噴混凝土水化熱對(duì)隧道溫度場的影響★

程 霖 歐陽杰 趙志明

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044； 2.臨策鐵路有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

噴混凝土水化熱對(duì)隧道溫度場的影響★

程 霖1歐陽杰1趙志明2

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044； 2.臨策鐵路有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

實(shí)測了武廣線馬家沖隧道內(nèi)空氣溫度，通過計(jì)算噴混凝土的水化熱，采用數(shù)值方法模擬了噴混凝土水化熱引起的噴層及圍巖的溫度改變，計(jì)算表明，噴混凝土水化熱對(duì)溫度場有明顯影響的深度為1 m，影響的時(shí)間主要在噴層施作后5 d，對(duì)噴層變形的影響主要在于軸向應(yīng)變。

隧道，初期支護(hù)，水化熱，溫度場

在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性分析中，計(jì)算初期支護(hù)的內(nèi)力時(shí)要考慮溫度改變引起的變形[1,2]。隧道初期支護(hù)及圍巖溫度的改變可由兩種原因引起，一是隧道內(nèi)氣溫的變化，二是初期支護(hù)噴混凝土的水化熱。關(guān)于隧道內(nèi)氣溫的變化，王海彥等[3]從理論上探討了隧道溫度場的分布規(guī)律；徐明新等根據(jù)理論分析結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)確定了隧道圍巖日、月、年溫度變化的影響深度，給出了支護(hù)溫度的計(jì)算方法，推導(dǎo)了支護(hù)溫度變形的計(jì)算公式。認(rèn)為當(dāng)日間溫度差或日內(nèi)溫度差超過5 ℃時(shí)，工程中應(yīng)考慮溫度的影響。

1 隧道斷面選取

選擇武廣線馬家沖隧道進(jìn)行具體的溫度場計(jì)算。該隧道斷面為馬蹄形，凈寬13 300 mm，凈高11 180 mm。

初期支護(hù)厚28 cm，為C25噴混凝土，摻改性聚酯纖維，摻量為1.2 kg/m3。內(nèi)襯厚50 cm，為C35防水鋼筋混凝土。

2 隧道初期支護(hù)水化熱溫度計(jì)算

2.1 有限元建模

隧道溫度場可視為平面應(yīng)變問題，采用ANSYS有限元軟件2-D實(shí)體單元Plane55來模擬混凝土和圍巖。所建模型的邊界條件為：1)支護(hù)內(nèi)側(cè)與空氣間為對(duì)流邊界；2)支護(hù)外側(cè)與圍巖為接觸熱傳遞；3)前后兩側(cè)均為絕熱邊界。經(jīng)過計(jì)算，圍巖取到5 m的時(shí)候最外層的溫度值和初始值相差為0.001，可以認(rèn)為其外邊界為絕熱邊界。從噴混凝土澆筑完開始對(duì)隧道支護(hù)進(jìn)行溫度場的模擬計(jì)算。計(jì)算時(shí)間為10 d，將每天分為24個(gè)時(shí)間段。采用多點(diǎn)重啟動(dòng)分析計(jì)算24次，以此來描述溫度邊界條件的變化。

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

采用多點(diǎn)重啟動(dòng)分析計(jì)算240次，需要用到的是每一天結(jié)束時(shí)的溫度值，故下面的計(jì)算結(jié)果都是每一天結(jié)束時(shí)的計(jì)算結(jié)果。

由于初期支護(hù)厚度不變，且邊界條件也一樣，支護(hù)斷面上環(huán)向各節(jié)點(diǎn)溫度變化規(guī)律是相同的。選取隧道初期支護(hù)拱頂位于同一截面上的第31號(hào),57號(hào)，58號(hào)，59號(hào)和56號(hào)節(jié)點(diǎn)來考察溫度分布和變化規(guī)律。31號(hào)節(jié)點(diǎn)位于拱頂噴層內(nèi)皮，56號(hào)節(jié)點(diǎn)位于拱頂噴層外皮，57號(hào)，58號(hào)，59號(hào)節(jié)點(diǎn)在31號(hào)節(jié)點(diǎn)和56號(hào)節(jié)點(diǎn)間從內(nèi)向外等間距排列。各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化。

3 計(jì)算結(jié)果分析

隧道初期支護(hù)因噴混凝土水化熱引起的溫度變化有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)隨噴混凝土水化熱的釋放，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在噴混凝土齡期為2 d時(shí)溫度升到最高值，其后溫度下降。

2)節(jié)點(diǎn)的平均溫度，在第1天上升幅度最大，升高了7.1 ℃；在第4天和第5天下降幅度最大，下降了0.9 ℃。

3)噴混凝土水化熱使噴層中部的溫度較內(nèi)、外皮增溫稍大，這是由于噴層內(nèi)皮熱對(duì)流和外皮熱傳遞影響的結(jié)果。

4 結(jié)語

本文采用數(shù)值方法模擬了初期支護(hù)噴混凝土水化熱對(duì)隧道溫度場的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以得到如下研究結(jié)論：1)由于水化熱引起的噴層內(nèi)外皮溫差不大，只需考慮水化熱溫度引起的軸向應(yīng)變，水化熱溫度引起的噴層的彎曲可以忽略。2)水化熱影響噴層溫度應(yīng)力的時(shí)間主要在施作后前5天，然后逐漸減弱，10 d后影響可以忽略。3)水化熱影響圍巖溫度場的范圍可以深達(dá)2 m，但有明顯影響的深度只有1 m。

[1] Yang Chengyong,Xu Mingxin,Chen Waifah.Reliability analysis of shotcrete lining during tunnel construction[J].Journal of Construction Engineering and Management,ASCE,2007,133(12):975-981.

[2] 李洪泉，楊成永，徐明新，等.隧道格柵鋼架噴混凝土支護(hù)安全性評(píng)價(jià)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(S2)：3903-3908.

[3] 王海彥，駱憲龍，楊石柱.隧道圍巖溫度場變化規(guī)律理論分析[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,5(2):24-29.

The influence of spraying concrete hydration heat to tunnel temperature field★

Cheng Lin1Ouyang Jie1Zhao Zhiming2

(1.CivilEngineeringSchool,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China; 2.LinceRailwayLimitedLiabilityCompany,Hohhot010000,China)

This paper measured the air temperature in Wuhan-Guangzhou line Majiachong tunnel, through the calculation to spraying concrete hydration heat, used the numerical method simulated the spray layer and surrounding temperature changes of caused spraying concrete hydration heat, the calculations showed that the obvious effect depth was 1 m of spraying concrete hydration heat to temperature field, the influence time was 5 days later mainly spray layer, the influence to spray layer deformation mainly lied in axial strain.

tunnel, initial support, hydration heat, temperature field

1009-6825(2015)07-0165-01

2014-12-14 ★：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：50978020，51278044)

程 霖(1992- )，男，在讀碩士； 歐陽杰(1986- )，男，工程師； 趙志明(1962- )，男，工程師

U451.2

A