隧道混凝土工程裂縫控制技術(shù)研究

引言隨著國家大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，地鐵、隧道等百年工程越來越多地出現(xiàn)在人們的生活中，大體積混凝土也因此應運而生。然而大體積混凝土由于膠凝材料使用量高，水化熱過大，混凝土結(jié)構(gòu)容易開裂，同時市場上砂、石等優(yōu)質(zhì)混凝土原材料越來越匱乏，導致混凝土自身的收縮加大，并且施工單位過度的追求施工周期，也在一定程度上不利于裂縫的控制，這些方面疊加在一起導致現(xiàn)在的隧道大體積混凝土結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象愈發(fā)嚴重。要解決大體積混凝土開裂問題，首先要了解開裂的原因，溫度收縮是混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的重要原因之一，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中尤為明顯。溫度裂縫主要是由于水泥早期集中水化，水化熱在混凝土內(nèi)部聚集形成溫升及溫差進而產(chǎn)生的溫度應力造成的。因此，要抑制結(jié)構(gòu)溫度裂縫，需要降低結(jié)構(gòu)混凝土溫升[1]，可以嘗試加入具有溫度調(diào)控作用的溫控型膨脹劑，不僅可以產(chǎn)生體積膨脹抵抗混凝土的收縮，同時可以延緩大體積混凝土早期的水化速率，降低溫峰值和溫峰出現(xiàn)時間，也同步降低了后期溫度急劇降低帶來的收縮開裂風險。合理設(shè)計分段長度、控制混凝土質(zhì)量和施工水平以及合理選擇養(yǎng)護方案對于隧道等大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制也很重要[2]，因此需要針對工程特點和難點提前預測風險點，并制定針對性的技術(shù)方案，通過各種措施來解決裂縫問題。工程概況

無錫某隧道是341省道馬山至宜興周鐵段工程中的一個重要節(jié)點工程，項目全長約7810m，其中敞開段長度620m，暗埋段長度7190m，整個項目湖中段施工較多，長達6750m。如圖1所示。項目底板/側(cè)墻厚度絕大多數(shù)在1.3～1.5m之間，頂板厚度在1.2～1.4m之間。主體結(jié)構(gòu)防水等級為二級以上，混凝土強度抗?jié)B等級為C40P8。項目采用雙孔一管廊形式，孔凈寬16.5m，凈高5m，主線設(shè)計時速100km/h。

圖1

某隧道斷面圖1.1項目特點及難點（1）項目主線隧道底板、側(cè)墻、頂板屬于大體積混凝土，原設(shè)計結(jié)構(gòu)單段長度25~35m，側(cè)墻分段過長，裂縫控制難度極大。（2）整個項目湖中段長度占整個隧道長度的85%以上，采用圍堰模式封閉施工，暗埋段占主體長度的92%以上，施工難度較大，對結(jié)構(gòu)自防水要求更高。（3）項目絕大部分主體采用臺車一體化澆筑，側(cè)墻和頂板同時施工，側(cè)墻受到基礎(chǔ)底板、頂板以及地下連續(xù)墻的約束，開裂風險極高。（4）臺車下部采用液壓的方式固定，容易產(chǎn)生模板擾動，引起結(jié)構(gòu)開裂。

1.2解決方案針對該項目的復雜性，根據(jù)項目特點設(shè)計整套防水技術(shù)方案，從設(shè)計、材料、施工等多維度一起，共同解決該項目防水技術(shù)難題，具體方案如下：（1）采用ANSYS軟件對該尺寸的結(jié)構(gòu)及混凝土配合比進行有限元模擬分析，預算抗裂安全系數(shù)[3]。（2）結(jié)合該項目大體積混凝土施工的特點，選擇FQY溫控型膨脹劑，補償大體積混凝土內(nèi)部的溫度收縮和干燥收縮，同時抑制早期的水化放熱速率，延緩溫峰值的出現(xiàn)時間，從而達到降低溫峰值的效果。（3）對攪拌站配合比進行優(yōu)化，優(yōu)選原材料，提前進行平板抗裂和限制膨脹率檢測等相關(guān)試驗，將摻FQY溫控型膨脹劑的混凝土配合比調(diào)整到最優(yōu)。（4）規(guī)范施工過程，采取一系列可行的措施控制混凝土的入模溫度，把控施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。（5）關(guān)鍵部位埋設(shè)應變計和溫度線等監(jiān)測點，根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整養(yǎng)護方案。2、有限元抗裂仿真分析

