彭再勇

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司， 河北 三河　065201)

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紅谷沉管隧道管節(jié)大體積混凝土溫控與防裂技術(shù)

彭再勇

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司， 河北 三河065201)

紅谷雙向6車道沉管隧道管節(jié)具有橫斷面尺寸大且結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、一次澆筑混凝土體量大、內(nèi)外溫差及溫度應(yīng)力大和防滲抗裂性能要求高的特點(diǎn)。針對(duì)這些特點(diǎn)首先通過(guò)水化放熱性能試驗(yàn)和小圓環(huán)開裂試驗(yàn)優(yōu)選了膠凝材料體系，進(jìn)而通過(guò)力學(xué)性能、耐久性能及抗?jié)B性能試驗(yàn)確定了低熱低收縮的混凝土配合比，然后開展現(xiàn)澆試塊和管段的溫度測(cè)試，分析大體積混凝土內(nèi)溫度變化規(guī)律和冷卻水管的降溫作用，并結(jié)合溫控測(cè)試與信息化施工技術(shù)指導(dǎo)了后續(xù)管段預(yù)制中冷卻水管的布置及相關(guān)溫控防裂措施的動(dòng)態(tài)部署。最后結(jié)合試驗(yàn)分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，形成了管節(jié)混凝土入模溫度控制、分段分次分節(jié)澆筑和快插慢拔搗固工藝、循環(huán)冷卻水管通水時(shí)間和管節(jié)拆模時(shí)間控制、管節(jié)各部位針對(duì)性養(yǎng)護(hù)措施等貫穿管節(jié)預(yù)制全過(guò)程的防裂技術(shù)，確保了沉管管節(jié)大體積混凝土的防裂抗?jié)B性能。

紅谷沉管隧道； 大體積混凝土； 溫度應(yīng)力； 配合比； 溫度控制； 防裂措施； 信息化施工

0　引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，眾多大型現(xiàn)代化設(shè)施和構(gòu)筑物紛紛興建，大體積混凝土往往作為構(gòu)成結(jié)構(gòu)體的主要部分而具有重要地位，對(duì)于鋼筋混凝土沉管隧道而言，其地位尤為突出。然而，由于沉管管節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸大，結(jié)構(gòu)形式和施工工藝復(fù)雜，沉管結(jié)構(gòu)容易因溫度、收縮以及約束等原因在施工階段就出現(xiàn)危害性裂縫[1]。國(guó)內(nèi)外調(diào)查資料表明，工程結(jié)構(gòu)中約20%的裂縫來(lái)源于荷載，而另外約80%的裂縫是由上述原因引起的，其中尤以溫度裂縫為主[2]，故而管節(jié)大體積混凝土的溫度控制是防止危害性裂縫產(chǎn)生的主要措施。

沉管管節(jié)大體積混凝土的溫度裂縫控制是一個(gè)難度較大且復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外主要從混凝土配合比設(shè)計(jì)和混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)工藝2方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。厄勒海峽隧道通過(guò)開裂敏感性試驗(yàn)選擇了合適的配合比[3]； 侖頭—生物島沉管隧道通過(guò)物理力學(xué)及施工性能等多種指標(biāo)測(cè)試，獲得了低熱低收縮混凝土配合比[4]； 寧波常洪沉管隧道根據(jù)夏季施工的環(huán)境溫度，通過(guò)搭設(shè)涼棚、冰水拌合、設(shè)置冷卻水管以及墻外懸掛土工布并噴淋養(yǎng)護(hù)等措施限制溫度裂縫的形成[5]； 廣州洲頭咀隧道針對(duì)不同施工情況采取保溫保濕、預(yù)埋冷卻水管等措施，并根據(jù)各部位特點(diǎn)采取不同的養(yǎng)護(hù)方法避免了管節(jié)危害性裂縫的產(chǎn)生[6]。此外，一些學(xué)者研究了大體積混凝土的溫控與防裂技術(shù)，彭立海等[7]詳細(xì)介紹了溫控設(shè)計(jì)的方法及其在混凝土裂縫控制中的運(yùn)用； 李潘武等[8]分析了混凝土澆筑溫度對(duì)其施工期溫度應(yīng)力的影響； 張超等[9]研究了冷卻水管埋設(shè)形式對(duì)混凝土溫控防裂的影響。

綜上所述，目前沉管管節(jié)大體積混凝土的防裂技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了一定的水平，但由于不同沉管隧道工程中管節(jié)混凝土原料、工程條件以及施工工藝等方面均存在較大差異，故所采取的溫控和防裂措施各有不同。因此，有必要針對(duì)特定工程實(shí)例的具體措施進(jìn)行研究。本文以紅谷隧道為工程背景，沉管管節(jié)于秋冬季枯水期預(yù)制、夏季豐水期浮運(yùn)，環(huán)境溫度變化大，為有效控制溫度裂縫的形成，設(shè)計(jì)了合理的混凝土配合比，并通過(guò)試澆塊測(cè)溫分析初步確定了混凝土養(yǎng)護(hù)及循環(huán)冷卻水管的施工控制，進(jìn)而通過(guò)管節(jié)現(xiàn)場(chǎng)澆筑溫控測(cè)試驗(yàn)證了降溫措施的有效性。最后，采用混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)等施工措施保證了管節(jié)施工質(zhì)量，有效控制了裂縫的產(chǎn)生。

