1、有限元法分析隧洞工程混凝土衬砌拆模时间摘要：隧洞工程衬砌混凝土一般采用钢模台车，钢模台车的拆模时间长短对隧洞混凝土衬砌进度有较大的影响。通常情况下其拆模时间比其他钢筋混凝土的拆模时间要短的多，顶拱模板可在较短的时间内拆除，甚至有些大型水电站工程的隧洞采用钢模台车进行混凝土衬砌时拆模时间只有 1214h。针对规范要求的混凝土拆模强度、衬砌混凝土的荷载及衬砌模板的特点，结合巴基斯坦杜伯华水电站项目引水隧洞钢模台车衬砌混凝土施工，采用有限元法进行隧洞混凝土衬砌拆模时间计算分析，论证提前拆除隧洞混凝土衬砌模板是可行和经济合理的，能够保证工程质量和安全。 关键词：有限元法；隧洞工程；台车衬砌；拆模时间；
2、拆模强度 Abstract: Tunnel Project lining concrete commonly used steel trolley, the steel trolley Chaimo duration had a greater influence on the progress of tunnel concrete lining. Its removal time than other reinforced concrete removal time usually shorter multi-the top arch template can be removed with
3、in a relatively short period of time, and even some large-scale hydropower project tunnel concrete lining steel trolley Chaimo time of only 12 14h. Diversion the tunnel steel trolley lining concrete construction concrete form removal strength requirements for the specification of lining concrete loa
4、ds and lining template characteristics, combined with Pakistan Du Bohua hydropower project, using the finite element method, computational analysis carried tunnel concrete lining Chaimo time demonstration in advance removal of tunnel concrete lining template is feasible and economically reasonable,
5、to ensure project quality and safety.Keywords: finite element method; tunnel project; trolley lining; Chaimo time; Chaimo strength 中图分类号：文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012） 工程概况 巴基斯坦杜伯华水电站项目位于巴基斯坦西北边界省 Indus Kohistan 区, 是一座高水头、长隧洞引水式水电站。主要建筑物有: 混凝土重力坝 、地下沉沙室、引水隧洞、调压井、压力管道和电站厂房等。电站设计水头 541m, 引水隧洞长 4867 m, 装
6、机容量为 130MW, 年发电量约 595GW.h。 引水隧洞长 4867m，断面设计为马蹄形，衬砌后断面高度 3.5 米，最大跨度 3.2 米。引水隧洞混凝土衬砌采用底板、侧墙和顶拱二次衬砌的办法，即先衬砌隧洞的底板，再进行侧墙和底拱混凝土衬砌,引水隧洞侧墙和顶拱混凝土衬砌采用针梁钢模台车。 隧洞混凝土拆模时间 隧洞工程混凝土衬砌的拆模时间受围岩的地质条件、混凝土的设计标号、水泥品种与标号、跨度、荷载、温度、湿度、施工工艺、外加剂类型、养护条件等诸多因素的影响和控制。顶拱承重模板的拆除时间，对隧洞混凝土衬砌施工进度甚至整个工程的工期都有着较大影响，为保证工期，有必要缩短拆模时间。 隧洞工程衬