2。從兩方面對大體積混凝土抗裂安全性進行評價：一方面是特征溫度控制值，如澆筑溫度、內(nèi)部最高溫度及里表溫差等，可將混凝土溫度仿真計算值及后期實測值與相關(guān)規(guī)范的規(guī)定值進行對比分析；另一方面是抗裂安全系數(shù)，通過混凝土軸心抗拉強度試驗值與對應齡期溫度應力計算最大值之比作為控制標準進行評價。根據(jù)GB50496—2018《大體積混凝土施工標準》，按式（1）進行判定：混凝土的結(jié)構(gòu)尺寸、配合比、強度、預拆模時間等均為已知，假設(shè)環(huán)境溫度為15～27℃，入模溫度為27℃，隧道主體結(jié)構(gòu)溫度場模擬試驗和抗裂驗算應力場計算結(jié)果見表1、表2。表1

隧道溫度場計算結(jié)果表2

隧道應力場計算結(jié)果由表1、表2可知，（1）該隧道分段長度不論是17m還是25m，主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫峰值大小和溫峰出現(xiàn)時間差別不大，溫升值均接近30℃，最大里表溫差均在25℃以內(nèi)，溫控指標滿足GB50496—2018中關(guān)于混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值不宜大于50℃，混凝土澆筑體里表溫差不宜大于25℃的要求。（2）根據(jù)抗裂安全系數(shù)分析，該隧道在分段長度為17m時，主體結(jié)構(gòu)底板、側(cè)墻、頂板在90d內(nèi)抗裂安全系數(shù)均大于1.4，不存在開裂風險；當分段長度為25m時，底板28d抗裂安全系數(shù)為1.38，略微低于1.4，存在較小的開裂風險，隧道側(cè)墻3d抗裂安全系數(shù)僅為1.03，存在較大開裂風險，頂板28d抗裂安全系數(shù)為1.24，低于1.4，存在一定的開裂風險。結(jié)合抗裂驗算結(jié)果，項目的分段長度在25m存在一定的開裂風險，因此項目設(shè)計更改為每20m設(shè)置一道施工縫，40m設(shè)置一道變形縫。

3、FQY溫控型膨脹劑的產(chǎn)品性能及配合比優(yōu)化

3.1產(chǎn)品性能FQY溫控型膨脹劑是一種多功能復合型材料，通過在膨脹材料中引入水化熱抑制組分，兼具有減緩水泥基材料水化放熱及補償水泥基材料收縮作用的產(chǎn)品。其產(chǎn)品性能滿足GB/T23439—2017《混凝土膨脹劑》中的技術(shù)指標，并符合GB/T12959—2008《水泥水化熱測定方法》中對于水化熱調(diào)控的技術(shù)要求，具體指標見表3。表3

混凝土膨脹劑技術(shù)指標3.2混凝土配合比優(yōu)化針對攪拌站原材料對溫控型膨脹劑適應性及混凝土配合比設(shè)計調(diào)整試驗。在分析了各種原材料特性和相關(guān)技術(shù)參數(shù)后，形成了主要原材料分析報告，擬采用水泥+粉煤灰的體系，控制總膠材用量≤420kg/m3，其中水泥用量≤320kg/m3。根據(jù)各原材料特性進行配合比設(shè)計優(yōu)化，分別對主體結(jié)構(gòu)的混凝土配合比和限制膨脹率進行溫控型膨脹劑的最優(yōu)摻量試驗研究。在保證各組混凝土配合比滿足工作性、力學性能的基本前提下，達到降低水化溫升、補償收縮的綜合抗裂效果，最終確定C40P8混凝土配合比及對應的測試結(jié)果見表4。