1　工程概況

紅谷隧道采用沉管法進(jìn)行施工。沉管段全長(zhǎng)1 329 m，共12節(jié)管段，其中9節(jié)為每節(jié)長(zhǎng)度約為115 m、2節(jié)為每節(jié)長(zhǎng)度約為90 m、余1節(jié)長(zhǎng)度為111.5 m，最終接頭為2.5 m。沉管管節(jié)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示，斷面寬30 m、高8.3 m，底板厚1.2 m，中隔墻厚0.6 m，頂板和側(cè)墻各厚1 m，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)。

圖1　沉管管節(jié)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位： mm)

管段預(yù)制采用水平分段(最多6段，底板長(zhǎng)度最大為19.5 m)，上下分層(第1次澆筑3.6 m，第2次澆筑4.7 m)澆筑，小節(jié)段之間第2層設(shè)置1.5 m寬后澆帶，管段一次澆筑混凝土方量約800 m3，管段混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，抗?jié)B等級(jí)為P10。由于水下沉管隧道以管段自防水為主，管段防水、抗?jié)B性能要求極高，本文從混凝土配合比設(shè)計(jì)、溫度控制技術(shù)以及防裂施工工藝等多方面系統(tǒng)控制混凝土裂縫的形成，進(jìn)而確保沉管隧道的工程質(zhì)量和使用安全。

2　混凝土配合比設(shè)計(jì)

本文從優(yōu)化膠凝材料體系著手，通過(guò)混凝土試配試驗(yàn)，進(jìn)而確定雙摻膠凝體系的低熱低收縮混凝土配合比。根據(jù)工程實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)充分調(diào)研南昌紅谷隧道工程周邊地區(qū)的混凝土原料市場(chǎng)，最終選用以下原材料： 贛江海螺水泥P·O 42.5、新余中冶礦渣粉(S95級(jí))、江西益材粉煤灰(F類Ⅰ級(jí))、贛江砂、北京成城交大聚羧酸減水劑(CC-AI型)和膨脹劑(CC-12型)。

2.1膠凝材料體系優(yōu)化

為獲得低熱低收縮的混凝土，本文開展了不同膠凝材料組合的水化放熱性能試驗(yàn)和不同膨脹劑+膠凝材料組合的小圓環(huán)抗裂性能試驗(yàn)，進(jìn)而優(yōu)選出放熱量低、抗裂性能好的混凝土材料組合。

2.1.1水化放熱性能試驗(yàn)

為獲得放熱總量小、放熱速率低的膠凝材料組合，采用JAF-4水化熱測(cè)定裝置，開展了單摻粉煤灰、單摻礦渣粉以及雙摻粉煤灰和礦渣粉共6種不同膠凝體系的水化放熱性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1，各體系的放熱速率曲線如圖2所示。

表1不同膠凝體系水化熱試驗(yàn)結(jié)果

Table 1Hydration heat test results of different cementing materials

膠凝體系放熱總量/(J/g)12h48h135h最大放熱速率/(mW/g)時(shí)間/hC10047.7285.2285.22.515C80F2037.7190.6254.92.118C70K3032.1174.1246.91.919C60F20K2031.3161.8228.81.719C50F20K3026.2143.3216.41.523C40F20K4018.3122.1199.81.424

注： 膠凝體系中C、F、K分別代表水泥、粉煤灰、礦渣粉，其后數(shù)值為百分含量。

由圖2可知，不同膠凝體系的放熱速率曲線形式較為相近，水化初期由于鈣礬石的形成，使水化反應(yīng)速率逐漸減緩，約3 h時(shí)達(dá)到低點(diǎn)，水化反應(yīng)誘導(dǎo)期結(jié)束。之后水化放熱速率逐漸增大至峰值，水泥漿體已經(jīng)終凝。此后，水化放熱速率快速降低，約45 h時(shí)水化反應(yīng)放熱速率降至很低，并逐漸趨于穩(wěn)定。

(a)單摻粉煤灰或礦渣粉

(b)雙摻粉煤灰和礦渣粉

結(jié)合表1和圖2可知，摻入粉煤灰或礦渣粉均可有效降低膠凝材料放熱總量和放熱速率，且隨著摻量的增加，降低幅度更為顯著。對(duì)比C100、C80F20和C70K30 3種膠凝體系135 h的放熱量可知，單位粉煤灰、礦渣粉放熱量為水泥的4%和5%，摻入粉煤灰降低水化熱效率略高于礦渣粉。然而過(guò)多的摻入粉煤灰會(huì)導(dǎo)致混凝土早期強(qiáng)度降低，《大體積混凝土施工規(guī)范》[10]規(guī)定粉煤灰摻量不宜超過(guò)膠凝材料的40%，粉煤灰與礦渣粉總摻量不宜超過(guò)膠凝材料的50%，故此本節(jié)還研究了雙摻粉煤灰和礦渣粉的水化放熱性能。分析圖表中雙摻體系的試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)摻合料摻量超過(guò)40%后，在放熱主峰之后有放熱副峰出現(xiàn)，放熱速率峰值也隨摻量的增加而減小，放熱速率曲線趨于平緩，且綜合雙摻體系對(duì)混凝土性能的改良作用，雙摻粉煤灰和礦渣粉更加有利于混凝土的溫控，實(shí)現(xiàn)“緩慢溫升—溫降”。

