圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制方法及系统

本发明属于衬砌结构混凝土温度裂缝控制，具体涉及圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制方法及系统。

背景技术：

1、圆弧形断面衬砌结构(图1)，在水利水电、铁路、军工、市政等工程中广泛采用。由于结构厚度远小于平面尺寸(长度、宽度)，一般都属于极强约束区混凝土，在温差作用下容易产生温度裂缝。如三峡水利枢纽右岸地下水电站发电引水洞和溪洛渡水电站发电引水洞，在施工期发生沿腰线水平发展的贯穿性温度裂缝，后期处理，影响工程进度和造价，甚至影响钢筋锈蚀和结构寿命。

2、定义：衬砌混凝土浇筑后水化热温升、温降全过程内部与表面温度差的最大值，称为最大内表温差，记作δtmax。定义：衬砌结构混凝土浇筑后，在水化热温升、温降全过程能够承受的内部温度与表面温度的最大差值，称为容许内表温差，记作

3、【δtnb】。这里定义“内表温差(包括容许内表温差)”作为衬砌结构混凝土温度裂缝控制的指标，而不是沿用大体积混凝土的“内外温差(及其容许内外温差)”，是因为衬砌结构的厚度小，温升温降快，“内表温差”能够更直接反映厚度方向表面(几何、时间)温度梯度，以及早期温降表面温度梯度产生表面温度裂缝的可能性。早期温降，内表温差越大，表面温度梯度和拉应力越大，越容易产生表面温度裂缝。因此，控制早期表面裂缝就是要把内表温差控制在允许值范围。

4、衬砌结构厚度小，表面散热快，温升温降迅速，在较短时间内即经历水化热温升、温降，进入随环境气温周期变化，只要不采取有效措施，容易产生温度裂缝特别是早期表面裂缝。例如三峡水利枢纽右岸地下电站发电引水洞，其中1.2m厚度衬砌，混凝土为二级配c25，分缝长度8m，在1号引水洞第4、6浇筑块埋设温度计(钢筋计，钢筋计也由测温计)等观测成果表明，平均浇筑温度为14.4℃，最大值16.6℃，3天左右达到最高温度36.00℃，水化热温升平均值为19.0℃，最大值为21.0℃，1个月后下降至24.0℃左右，见图2。浇筑后在腰线产生轴向规律性裂缝，分析表明，混凝土硬化过程中3—5天水化热温升过高，之后混凝土温度下将快，混凝土收缩受岩石地基约束而产生的拉应力，再和其它不利因素叠加后的拉应力大于此时混凝土的抗拉强度，导致裂缝产生。早期表面裂缝，后期大多发展成为贯穿裂缝。

5、虽然内表温差是产生早期温度裂缝的最重要原因，但地下洞室和其他有关规范条文中并没有关于衬砌结构混凝土内表温差控制的规定，至今也没有过关于衬砌混凝土内表温差控制或者设计计算的专门研究，施工中主要采取措施控制内部最高温度。而且，由于圆弧形断面，结构内部约束比平直结构大，同样温差作用下更容易产生温度裂缝。

6、因为容许内表温差反映衬砌结构及其混凝土性能，圆弧曲线和平直及其组合的不同结构形式的约束条件显著差异、粉煤灰等掺量和混凝土坍落度对温度裂缝特别是早期表面温度裂缝控制的影响非常大，不同温控措施(通水、无覆盖、泡沫层保温)对裂缝控制的影响也非常大，但在至今的温度裂缝控制设计中没有考虑。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制方法及系统，考虑混凝土坍落度、粉煤灰掺量和温控措施等因素对圆弧形断面衬砌(包括城门洞型断面顶拱等)混凝土表面裂缝控制的影响，科学、有效地实现圆弧形断面衬砌混凝土早期表面温度裂缝实时控制。

