环境温度变化对现浇明挖隧道的受力研究

董建辉，胡保刚

（长沙理工大学 土木工程学院，湖南长沙 410114）

0 引言

现场浇筑的明挖隧道施工较为复杂，隧道衬砌在施工期间，一直裸露在空气中，会受到环境温度变化的影响。施工浇筑后的环境温度变化主要指受日照影响大气温度的变化。当隧道衬砌受到环境温度影响时，由于混凝土的干缩、热胀冷缩等，将在衬砌内部产生附加应力，附加应力会使隧道轴线方向的衬砌内产生环向裂缝［1-4］，这些裂缝会影响隧道衬砌的受力，使得隧道产生渗漏水等问题。刘新宇［5］等对钢筋混凝土超长结构进行了使用阶段环境温度影响下结构变形的现场量测，并应用一维非稳态热传导理论和温度应力理论对环境温度影响下隧道结构的温度和变形进行计算。唐晶等[6]通过对隧道运营期的应力实测得到温度应力对结构的应力效应起主导作用。蒯行成等[7]对混凝土拱涵进行温度场、收缩应力和温度应力分析，得出了混凝土收缩、高温季节日照以及铺涂沥青施工产生的温度应力分布和大小，结果表明，这类应力可能是工程中某些拱涵开裂的原因。这些都表明环境温度对结构应力的影响不可忽视。

孙逊[8]研究了隧道在不同温度工况下，变形缝位移的变化分布规律。巩生龙等[9]对隧道结构的温度场和应力场进行热力藕合分析，研究了温度应力对海中明挖法隧道受力变形的影响。刘浩[10]通过对温度进行现场监测，得出温差对隧道结构应力的影响规律。然而，这些研究大多为一固定温度工况下的热力藕合分析。只能展现在某一固定温度下的应力值，无法呈现在升降温过程中的变化。

目前国内外针对温度的研究多集中于大型混凝土水化热的研究以及对深大基坑的温度影响，对于明挖法隧道的温度影响研究还较少见。

基于以上，本文依托工程实例，对现浇明挖隧道进行温度及应力现场监测并加以分析。得到了日照升温过程中的温度应力变化曲线，研究了温度应力对明挖隧道衬砌受力变形的影响。为后续此类现浇拱结构衬砌的温度应力影响提供参考借鉴。

1 现场测试与研究

1.1 工程概况

某隧道位处低山丘陵，地形起伏大，隧道区地面高低不平，气候温暖，多年年平均气温为21℃～22℃，年平均最高气温26℃，年平均最低气温19℃左右，境内雨量充沛，雨热同季。衬砌采用C40 P8 防水混凝土，水泥强度等级42.5，最大水灰比0.45，隧道长度175m。该隧道GG K4+769.024+～GG K4+872.748 位于直线段，直线段长103.724m；GG K4+872.748～GG K4+944.024 段处于平曲线上，曲线半径为1000m，曲线段长71.276m。车行隧道的衬砌厚度为1.2m。车行隧道按照双向6 车道标准设计，预留双向8 车道宽度，净高5m，人行隧道建筑限界：净宽5.0m，净高2.5m。车行隧道内轮廓选择采用三心圆曲墙式衬砌断面，隧道横断面形式见图1。

图1 隧道断面图（单位：cm）

1.2 测点布置

应变计埋设如图2所示，布置4 个测点，每个测点各埋置一个应变计，埋置位置分别在距离衬砌内外表面0.2 m处，通过所测混凝土应力值，研究其在日照作用下随时间以及温度的变化规律。衬砌结构应变测试仪器采用的是埋入式智能弦式应变计JMZX—215HAT，能与被测结构体同步变形，通过混凝土结构的弹性模量可以计算出其结构的内部应力，在混凝土浇注之前将其先挷扎在结构钢筋上再进行混凝土浇注。待混凝土达到预定强度后即可进行结构的应变测量，通过综合测试仪对应变进行读取。

图2 应变计埋设图（等轴视图）

自动温度采集系统使用的是电阻类温度传感器JMT—36C，将传感器连接到温度综合测试仪之后，使用温度自动化测试系统测试。具体测试点布置见图3。

图3 温度计布置图（俯视图）

温度传感器沿着衬砌厚度方向布置，每个厚度方向布置有5 个传感器，合计35 个传感器。埋设好测试仪器，调试好温度自动化测试系统，便可以通过工程智慧监测云平台与施工现场进行同步，随时查看数据。