表4

混凝土配合比及測試結(jié)果

此外，為了評估FQY溫控型膨脹劑對于該混凝土結(jié)構(gòu)中的早期抗裂效果，在工地實驗室進行了平板抗裂實驗。在保證混凝土原材料不變的情況下，將FQY溫控型膨脹劑作為唯一變量進行試驗。試驗結(jié)果顯示，空白組（不摻FQY溫控型膨脹劑）單位面積上的總開裂面積為782mm2/m2，對照組（摻FQY溫控型膨脹劑）單位面積上的總開裂面積為105mm2/m2，F(xiàn)QY溫控型膨脹劑在降低裂縫出現(xiàn)率方面有著明顯的效果。4、施工過程管控

4.1入模溫度控制根據(jù)GB50496—2018的規(guī)定，控制混凝土入模溫度在5～30℃之間。各原材料中，石子對混凝土出機溫度的影響最大，砂和水次之，水泥的影響相對較小。因此，降低混凝土澆筑溫度最有效的辦法是降低石子和砂的溫度，石子和砂的溫度每下降1℃，可分別使混凝土溫度降低出機溫度約0.45℃和0.32℃。分別在砂石料倉及料斗上方設(shè)置遮蔭棚，防止陽光直射砂石料，并且在混凝土澆筑前，對原材料溫度進行監(jiān)測，防止原材料溫度過高；遇到夏季極高溫天氣，有條件的建議在原料罐體周圍設(shè)置環(huán)形冷卻水降溫系統(tǒng)，給粉體材料降溫?，F(xiàn)場施工盡量避開極端天氣澆筑，夏季宜選擇16:00以后開始混凝土澆筑，以此控制混凝土的入模溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。

4.2施工過程控制（1）嚴格按照規(guī)范要求施工，分層澆筑，每層澆筑厚度應≤700mm，現(xiàn)場混凝土按要求監(jiān)控坍落度，到場混凝土坍落度宜控制在160～180mm之間；（2）嚴禁現(xiàn)場混凝土加水，模板內(nèi)不得有積水，現(xiàn)場工人振搗密實，不得過振、欠振；（3）模板應拼接牢固，嚴禁別鋼筋下料，下料和振搗不可導致鋼筋位移；（4）底板和頂板宜采用二次抹面的方式，消除早期的塑性裂縫[4]。4.3養(yǎng)護方式控制通常來講，澆筑完成及時覆蓋土工布或者保溫棉類物體進行保溫，并進行灑水保濕養(yǎng)護，夏季溫度較高時，宜進行蓄水養(yǎng)護[5]。由于側(cè)墻保水性差，可設(shè)置噴淋管，或者采用水能量養(yǎng)護膜。冬季施工適當延長拆模時間，加強保溫措施，保濕養(yǎng)護時間持續(xù)14d以上[6]，具體措施如圖2～圖4所示。

圖2

底板蓄水圖3

側(cè)墻覆蓋養(yǎng)護膜圖4

頂板覆蓋保溫棉4.4監(jiān)測點埋設(shè)及數(shù)據(jù)分析對于隧道這種大體積混凝土結(jié)構(gòu)，開裂的原因很多，其中混凝土溫度收縮和干燥收縮開裂是最常見的裂縫形式。本文重點選取開裂風險最高的側(cè)墻、頂板埋設(shè)監(jiān)測點。主體結(jié)構(gòu)中心埋設(shè)應變計，主要監(jiān)測內(nèi)部中心應力和溫度變化情況，在結(jié)構(gòu)迎水面和背水面表層約50mm處埋設(shè)溫度線，收集溫度變化情況，通過和內(nèi)部中心溫度形成對比，形成溫度梯度差來指導養(yǎng)護措施。具體的溫度及應變曲線如圖5~圖8所示。由圖5可知，側(cè)墻內(nèi)部中心溫度和表層溫度均呈先上升后降低的趨勢，這是由于初期混凝土水化反應較劇烈，此階段放熱速率大于散熱速率，溫度上升。其后水化反應速率降低，溫度達到峰值，此時內(nèi)部溫度處于一個較高的位置，散熱量加快，混凝土水化放熱量小于結(jié)構(gòu)通過表層散熱量，導致內(nèi)部溫度和表層溫度均緩慢降低。側(cè)墻初期溫度上升主要來源于混凝土水化放熱量，迎水面由于靠近地連墻，外防水卷材也對其形成了一定的保溫效果，散熱速率最差，溫峰接近內(nèi)部中心溫度，均在56.6℃左右，背水面因為鋼模板散熱效果好，因此溫峰值相對較低，大約為33.8℃，溫峰到來時間基本相同，均在54h左右。5d拆模后，中心溫度通過背水面表層和空氣對流，散熱加快，其后內(nèi)部中心溫度低于迎水面溫度，此后背水面溫度≤中心溫度≤迎水面溫度。通過對比發(fā)現(xiàn)，中心溫度和表層溫度差始終維持在20℃以內(nèi)，側(cè)墻最大日降溫幅度均在3.5℃/d以內(nèi)，說明側(cè)墻因為溫度降低導致收縮開裂的風險很小。

