降温，并做好通风。当遇气温骤降如单日内气温降幅≥6℃的情况，应加强对盾构工作井内温度的保温，如在盾构工作井口采用土工布覆盖的措施，保证井内温度波动不大于6℃。
在本发明较佳实施例中，铺设在内衬墙内的冷却水管采用的是HDPE管。HDPE管的优点： HDPE管柔性好，可抵御一定程度的地基不均匀沉降，管道接口严密、无渗漏；另外HDPE管重量轻，搬运和连接方便，施工速度快；更重要的是HDPE管使用年限长达50年以上，化学稳定性好，一般使用环境(主要指土壤的酸碱性)不会使管道损坏。
下面以珠江三角洲水资源配置工程主干线鲤鱼洲泵站-高新沙水库段A2标LG03#盾构工作井为例，验证本发明提供的内衬墙温控防裂方法。
主干线鲤鱼洲泵站-高新沙水库段A2标LG03#盾构工作井为外径35.9m圆形竖井，地面平整高程3.6m，基坑底高程-70.38m，开挖深度73.98m，采用地下连续墙+砼内衬墙支护方案。
如图3所示，2020年1月19日，A2标LG03#盾构工作井内衬墙已施工到第6层，前5层内衬墙厚1.2m，第6层内衬墙厚1.5m；第1层内衬墙的高度是2.12m，第2层内衬墙的高度是3m，第,3层-第6层内衬墙的高度是4.5m。
如图4所示，在第6层内衬墙上选取F1、F2、F3和F4四个位置，每个位置选择a、b、c三个测温点，其中，a为表面点，距离砼表面0.05m；b为内部中间点，砼中心位置；c为最内部点，距离地连墙表面0.05m。每个监测位设3支温度计。每2小时测量一次混凝土温度。
然后，按照本发明提供的内衬墙温控防裂方法对第6层浇筑的内衬墙进行温控，具体如下：
浇筑温度：因浇筑时间属于11-3月，混凝土浇筑温度为16℃。
通水冷却：水管间距1.0m×1.0m(水平排距×竖直层距)，冷却时间5～7d，通水水温 20℃，通水流量2.1-2.4m3/h。每24小时改变一次通水方向。
表面保温：保温系数β＝5kJ/(m2.h.℃)，保温时间是4天龄期后，保温时间28天。
混凝土最大拉应力计算公式如下：
Figure RE-GDA0003369965620000061
式中，σ是温度变化导致的最大拉应力(MPa)，E(t)是龄期t时混凝土弹性模量(MPa)；α是混凝土热膨胀系数(℃-1)，μ是混凝土泊松比，一般取0.167；△T是混凝土最大降幅(℃)；R是龄期t时外围结构对混凝土的约束系数，一般按下式(13)取值；Kc是混凝土松弛系数，取0.65。
外围介质对混凝土约束系数可下式计算：
Figure RE-GDA0003369965620000062
式中，L是要施工混凝土浇筑块长度(mm)；H是要施工混凝土浇筑块体厚度(mm)；C是外围介质(地基或老混凝土)单位面积的水平变形刚度(N/mm3)，可按下表取值。
表1水平变形刚度取值
Figure RE-GDA0003369965620000063
表2采取温控措施下内衬墙混凝土温度和应力
Figure RE-GDA0003369965620000064
A2标LG03#盾构工作井第6层内衬墙采取温控措施后，其温度过程线如图5所示，其内衬墙应力过程线如图6所示，其典型剖面最高温度包络图如图7A所示，其典型剖面最大应力包络图如图7B所示。
从上表2及图5-图7B可知，采取温控防裂后，混凝土内部最高温度45.74℃，满足最高温度控制标准。第60天时，内衬墙混凝土内部的拉应力为4.66Mpa，对应龄期的安全系数为 1.07，比较安全。
根据盾构工作井内衬墙的结构特点，本发明通过大量的试验分析发现：
(1)不采取任何温控措施条件下，内衬墙混凝土内部温度和应力都较大，超过规范允许值。因此，采取必要的温控防裂措施很有必要。
(2)浇筑温度提高会引起混凝土最高温度升高，使得基础温差加大，混凝土应力增大；内衬混凝土浇筑温度每提高2℃，最高温度会提高1.5℃，60d龄期对应拉应力增大0.17MPa。因此，必需严格控制混凝土的浇筑温度。
(3)一般规律而言，高温季节浇筑的盾构工作井，井内环境气温高，混凝土内部最高温度最高；低温季节浇筑的盾构工作井，井内环境气温低，混凝土内部最高温度最低。高温季节浇筑的内衬混凝土最高温度最高，基础温差最大，最大拉应力也最大。冬季浇筑的混凝土，最高温度最低，基础温差最小，最大拉应力也最小。因此，需要关注浇筑时间，控制好混凝土的浇筑温度。
(4)保温力度的大小对内衬墙混凝土应力的影响较明显。保温力度越大，内衬墙混凝土内部拉应力越小。在不影响最高温度前提下，加强保温对坝内衬墙混凝体表面应力的改善有较大益处。
(5)加密冷却水管，可以降低混凝土最高温度，缩小基础温差，减小混凝土最大应力，增大安全系数；实际上最有利的冷却方式是早期削峰阶段利用较密的冷却水管降低最高温度，后期冷却采用较稀疏的冷却水管(关闭一层冷却水管)或者小流量缓慢降温的方式。