2 现场试验

现场监测自2022 年2 月中旬开始，其中包括水化热过程中的温度监控，浇筑完成后衬砌在大气温度下的结构温度及应力监测，以及浇筑前后的混凝土和台车应变测试。

2.1 实测温度变化

隧道所在地区气候温暖，年平均最低气温19℃左右。所以与寒区山岭隧道遭受冻害相比较，日照辐射和环境温度的变化对其受力的影响更为显著。 因此，重点探究隧道在夏季高温影响下导致的内力变化，图4 即是实测的一些气温变化。

图4 实测的温度变化幅值图

我们认为，日出前衬砌结构不接受太阳辐射能量，各处的温度大致相同且与大气温度相同，此时的大气温度可认为是均匀温度场，此时的温度即为初始温度。在实测数据的基础上，我们把衬砌结构各单元设置为相同的初始温度，即25℃。

3 数值模拟与分析

由于现场施工条件复杂，采用常规的埋设观测应变存在较大困难，所以借助数值模拟软件来分析不同时程下的温度和应力。

3.1 建立数值模型

3.1.1 模型基本假设与拟定

衬砌作为沿纵向延伸的三维构造物，进行温度场研究时可忽略沿渠道长度方向的温度差异，分析过程中将衬砌作为平面问题进行研究，简化为截面内的二维瞬态热传导问题[11]。

本文采用Abaqus 有限元软件对衬砌截面进行二维瞬态温度场分析。并作如下基本假设：（1）混凝土材料为各向同性、均质，不考虑钢束对材料导热性能的影响；（2）混凝土材料的各物理参数均与温度无关；（3）衬砌结构各单元具有相同的初始温度。

在白天早晨至中午的升温过程中主要是衬砌结构外表面吸收太阳辐射，在升温过程中衬砌外表面受多种因素共同影响的热流密度作用。采用ASHRAE 晴空模型也较难准确模拟，而且该方面的理论研究也有所欠缺。故参照钢箱梁瞬态温度场采用三种给定边界条件[12]中的已知结构表面上任意一点在所有瞬时的温度，需对边界温度实时变化情况进行测量。即是使得结构在相应时刻测点的温度与实际相符合，由此来分析对应的结构受力简化模型。

3.1.2 模型参数

衬砌结构内侧相比于衬砌外侧受到的太阳辐射相对较小，因此在结合实测温度数据的基础上，设置等效的表面热流以及对应的表面热交换条件即膜层散热系数；根据张建荣等人[13]提出的空气—混凝土表面对流换热系数在自然状态下基本为一常数，不随表面温度的变化而改变，主要受风速影响，所以我们忽略膜层散热系数随温度的变化，仅考虑混凝土表面风速对流换热系数的影响。建议风速v 与对流换热系数Hc 的取值采用下式：

日照温度场各处的温度均处于20℃～70℃，因此传热率、比热等都可以取定值。材料热物理性能参数根据现场提供的数据和规范参考取用见表1。

表1 材料参数

此外，不考虑钢筋在温度场中的作用，仅对混凝土进行热分析。

3.1.3 数据分析

当一天中衬砌达到最大温度时，衬砌结构的温度云图和其对应的应力云图如图5、图6 所示。

图5 二维温度-位异耦合模型的温度云图

图6 最大温度下的横向应力云图

可以明确得出，衬砌拱圈外侧由于长时间受照，温度高于其它部位和大气温度，而内侧基本不受太阳辐射影响，温度则略低。详细的局部应力云图和温度应力变化曲线见图7—图9。

图7 最大温度下的拱顶局部应力云图（Pa）

图8 最大温度下的拱顶局部温度云图（℃）

图9 拱顶底部的温度应力变化曲线（126 节点）

从局部应力云图中可以看出衬砌外侧温度较高，处于压应力状态；内侧温度较低，处于拉应力状态。此外通过观察模型的不同时程中衬砌的应力变化，发现衬砌结构在升温的过程中内侧拉应力逐渐增大。若忽略升温至26℃之前的微小应力变化，温度与应力基本呈现线形关系。

日照使拱圈外表面和内表面之间产生温差作用，外表面温度比内表面高23℃。在叠加自重荷载影响下拱圈内表面全部受拉，最大拉应力可达2.97MPa，可能使拱圈内表面开裂，因此日照对衬砌结构的影响是不容忽视的。

4 结论

通过对某隧道的温度监测，结合实测数据进行有限元模拟得到如下结论：

1）日照对衬砌结构受力的影响不容忽视，会使得拱圈内外产生较大的温差，拱圈内侧全部受拉；

2）在受日照的升温过程中，衬砌拱顶底部温度与应力基本呈现线形关系。