7、砌混凝土的顶部多为拱形结构，且隧洞支护锚杆对钢筋及混凝土有着拉承作用，施工期间拱部混凝土仅承受自重作用，因此，其衬砌拆模时间比其它现浇钢筋混凝土结构的拆模时间短，可以在较短的时间拆除顶拱承重模板。一些隧洞工程的承重底模在混凝土浇完后1214h 就可拆除，大大缩短了拆模时间。 提前拆模的意义 隧洞工程混凝土衬砌多采用钢模板台车，采用钢模台车衬砌隧洞混凝土具有移动速度快、需要投入的劳动力少、衬砌出的表面整洁的特点。钢模台车的模板采用大面积的整装钢模，拆装和移位用配套的台车。建造钢模台车需要耗用大量的钢材，重达数十吨甚至上百吨，再加上液压和行走机构，单台钢模台车造价很高。为节省施工成本，通过加快钢模
8、台车衬砌循环以达到减少投入台车数量的目的，提高钢模台车的使用效率。 提高钢模台车的周转速度需要缩短钢模台车的周转时间。钢模台车的周转时间除了与台车模板的安装拆除、台车的移动、台车模板表面打磨、涂刷脱模剂、端头模板封堵及混凝土浇筑所用时间有关外，还与模板的拆除时间有关。衬砌浇筑完成以后，钢模台车必须等待一定的时间，在混凝土达到一定的强度后才能拆除。拆模时间的长短会影响衬砌施工速度，特别是承重的顶拱模板拆除时间如果太长，将会严重影响衬砌的施工进度。如果能缩短拆模时间，对提高混凝土衬砌的速度是非常有利的。 其次，隧洞工程一般处在引水电站项目的关键线路上，关键线路上的项目一旦出现工期拖延，将会影响整个
9、工程的完工期限。因此，缩短隧洞混凝土衬砌的模板拆除时间，加快台车的循环周期提高混凝土施工效率，保证关键线路工程按时完工对保证整个工程的完工具有重要意义。 钢模台车衬砌混凝土荷载 引水隧洞采用钢模台车衬砌混凝土的荷载有以下特点： (1)拆模时顶拱结构仅承受混凝土的自重荷载。这是因为： 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； 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； 混凝土浇筑完成后，拆模后的顶拱不存在人
10、员或设备等活荷载； 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。故顶拱拆模时，拱部混凝土结构一般只承受其自重荷载，荷载较小。 (2)锚杆和顶部钢筋的联合作用，改善了顶拱混凝土的受力条件。引水隧洞绑扎钢筋时，为了形成骨架，一般在隧洞周围布置一定的锚杆或插筋，绑扎钢筋时往往将锚杆和钢筋网焊接在一起，隧洞锚杆不仅便于钢筋的架立，同时由于锚杆深入到围岩的内部可以承受较大的拉力，衬砌混凝土结构和围岩形成一个整体受力，和锚杆焊接在一起的钢筋网的重量完全由锚杆承担，不需要模板承担。拆模时混凝土已达到一定强度，锚杆和钢筋网一起在混凝土内部形成一个个“支座” ，相当于减小了顶拱混凝土结构
11、的跨度，大大改善了顶拱混凝土的受力条件少了混凝土所承受的拉应力。 (3)顶部拱的作用，减小了混凝土的拉应力和拉应力区的范围。隧洞工程混凝土衬砌顶部多为圆形拱，顶拱混凝土相当于弹性固定于围岩和下部混凝土上的无铰拱。由于拱的作用，使顶拱混凝土结构内的拉应力减小，甚至全部为压应力，这样能尽量发挥混凝土的抗压承载能力，对提前拆模是有利的。由于顶拱衬砌混凝土仅承受自重，再加上拱和锚杆的作用，混凝土浇筑完成后能够在较短的时间能承受自重和其它荷载。 混凝土拆模强度 有关混凝土的拆模强度， 混凝土结构工程施工质量验收规范(GB502042002)和水利水电工程模板施工规范(DIJT5110 2000)的规定基
12、本相同。都规定现浇结构的模板拆除时的混凝土强度应符合设计要求。当设计无具体要求时，侧模拆除时混凝土强度应能保证其表面及棱角不因拆除模板而受损坏，底模的强度应符合表 1 的规定。 现浇隧洞混凝土衬砌结构顶部大多属于拱的形式，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值的 75以上才能拆模；而跨度大于 8 m 时，其强度应达到设计的混凝土强度标准值的 100时才能拆模。如果按照上述强度拆模，拆模时间将长达 1428d。 表 1：底模拆除时混凝土强度要求 注：本标准中“设计的混凝土强度标准值”系指与设计混凝土强度等及相应的混凝土立方体抗压强度标准值。 杜伯华水电