(6)通水水温降低，可以较好地削减温度峰值，降低最高温度，减小温降幅度，减小混凝土应力，增大安全系数；通水水温升高，使得削峰效果减弱，最高温度升高，温降幅度加大，应力增大，安全系数降低；冷却水水温和流量应根据现场实际情况来研究确定，除满足降温需要外，也要防止流量过大和水温过低，以免在水管周边混凝土产生过大的温度梯度，而产生微裂缝。
(7)通水冷却时间太短，混凝土会出现较大的温度反弹，出现第二峰值，超过混凝土第一个温度峰值；时间太长，早期温降幅度较大，应力较大，增大早期开裂风险。对于工作井内衬混凝土，通水冷却时长不宜过短也不宜过长，控制在5-7天左右相对合理。
(8)由于内衬墙内部最高温度出现在浇筑后的2-3天，间歇7～28天时最高温度与层间歇的相关性不大，但是由于冷却措施的存在，间歇时间越长，上层混凝土温度越低，且弹模越高，对新浇筑混凝土约束越明显，新浇混凝土最大应力会变大。在满足间歇时间的前提下，尽量缩小层间间歇期，避免间歇时间过长。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种盾构工作井内衬墙温控防裂方法，所述内衬墙由井口向下、分层逆作法施工，其特征在于：该内衬墙温控防裂方法为：
1)、在内衬墙浇筑模板内，按水平排距×竖直层距为1.0m×1.0m的方式布置通水冷却水管，冷却水管采用内径28.00mm、壁厚2.00mm的HDPE管，供水主管管径为40mm；预埋的冷却水管单根长度控制在100m-120m；
2)、分层浇筑内衬墙，每层内衬墙的高度为4.5m-6.0m，厚度为1.2m-1.5m；
3)、严格控制浇筑的混凝土温度；
混凝土的浇筑温度按公式(1)计算：
T＝T1+(Ta+R/β-T1)(φ1+φ2) (1)
式中：T是混凝土浇筑温度；T1是混凝土入仓温度；Ta是外界环境气温；R是太阳辐射热；β是混凝土表面放热系数；φ1是平仓过程的温度系数，φ1＝kτ，τ为混凝土入仓后到平仓前的时间，k为经验系数，取0.0030；φ2是平仓后的温度系数，平仓后的温度系数φ2采用单向差分法进行计算，公式如下：
Figure FDA0003303750680000011
其中，
Figure FDA0003303750680000012
是混凝土导热系数和表面放热系数的取值，取值范围为
Figure FDA0003303750680000013
超过上下限范围的按上下限考虑；c是比热，取值范围为0.6-1.2，超过上下限范围的按上下限范围考虑；Δτ是平仓结束至坯层再次被覆盖的时间；
4)、浇筑完毕后，采用动态调控的通水冷却方式进行水冷，通水冷却时间为5～7天，通水水温为20℃，通水流量2.1m3/h～2.4m3/h，水流方向每24h变换一次；其目的是保证混凝土内部温度不超过55℃；
5)、通水冷却结束后，在内衬墙的表面铺设保温系数β＝5kJ/(m2.h.℃)、导热系数λ＝0.16kJ/(m2.h.℃)的保温层，继续养护；保温时间是4天龄期后，保温时间不少于28天，降温速率不大于1℃/d；保温材料拆除时需满足混凝土内部温度与环境温度的最大温差小于20℃。
2.根据权利要求1所述的盾构工作井内衬墙温控防裂方法，其特征在于：浇筑时间为每年的4月份--10月份，浇筑的混凝土温度小于25℃；浇筑时间为当年的11月份--来年的3月份，浇筑的混凝土温度小于18℃。
3.根据权利要求1所述的盾构工作井内衬墙温控防裂方法，其特征在于：分层浇筑的上一层内衬墙浇筑完成后，间隔12～15天，再浇筑下一层内衬墙。
4.根据权利要求1-3之一所述的盾构工作井内衬墙温控防裂方法，其特征在于：在浇筑混凝土时，严格控制混凝土浇筑温度与出机口温度之差小于5℃，且避免高温时段浇筑混凝土，应充分利用低温季节或早晚及夜间气温低的时段浇筑；冬季浇筑的混凝土应有保温措施。
5.根据权利要求4所述的盾构工作井内衬墙温控防裂方法，其特征在于：在混凝土浇筑完毕6～18h后，混凝土表面连续而不是间断地进行保湿养护，以保持混凝土表面湿润；
向混凝土表面喷淋水温不低于20℃的水；连续保湿养护不少于28天。
6.根据权利要求5所述的盾构工作井内衬墙温控防裂方法，其特征在于：在拆除内衬墙模板时，选择高温时段拆除，不在夜间和气温骤降期间拆模，且拆模时间不低于3天；
当气温骤降来临时，推迟拆模时间；如必须拆模，在拆模的同时采取保护措施，避免冷击现象发生。
7.根据权利要求6所述的盾构工作井内衬墙温控防裂方法，其特征在于：当盾构工作井内气温高于23℃情况时，向盾构工作井内喷雾降温，通风；
当遇气温骤降即单日内气温降幅≥6℃时，加强对盾构工作井内保温，保证井内温度波动不大于6℃。
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