2、本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

3、<方法>

4、如图3所示，本发明提供圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制方法，包括以下步骤：

5、步骤1，收集圆弧形断面衬砌结构混凝土温度裂缝控制有关资料；

6、步骤2，实时获取现场浇筑圆弧形断面衬砌混凝土温控资料，监测温控数据；

7、步骤3，根据步骤1～2确定各参数，代入下列公式1中实时计算圆弧形断面衬砌混凝土内表温差控制值ф：

8、ф＝0.012e+0.36c×d+0.12ta+0.04α×c×d-0.2t0-0.1tg-0.14m×ta+0.003sb-0.19h×c×d+0.14h×t0-0.04h×tg+0.007t0×tg-0.002c×h×t0×d-12.36h/(2πr)(公式1)式中：d为混凝土坍落度(m)；m为混凝土表面保温系数；h为衬砌结构混凝土厚度(m)；r为圆形衬砌结构内半径(m)；c为衬砌结构混凝土90d设计龄期强度等级(mpa)，如c9040，则c＝40；e为围岩变形模量(mpa)；ta为衬砌结构混凝土浇筑期环境气温值(℃)；t0为衬砌混凝土浇筑温度(℃)；α为粉煤灰掺量，如掺量30％，则α＝0.3；tm为粉煤灰衬砌混凝土拆模时间；sb为反映不同养护方式混凝土表面热量对流系数；tg＝35-tw，表示通水和不通水冷却情况的温度效应值(℃)，在没有通水冷却的情况下取tw＝35℃，在通水冷却的情况下tw为通水温度(℃)；

9、步骤4，基于内表温差控制值ф，实时分析、优化调整现场施工圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制措施。

10、在步骤3和步骤4中，当衬砌混凝土采用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；施工期如采用封闭洞口保温等措施，使得地下洞室空气温度提高，则ta应该采用提高后的洞内空气温度。

11、优选地，本发明提供的圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制方法，在步骤3中，混凝土表面保温系数m的取值由如下公式2计算：

12、m＝m1×m2 (公式2)

13、式中：m1为混凝土浇筑模板保温系数，采用钢模台车浇筑时取m1＝1.0，采用木模板浇筑时取m1＝1.1；m2为拆除模板后表面覆盖保温系数，对于圆形断面衬砌取值分为以下情况：1)无覆盖保温措施，m2＝1.0；2)喷泡沫层，m2＝1.2。

14、优选地，本发明提供的圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制方法，在步骤4中，具体分为以下3种情况进行实时控制措施优化：

15、(1)-1.0℃≤ф≤0.2℃情况，则当前施工措施方案是合适的，继续采用；

16、(2)ф小于-1.0℃情况，则可以适当放宽当前施工温控措施，对于采用常温水通水冷却情况可以取消通水冷却，对于采用制冷水通水冷却情况可以采用常温水；

17、(3)ф大于0.2℃情况，应加强施工温控措施，对于夏季浇筑衬砌混凝土应降低水温加强通水冷却，对于冬季浇筑混凝土应喷1.5cm厚度泡沫保温；

18、上述(2)、(3)情况，还需要由公式1复核计算调整施工温控措施后的ф值，使其满足-1.0℃≤ф≤0.2℃，最终确定优化实时控制措施。

19、优选地，本发明提供的圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制方法，在步骤2中，温控资料和监测数据包括：衬砌混凝土浇筑开始和结束时间；衬砌结构混凝土板厚度、圆形衬砌结构内半径；混凝土强度等级、坍落度；围岩变形模量；浇筑期环境气温；粉煤灰掺量；混凝土浇筑温度；通水和不通水冷却情况及其水温；混凝土浇筑模板拆除龄期；混凝土的保温养护方式。

20、优选地，本发明提供的圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制方法，在步骤1中，平面衬砌结构混凝土相关资料包括：工程概况、水文气象资料；和圆弧形衬砌结构、混凝土温控设计技术要求资料。

21、优选地，本发明提供的圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制方法，还可以包括：步骤5，根据步骤4确定的实时控制措施对圆弧形断面衬砌混凝土进行温控养护。

