叶平先汲生伟

（1.金诚信矿山设计院有限公司；2.航天建筑设计研究院有限公司）

大体积混凝土温度裂缝的产生主要受水泥水化热、浇筑温度与外界气温、混凝土的收缩变形以及约束条件的影响［1-5］。在-1 188 m 超深井治水中，由于受到地热影响，井筒中环境温度高达39 ℃，地下水温度达到43 ℃。高温高湿环境是超深竖井大体积混凝土施工的一大难题，如果不重视大体积混凝土的水化热问题，不仅会给止浆垫带来安全隐患，也会造成工期、人工和建设资金的浪费，更会导致治水工作前功尽弃。

1 工程概况

该超深井为某矿山采矿副井，位于我国东部某地。工程设计井深为-1 600 m，在施工到-1 188 m时，遇到高压高温地下水，涌水量约为120 m3/h，水温度达到40 ℃。止浆垫用于深井施工遭遇涌水时治水的临时措施，由大体积素混凝土制成，外形为圆台体，顶部直径为8.2 m，底部尺寸为13.8 m，高15 m，混凝土浇筑量约为1 450 m3，要求连续浇筑一次性完成施工。表1 为本工程所采用的混凝土配合比，表2 为混凝土和基岩的热力学参数，表3为水泥水化热检测结果。

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2 有限元模型建立

2.1 基本假定

假定混凝土结构为均质体，各单元放热速率相同；忽略外界环境差异，假定混凝土表面的放热系数为定值；假定混凝土浇筑的初始温度相同；忽略冷却管的体积，只考虑其冷却效用。

2.2 混凝土绝热温升计算

根据水泥水化热检测结果数据，按照《大体积混凝土施工标准》（GB 50496—2018）提供的计算方法，计算水泥总水化热及绝热温升，混凝土的绝热温升与龄期变化曲线见图1，最高升温出现在第15 天，T（15）=26.5 ℃。

2.3 模型的建立

由于止浆垫结构的对称性，结合工程实际情况，在Midas 中建立1/4 模型进行建模和分析。为方便操作和提高计算效率，将止浆垫模型简化为直径5.5 m、高15 m 的圆柱体；止浆垫周边基岩取6.0 m 厚，高度取27 m（止浆垫顶面、底面各取6 m），来模拟周围环境。考虑水冷却时，在中心布置主冷却管1 根，水流量为60 m3/h；布置辅管1 根，水流量为12 m3/h。根据水冷管布置位置，选择相应的节点并赋予其初始水温为40 ℃，水流从止浆垫底部流入，从顶部流出。有限元模型中，基岩网格尺寸为1.0 m，止浆垫、止浆垫正下方及与其侧壁接触部分基岩网格尺寸为0.5 m，整个模型总共划分9 241 个节点和8 208 个实体单元。图2为止浆垫模型，图3为基岩模型。

2.4 模型初始条件

通常情况下，环境温度函数的定义，需考虑外界环境温度随时间的变化。鉴于本工程的特殊性，在-1 188 m 的深井中，受地热影响较大，受地表气温影响甚微，岩石环境初始温度设置为40 ℃。本工程中，考虑到工人在超深井下作业，加强了制冷通风系统进行降温，使井筒工作面环境温度控制在30 ℃；混凝土浇筑过程中，混凝土从井口到浇筑面需要约24 min 的运送时间，整个过程中与周围环境进行热量交换，故止浆垫混凝土顶面初始温度设置为30 ℃，混凝土的入模温度设置为30 ℃。

止浆垫混凝土顶面与空气进行热量对流交换，侧表面及底面与周围基岩相接触，同时进行温度传导［6］。

3 数值仿真分析结果与实测对比

3.1 仿真分析结果

有限元模型分析了无冷却管的温度场以及有冷却管的温度场2 种情况。图4 为无冷却管时温度场分布图，图5 为有冷却管时温度场分布图，图6 为无冷却管时中心与顶部和侧壁表面温差数据，图7为有冷却管时中心与顶部和侧壁表面温差数据。

数值仿真分析结果表明：无冷却管时，在施工后第8～9天中心温度达到最大值，为66.5 ℃。由于处于深井环境且受地热影响，温度达到最高值后，并无明显的降温过程。混凝土内部中心与顶部表面温差达到36.5 ℃，与侧壁表面温差达到26.5 ℃，两者温差均大于25 ℃，均不符合规范要求。有冷却管时，在施工后第7～8 天，中心温度达到最大值，为61.3 ℃。混凝土内部中心温度达到最高值后，存在明显的降温过程。混凝土内部中心与顶部表面温差达到30.2 ℃，与侧壁表面温差达到21.3℃，两者有明显的改善，满足规范要求。虽然混凝土内部中心与顶部表面温差大于25 ℃，但也可以满足止浆垫压力注浆治水要求。

3.2 实测点的布置

为保证施工安全，并积累相关工程经验，根据有限元温度场分析结果，在止浆垫中部偏下位置，即混凝土顶面向下约8 m 的位置等间距设置4 个测温点，取其中最高温度作为混凝土中部的监测温度。

3.3 仿真分析结果与实测对比

图8 为有、无冷却管仿真模拟混凝土中心温度与实际监测数据的对比结果，可以看出，数值仿真分析值与实际监测值能较好地吻合，验证了有限元模型的准确性。实际监测结果在浇筑混凝土后第8天，中心温度达到峰值60.5 ℃。数值仿真分析结果和实际监测值均具有升温速率较快、峰值较为接近、降温速率较慢的特点，符合大体积混凝土水化热放热规律。

4 施工控制措施

根据有限元数值仿真分析的结果，结合以往类似项目施工经验以及本项目具体的实际情况，提出了以下要求。

（1）为降低浇筑强度，施工时应采用“整体分层，薄层施工，循序浇筑，一次成型”的原则进行浇筑。每层混凝土的厚度以30 cm为宜。

（2）采取快插慢拔的方式振捣混凝土，保证其密实性；不断移动振捣棒的位置，保证混凝土的均匀性；将振捣棒插入上一施工面至少10 cm，保证连续浇筑时每层连接密实，不留施工缝。

（3）浇筑混凝土前应在止浆垫内部安装温度监控设施，监测混凝土内部温度，并定时观测、记录混凝土的内外温度。

5 结 语

（1）有限元数值仿真分析结果与实测值吻合较好，可以采用有限元程序对大体积混凝土施工期的温度场进行预测，对施工具有指导意义。

（2）混凝土浇筑后的升温速率非常快，而降温速率则较慢，最高温度持续时间长，需采用合理的降温、控温措施。