考虑温度荷载作用的白鹤滩隧洞衬砌拆模时间研究

现浇混凝土衬砌结构顶部大多属于拱的形式。混凝土施工规范规定衬砌混凝土顶拱的跨度不大于8 m时，其强度应达到设计的混凝土强度标准的75%以上才能拆模；跨度大于8 m时，其强度应达到设计混凝土强度标准的100%时才能拆模。按照上述强度拆模，拆模时间将长达14~28 d。

同时规范规定，经过计算和试验复核，混凝土的实际强度已经能够承受自重及其他荷载时可提前拆模。在保证质量和安全的前提下，经过计算和试验复核，混凝土的实际强度已经能够承受自重及其他荷载时，衬砌混凝土承重模板的拆模时间可以提前到12~36 h，大量工程实践已经证明了这一点^［1-3］。部分大型工程拆模时间如表1所示。

提前拆模时间通常考虑混凝土结构自重等的影响，借助结构力学方法或有限元法计算不同拆模时间混凝土的拉应力，并根据施工强度的要求和现场施工进度要求确定拆模时间^{［1，2，4-11］}。对于一些大型隧洞衬砌混凝土，温度荷载所产生的拉应力也很大，如果水泥的水化热较高，则产生的温度拉应力很可能成为拆模时间的控制因素^{［3，12-14］}。

拆模时顶拱结构仅承受混凝土的自重荷载，原因如下：

1）顶拱衬砌时洞室开挖和初期支护已完成，洞室已经稳定，洞室变形已经很小。

2）由于浇筑混凝土设备的限制，顶拱混凝土浇筑时上部空间的混凝土不饱满，顶拱中心一定范围内混凝土和顶部围岩并未接触，存在着一定的空隙，往往需要经过回填灌浆才能保证紧密结合，故灌浆前顶部围岩荷载不会传到顶拱结构上。

3）浇筑混凝土时围岩渗水往往通过预先埋设的排水管排除，不存在内外水压力。

根据施工方提供的资料，衬砌混凝土的初凝时间为12 h，终凝时间为20 h，在初凝时间之前，混凝土自重荷载由模板承担，在初凝时间和终凝时间之间，混凝土的自重荷载按照线性变化逐渐由模板承担转化到衬砌混凝土自身承担。

根据泄洪洞结构特点，计算对象可按照对称条件截取。规定沿洞轴线往洞外为z轴正向，围岩范围径向取3倍洞径左右。岩体和衬砌统一采用空间八结点等参单元，结构段模型共划分三维块体单元8 346个，衬砌中央横断面处混凝土块体单元尺寸不超过0.5 m。成果整理断面取3处代表点，如图2所示。

图2  成果整理代表点示意图

Fig.2  Sketch map of representative points

将混凝土浇筑后12、24、36、48、60、72和84 h拆模分别作为计算方案，该方案下的第1主应力云图如图3所示，浇筑完成后12 h拆模时自重作用下的拉应力与抗拉安全系数如表4所示。

图3  12 h拆模的第1主应力云图（单位:Pa）

Fig.3  The first principal stress nephogram while the removal time is 12 h(unit:Pa)

由表4可见，在12 h拆模条件下，A-A断面表面点1、中间点1、围岩点1的最大拉应力都比较小，最小抗拉安全系数为4.88、13.26、23.28，均大于3.0，抗拉安全系数满足要求。A-A断面表面点拉应力最大，表5仅列出浇筑完毕24、36、48、60、72和84 h拆模的相关结果。仅考虑自重的作用，浇筑完毕12 h拆模时混凝土强度完全可满足安全要求。

一般情况下，洞内气温变化不大，温度变化对混凝土强度增长影响较小，但由于混凝土早期水化热的作用，造成拆模后混凝土内部和表面产生内外温差，此温差在混凝土表面会产生拉应力，对拆模不利，故在提前拆模时，需要复核拆模时混凝土的实际强度是否已经能够承受自重和温度荷载共同作用。混凝土结构安全需用抗拉安全系数与抗裂安全系数共同表征。