22、<系统>

23、进一步，本发明还提供了圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制系统，包括：

24、收集部，收集圆弧形断面衬砌结构混凝土温度裂缝控制有关资料；

25、监测部，实时获取现场浇筑圆弧形断面衬砌混凝土温控资料，监测温控数据；

26、ф计算部，根据收集部和监测部的数据确定各参数，代入下列公式1中实时计算圆弧形断面衬砌混凝土内表温差控制值ф：

27、ф＝0.012e+0.36c×d+0.12ta+0.04α×c×d-0.2t0-0.1tg-0.14m×ta+0.003sb-0.19h×c×d+0.14h×t0-0.04h×tg+0.007t0×tg-0.002c×h×t0×d-12.36h/(2πr)(公式1)式中：d为混凝土坍落度(m)；m为混凝土表面保温系数；h为衬砌结构混凝土厚度(m)；r为圆形衬砌结构内半径(m)；c为衬砌结构混凝土90d设计龄期强度等级(mpa)，如c9040，则c＝40；e为围岩变形模量(mpa)；ta为衬砌结构混凝土浇筑期环境气温值(℃)；t0为衬砌混凝土浇筑温度(℃)；α为硅粉掺量，如掺量30％，则α＝0.3；tm为硅粉衬砌混凝土拆模时间；sb为反映不同养护方式混凝土表面热量对流系数；tg＝35-tw，表示通水和不通水冷却情况的温度效应值(℃)，在没有通水冷却的情况下取tw＝35℃，在通水冷却的情况下tw为通水温度(℃)；

28、优化部，基于内表温差控制值ф，实时分析、优化调整现场施工圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制措施；

29、控制部，与收集部、监测部、ф计算部、优化部均通信相连，控制它们的运行。

30、优选地，本发明提供的圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制系统，还可以包括：输入显示部，与控制部通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示。

31、优选地，本发明提供的圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制系统，在ф计算部中，混凝土表面保温系数m的取值由如下公式2计算：

32、m＝m1×m2 (公式2)

33、式中：m1为混凝土浇筑模板保温系数，采用钢模台车浇筑时取m1＝1.0，采用木模板浇筑时取m1＝1.1；m2为拆除模板后表面覆盖保温系数，对于圆形断面衬砌取值分为以下情况：1)无覆盖保温措施，m2＝1.0；2)喷泡沫层，m2＝1.2。

34、优选地，本发明提供的圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制系统，在优化部中，具体分为以下3种情况进行实时控制措施优化：

35、(1)-1.0℃≤ф≤0.2℃情况，则当前施工措施方案是合适的，继续采用；

36、(2)ф小于-1.0℃情况，则可以适当放宽当前施工温控措施，对于采用常温水通水冷却情况可以取消通水冷却，对于采用制冷水通水冷却情况可以采用常温水；

37、(3)ф大于0.2℃情况，应加强施工温控措施，对于夏季浇筑衬砌混凝土应加强通水冷却(如降低水温)，对于冬季浇筑混凝土应喷1.5cm厚度泡沫保温；

38、上述(2)、(3)情况，还需要由公式1复核计算调整施工温控措施后的ф值，使其满足-1.0℃≤ф≤0.2℃，最终确定优化实时控制措施。优选地，本发明提供的圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制系统，还可以包括：实施部，与控制部通信相连，根据确定的实时控制措施对圆弧形断面衬砌混凝土进行温控养护。

39、本发明提供的圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制方法，上述步骤3中的公式1，是通过如下方式证实其可靠性：国内大型水工地下洞室为例，进行圆形断面衬砌结构(图1)不同厚度、不同强度等级、不同洞内气温条件浇筑不同衬砌混凝土在不同温控措施条件共125个方案的温度与温度应力计算，整理分析全过程衬砌混凝土温控防裂效果和参数列于表1，并且将其中抗裂安全系数k大于1.0共86个方案的参数列于表2，然后对这些数据进行验证分析，证实了计算结果与实测情况基本符合。

40、表1圆弧形断面衬砌混凝土125个方案数据

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45、表2圆形断面衬砌混凝土65个方案数据(k>1.0)

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49、发明的作用与效果

50、本发明涉及的圆弧形断面衬砌混凝土内表温差实时控制方法及系统，首次提出了计入混凝土坍落度、温控措施影响计算圆弧形断面衬砌混凝土内表温差控制值ф，温控措施包括钢模台车浇筑模板保温、木模板浇筑模板保温、拆除模板后表面无覆盖、拆除模板后喷泡沫层覆盖保温、降低浇筑温度、通水冷却等，能够科学、有效地实时确定内表温差控制值ф，进而确定优化实时控制措施，从而对圆弧形断面衬砌混凝土的早期表面温度裂缝进行实时控制，防止早期表面温度裂缝。