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1初襯對(duì)凍結(jié)壁的影響

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，隧道開(kāi)挖成型后每隔5m進(jìn)行一次初襯支護(hù)。邊墻凍結(jié)壁表面溫度傳感器測(cè)得溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖1所示。初襯混凝土初始溫度為10．2℃，12月29日開(kāi)始澆筑。由圖1可見(jiàn)，初襯澆筑完成后凍結(jié)壁表面溫度逐漸降低，并最終趨于穩(wěn)定。可見(jiàn)采用噴射的方式澆筑，混凝土熱量易于散失，且澆筑時(shí)凍結(jié)壁前木背板可有效阻止熱量往凍結(jié)壁方向傳遞。初襯噴射完成后混凝土能形成一層多孔隙疏松結(jié)構(gòu)，能有效保溫，阻止凍結(jié)壁與空氣對(duì)流產(chǎn)生冷量損失。

2二襯與凍結(jié)壁的相互影響

2．1數(shù)值模型建立采用二維平面熱單元PLANE55進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。考慮實(shí)際施工參數(shù)及凍融影響范圍，因隧道的縱深、圈徑較大，選取平面矩形模型近似模擬［5－8］。其中，凍結(jié)壁單元尺寸為1000mm×1000mm，保溫材料單元尺寸為1000mm×20mm，二襯混凝土尺寸為1000mm×400mm。二襯混凝土入倉(cāng)溫度為8．3℃，水化熱散熱系數(shù)m取0．45，最終累計(jì)產(chǎn)熱量Q0=335kJ/kg。土體、保溫材料及混凝土其他熱物理參數(shù)如表1所示。

2．2凍結(jié)壁初始條件隧洞于2013年8月1日開(kāi)機(jī)凍結(jié)，2014年1月2日停機(jī)并進(jìn)行末端初襯支護(hù)。凍結(jié)壁內(nèi)溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度情況如圖2所示。從1月3日到1月8日測(cè)溫傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，淺部?jī)鼋Y(jié)壁溫度隨深度呈線(xiàn)性關(guān)系(R2依次為0．990，0．978，0．971，0．998，0．995，0．981)。為了對(duì)凍結(jié)壁溫度場(chǎng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，假設(shè)凍結(jié)壁模型30～1000mm深度范圍內(nèi)溫度場(chǎng)呈線(xiàn)性分布。考慮到凍結(jié)壁表面暴露在空氣中，根據(jù)實(shí)際情況施加對(duì)流荷載。

2．3數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果分析2014年1月8日開(kāi)始澆筑二襯混凝土，并于二襯澆筑前停止凍結(jié)。各溫度傳感器實(shí)測(cè)與模擬值對(duì)比曲線(xiàn)如圖3，4所示，其中圖3為混凝土、底板溫度實(shí)測(cè)與模擬值對(duì)比情況，圖4為凍結(jié)壁內(nèi)溫度傳感器實(shí)測(cè)與模擬值情況。從圖3實(shí)測(cè)情況可以看出，混凝土入模后受水化熱影響，溫度迅速升高，澆筑第一天達(dá)到最高溫度28．2℃，而后受凍結(jié)壁冷量與襯砌表面空氣對(duì)流影響，溫度緩慢降低;底板與混凝土溫度變化趨勢(shì)大致相同，澆筑完第一天達(dá)到最高溫度8．17℃，而后逐漸降低。由圖4實(shí)測(cè)值可見(jiàn)，C1距底板表面30mm，受混凝土水化熱影響較大，1月8日混凝土澆筑完后，在1月9日溫度達(dá)到最大值2．3℃;C2在1月10日溫度升高到－0．31℃;C3～C5范圍內(nèi)凍土溫度也有所升高，但也都保持在0℃以下，凍結(jié)壁融化范圍在30～100mm區(qū)間內(nèi)。澆筑混凝土之前已經(jīng)停止凍結(jié)，1月12日之后，C1～C2范圍內(nèi)凍土溫度有所回升，C3～C5范圍內(nèi)凍土溫度基本保持穩(wěn)定，可見(jiàn)100mm深度以?xún)?nèi)凍結(jié)壁受混凝土水化熱與空氣對(duì)流影響，溫度出現(xiàn)回升。200mm深度以上凍結(jié)壁冷量與水化熱熱量傳導(dǎo)達(dá)到短期平衡，溫度保持穩(wěn)定。比較圖3中實(shí)測(cè)與模擬曲線(xiàn)，可以看出底板溫度傳感器實(shí)測(cè)值與模擬值吻合很好。圖4中C1、C2實(shí)測(cè)與模擬變化趨勢(shì)不同且溫度相差較大，最大溫差6．07℃，C3～C5實(shí)測(cè)與模擬值吻合良好，且深度越深吻合情況越好。可見(jiàn)，在該工程中采用數(shù)值模擬來(lái)研究襯砌混凝土水化熱及凍結(jié)壁30mm以上溫度場(chǎng)是可信的。故可采用數(shù)值手段來(lái)模擬襯砌混凝土水化熱溫度場(chǎng)，找到混凝土最低溫度值，其隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如下圖5所示。從圖5可見(jiàn)，混凝土澆筑完成后從第60天(1月8日)到第80天(1月28日)溫度才降到0℃，從而能保證混凝土有20d的正溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間。從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，二襯混凝土在澆筑完第二天(1月9日)達(dá)到最大溫差9．2℃。上述結(jié)果表明，凍結(jié)壁冷量傳導(dǎo)對(duì)二襯混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)影響相對(duì)較小，且二襯混凝土內(nèi)外溫差較小，混凝土不會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫的情況。

3結(jié)論

(1)初襯混凝土水化熱對(duì)凍結(jié)壁溫度場(chǎng)沒(méi)有影響，木背板能有效阻擋熱量向凍結(jié)壁傳導(dǎo)。混凝土澆筑完成后的疏松孔隙結(jié)構(gòu)能形成一層有效的保溫層，減少凍結(jié)壁冷量損失。(2)淺部范圍凍結(jié)壁溫度場(chǎng)溫度值與深度呈線(xiàn)性關(guān)系。受二襯混凝土影響，凍結(jié)壁在混凝土澆筑后1～2d內(nèi)的融化深度達(dá)到最大，融化范圍在30～100mm。混凝土澆筑完成后第3天回凍進(jìn)入負(fù)溫，由于二襯澆筑前已經(jīng)停止凍結(jié)，淺表100mm范圍內(nèi)土體受混凝土水化熱與空氣對(duì)流影響，溫度有所回升，而深度200～500mm范圍內(nèi)凍土溫度達(dá)到短期平衡，保持穩(wěn)定。(3)二襯混凝土水化熱溫度場(chǎng)、凍結(jié)壁30mm深以上溫度場(chǎng)數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)情況基本吻合。二襯混凝土澆筑后水化熱量大，且釋放迅速，澆筑后第一天溫度升高到最大值28．2℃，而后逐漸降低。由于混凝土有20d左右正溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間，所以其強(qiáng)度增長(zhǎng)受凍結(jié)壁冷量影響較小。因二襯厚度相對(duì)較小，內(nèi)外最大溫差為9．2℃，不會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫情況。

作者：葉慶石榮劍陳博單位：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室