13、站项目主合同文件技术规范第 11 章混凝土工程（TECHNICAL SPECIFICATIONS CHARAPETER 11 CONCRETE WORKS）规定，对于拱型结构拆除模板的时间为 3 天，见表 2：Table 11.4 Removal of Formwork。 但水利水电工程模板施工规范(DLT51102000)同时也规定：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它荷载时，可提前拆模。 提前拆模实例分析 巴基斯坦杜伯华水电站项目引水隧洞为马蹄形，总长 4875 m，衬砌成型后直径 1.6 m，衬砌最大跨度 3.2m，根据围岩类型衬砌厚度分别为030.4 m(图 1-
14、11-3)。衬砌分底板和边墙、顶拱两次成型，边墙、顶拱混凝土衬砌采用钢模台车，混凝土标号为泵送混凝土 C30，配合比见表 3。 图 1-1：Typical Section of Headrace Tunnel Class A/B, C 图 1-2：Typical Section of Headrace Tunnel Class D 图 1-3：Typical Section of Headrace Tunnel Class E 表 3：C30 泵送混凝土配合比 混凝土的配合比遵循美国 ACI 211.1 的标准及技术规范的有关规定。水泥采用巴基斯坦水泥厂生产的普通硅酸盐水泥，砂和粗骨料由河滩砂
15、砾石料破碎加工而成，外加剂选用 SIKA 公司生产的 Sika-520 型液体缓凝减水剂。 考虑到隧洞开挖时已采取初期支护，外部的围岩应力及内部水压力不考虑，因此，采用有限元法进行混凝土应力分析时仅考虑混凝土的自重。计算采用 SAP2000 V9 有限元程序对引水隧洞的顶拱混凝土进行计算，计算时混凝土的重力密度取 25 kNm3，泊松比取 0.2。各类围岩有限元法应力分析计算结果如下： （1）Class A/,C 类围岩：混凝土承受的最大弯矩为 0.31kN-m，在侧墙底部内侧(图 2-2)；最大压应力为 78.93kPa，在顶拱中央的内侧(图2-1)。 图 2-1：Axial Force D
16、iagram（kN）图 2-2：Moment Diagram（kN- m） （2）Class D 类围岩：混凝土承受的最大弯矩为 0.45 kN-m，在侧墙底部外侧(图 3-2)；最大压应力为 89.33kPa，位于顶拱中央的内侧(图3-1)。 图 3-1：Axial Force Diagram（kN）图 3-2：Moment Diagram（kN-m） （3）Class E 类围岩：混凝土承受的最大弯矩为 2.11kN-m，在底板与侧墙连接拐角内侧(图 4-2)；最大压应力为 182.58kPa，在侧墙底部外侧(图 4-1)。 :图 4-1：Axial Force Diagram（kN） 图
17、 4-2：Moment Diagram（kN-m） 通过计算可以看出，由于隧洞顶拱仅承受自身的重力荷载，且由于拱的作用，顶拱混凝土结构内的压应力很小，最大压应力为 113.5kPa，最大压应力为同期混凝土立方体抗压强度的 6%；隧洞受到的拉应力也很小，最大拉应力为 51.23kPa,仅为同期混凝土立方体抗压强度的 2.7%。 通过采取有限元法对引水隧洞顶拱混凝土衬砌拆模时间进行计算复核，证明虽然 1214 h 时混凝土的强度还很低（试验室检测混凝土在 14个小时的抗压强度为 1.88Mpa） ，但混凝土的实际强度已经能够承受自重及其它荷载。经过计算和试验复核，显示引水隧洞的顶拱混凝土强度已远远
18、高于拆模时所产生的内应力，顶拱模板在混凝土浇筑完 1214 h 拆除是安全可行的。 结束语 引水隧洞工程混凝土衬砌和普通现浇混凝土是有区别的，衬砌结构的顶部大多是拱形，其荷载有其自身特点，拆模时衬砌混凝土的内应力并不大，拉应力及拉应力区都很小，拆模后的变形非常小，在混凝土浇筑完 1214 h 后拆除承重模板是可行的。施工初期笔者仔细观察过提前拆模后的混凝土，未见任何异常，说明提前拆模是可以保证质量和安全的。 提前拆模能缩短钢模台车的循环周期，大大加快工程的进度，降低工程成本。在保证质量和安全的前提下，经过采取有限元法分析计算和试验复核，混凝土的实际强度已经能够承受自重及其它荷载时，衬砌混凝土承重模板的拆模时间可以缩短至 1214 h，通过对杜伯华水电站项目引水隧洞钢模台车衬砌混凝土施工，实践证明提前拆模是可行的。