抗裂安全系数为混凝土的抗拉强度除以混凝土的拉应力，抗拉强度用弹性模量×极限拉伸值表征。目前有关规范也对地下工程混凝土施工期温度应力的抗裂安全系数最小值没有明确规定，文献［16］对混凝土温控防裂要求为1.5~1.8，施工期为其中的小值；文献［12］对混凝土温控防裂要求为1.5~2.0，本文按1.5控制。

假设衬砌浇筑时间为2月1日，混凝土浇筑温度为18 ℃。通水冷却参数为：PE管管径为25 mm，水管间距为1.0 m×0.5 m，通水水温为20 ℃，通水流量为48 m³/d。混凝土热学参数如表6所示。

考虑温度荷载作用后，最大拉应力出现部位还是A断面的表面点1，仅列出该点在不同拆模时间的拉应力及其安全系数，如表7所示。不同拆模时间A-A断面表面点抗裂安全系数变化如图4所示。

图4  不同拆模时间下A-A断面表面点抗裂安全系数

Fig.4  Section A-A surface points anti-crack safety factor at different removal time

由表7可见，考虑温度荷载的作用时，混凝土抗拉安全系数比表3有明显的降低，不管是抗拉安全系数还是抗裂安全系数都满足要求，但12 h拆模时抗拉安全系数值较小，拆模时间宜为24 h。

由图4可见，随着拆模时间的延长，A-A断面表面点的抗裂安全系数出现先降低后增加的规律，拐点出现在36~48 h，抗拉安全系数也有一定的变化，这可能与48 h拆模方案下表面点最高、温度（27.67 ℃）相较于其他方案最高，同时最大内外温差（7.93 ℃）较大导致温度应力增大有关。因此，在制定拆模时间方案时，应尽量避免将拆模时间定为48 h左右，可定为24~36 h。

综上可知，虽然24~36 h拆模混凝土的强度还较低，但混凝土的实际强度已经能够承受自重和温度荷载的共同作用，顶拱模板在混凝土浇筑完24~36 h拆除是安全可行的。

本工程中，12 h衬砌混凝土刚过初凝时间，此时拆模可能会对混凝土外表面造成损伤；而24 h衬砌混凝土已过终凝时间，其安全性要提高很多。因此，从安全角度和质量角度出发，推荐24 h拆模方案。

虽然洞内气温变化不大，温度变化对混凝土强度增长影响较小，由于混凝土早期水化热的作用，会造成拆模后混凝土内部和混凝土表面产生内外温差，一般情况下该温差在混凝土表面会产生拉应力，对拆模不利。在施工过程中，拆模后应加强对混凝土表面的养护（如及时进行泡沫板覆盖等），减少混凝土内外温差。而顶拱混凝土养护困难，建议在顶拱模板台车尾部架设喷水管，进行保湿养护。

白鹤滩泄洪洞顶拱衬砌采用提前拆模并加强养护的方案后，加快了施工进度，保证了工程工期。工程完工后进行了多次质量检查，均未发现温度裂缝。

根据以上有限元法仿真计算成果，得到如下结论：

1）仅考虑自重时，拆模时衬砌混凝土的内应力并不大，拉应力和拉应力区都很小。但是对于强度较高、水泥发热量大的衬砌混凝土，拆模时间需要综合考虑温度荷载的影响。

2）隧洞衬砌顶拱拆模时间可以提前。白鹤滩泄洪洞顶拱衬砌混凝土拆模时间可以提前到混凝土浇筑完成后24 h，这一结论也为实际工程施工所采纳，并在工程完工后进行了多次质量检查，均未发现温度裂缝。

3）加强早期保湿养护。拆模后混凝土表面温度快速降低，水分快速散发，容易产生表面收缩裂缝，因此必须加强早期保湿养护。而顶拱混凝土养护困难，建议在顶拱模板台车尾部架设喷水管，进行保湿养护。

4）拆模过程中需防止对混凝土表面的损伤，避免导致施工裂缝。