圖5

側(cè)墻內(nèi)部溫度梯度混凝土綜合微應變代表埋設(shè)點的整體變形情況，包含了溫度變形、自身收縮、彈性應變、徐變變形、膨脹。溫度修正應變代表埋設(shè)點去除溫度收縮因素的自身變形情況，包含了應力引起的應變和自身收縮變形（包含膨脹）情況，一般設(shè)混凝土線膨脹系數(shù)為10×10-6。由圖6可知，側(cè)墻綜合微應變隨溫度變化呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，隨溫度峰值達到最大值205.2με，說明混凝土處于膨脹狀態(tài)，此后隨溫度降低混凝土開始收縮，在混凝土澆筑完成第15d降至-130.0με左右，開始緩慢降低。這可能是因為14d養(yǎng)護期已過，混凝土干燥收縮加大，導致混凝土綜合變形量加大。側(cè)墻溫度修正應變均呈先降低后增大趨勢，說明在溫升階段該點混凝土受壓應力，后來降溫階段逐漸升高，說明混凝土開始受拉，并逐漸趨于零應力，此后逐漸趨于穩(wěn)定，并有增加趨勢，說明抗裂劑發(fā)揮了膨脹作用，抵消了混凝土的部分收縮。結(jié)構(gòu)收縮變形量在12d以后增加至-100.0με以上，但此時混凝土內(nèi)部強度已經(jīng)可以抵抗一部分收縮帶來的拉應力，綜合來看，側(cè)墻存在一定的開裂風險。

圖6

側(cè)墻中心應力變化由圖7可知，頂板內(nèi)部溫度和表面溫度走勢基本和側(cè)墻相同，原理已經(jīng)在前面論述。由于頂板下部可通過木模板散熱，上部直接大氣連接，形成對流，散熱快，因此溫峰值為中心溫度≥下表面溫度≥上表面溫度。此后蓄水養(yǎng)護，由于水的導熱性能好，主要散熱以上表面散熱為主，因此越靠近上表面散熱越快，導致上表面溫度最低，中心溫度次之，下表面溫度最高。

圖7

頂板內(nèi)部溫度梯度由圖8可知，頂板的綜合微應變和修正應變走勢基本和側(cè)墻相同。該段頂板綜合微應變隨著溫度上升達到最大值272με，其后隨著溫度的降低而降至150με并趨于穩(wěn)定，30d內(nèi)，混凝土的綜合微應變始終在100με以上，說明抗裂劑持續(xù)不斷的產(chǎn)生膨脹能，抵消了混凝土的溫度收縮和干燥收縮，內(nèi)部處于受壓狀態(tài)，不存在開裂風險。

圖8

頂板中心應力變化5、效果統(tǒng)計

目前整個項目主體的大部分施工已經(jīng)完成，綜合抗裂防水效果很好。其中因為側(cè)墻保水效果較差，結(jié)構(gòu)表層出現(xiàn)部分干縮裂紋，但只有3處出現(xiàn)貫穿滲水，施工縫和變形縫處發(fā)現(xiàn)滲水點11處，具體的項目應用效果情況見表5，隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖9～圖11所示。

表5

項目應用效果情況圖9

大面板結(jié)構(gòu)圖10

隧道結(jié)構(gòu)圖11

隧道內(nèi)部結(jié)論

為研究隧