2.1.2小圓環(huán)抗裂性能試驗(yàn)

為獲得干縮量小、抗裂性能好的膠凝材料組合，結(jié)合以往工程實(shí)例，采用水膠比為0.4、膠砂比為1∶2的混凝土材料體系開展了7種不同膠凝材料組合的砂漿小圓環(huán)開裂試驗(yàn)，獲得如表2所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2　小圓環(huán)開裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注： 膠凝體系中C、F、K、P分別代表水泥、粉煤灰、礦渣粉、膨脹劑，其后數(shù)值為百分含量。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所有開裂的試件均是從圓環(huán)半徑方向開裂，而且沒(méi)有開裂征兆，均是瞬間通裂。由表2可知，C100體系和C80F20體系的裂縫寬度較寬，平均達(dá)到0.20 mm，C70K30體系裂縫寬度較小，一般為0.10～0.15 mm。據(jù)此可得，摻入粉煤灰能有效減小混凝土的干燥收縮，而摻入礦渣粉的效果不明顯。然而由于摻合料會(huì)降低混凝土的早期抗拉強(qiáng)度，其摻量并非越多越好，如C50F20K30、C40F20K40膠凝體系試樣均產(chǎn)生了裂縫。而C60F20K20體系以及加入膨脹劑的C70F20P10體系試樣均未出現(xiàn)裂縫。

綜合水化放熱性能試驗(yàn)和小圓環(huán)開裂試驗(yàn)結(jié)果，在沉管主體混凝土試配階段，擬采用摻入20%粉煤灰和20%礦渣粉的膠凝材料體系，該膠凝材料體系水化熱較低，抗裂性能較好。此外，考慮到管節(jié)后澆帶中摻入膨脹劑會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，后澆帶混凝土不摻入對(duì)其抗裂性能提升較弱的礦渣粉，擬采用摻入20%粉煤灰和10%膨脹劑的C70F20P10膠凝材料體系。

2.2混凝土試配試驗(yàn)

根據(jù)沉管管節(jié)混凝土的施工工藝、防滲防裂及容重要求，確定了混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)，見表3。其中，后澆帶為管段連接的關(guān)鍵部分，為保證其防裂性能，根據(jù)前述研究成果，添加膨脹劑并降低礦渣粉摻量以獲得高強(qiáng)度等級(jí)的管段主體補(bǔ)償收縮混凝土。

結(jié)合前述優(yōu)選出的膠凝體系組合及膨脹劑摻量，調(diào)整并確定工作性能良好的減水劑配比，進(jìn)而開展了多組配合比設(shè)計(jì)與試配試驗(yàn)，并通過(guò)物理力學(xué)性能、耐久性以及溫度應(yīng)力試驗(yàn)檢測(cè)相關(guān)指標(biāo)，最后優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)效益、物理力學(xué)性能、耐久性能及抗裂性能等綜合指標(biāo)良好的大體積防滲抗裂高性能混凝土配合比，如表4所示。其中沉管主體和后澆帶混凝土膠凝材料體系(包括膨脹劑)、減水劑、用水量、細(xì)骨料和粗骨料的比值分別為1∶0.010∶0.39∶1.81∶2.60和1∶0.014∶0.35∶1.66∶2.49，試樣相關(guān)性能指標(biāo)見表3。

表3沉管主體和后澆帶混凝土性能指標(biāo)

Table 3Concrete performance indexes for main tunnel and later casting section

項(xiàng)目設(shè)計(jì)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果主體后澆帶28d抗壓強(qiáng)度/MPa 主體≥48.2;后澆帶≥53.2 49.3 56.428d電通量/C <1000652900水中14d膨脹率/% ≥0.0150.055抗?jié)B等級(jí) ≥P10P12P14坍落度/cm 18～221919初凝時(shí)間/h ≥610.08.5終凝時(shí)間/h ≤2412.511.0主體密度/(t/m3) 2.36～2.392.38后澆帶密度/(t/m3) 2.38～2.402.38入模溫度/℃ ≤3019.119.7應(yīng)力儲(chǔ)備/% >1379.558.8抗裂安全系數(shù)Kf >1.154.892.43

表4沉管主體和后澆帶混凝土配合比

Table 4Concrete mixing proportion for main tunnel and later casting sectionkg/m

3

3　溫度控制技術(shù)

考慮到實(shí)際工程環(huán)境和施工工藝的復(fù)雜性，有必要對(duì)現(xiàn)澆沉管管節(jié)大體積混凝土進(jìn)行溫度測(cè)試，準(zhǔn)確掌握大體積混凝土內(nèi)溫度變化的規(guī)律，進(jìn)而合理指導(dǎo)冷卻水管的布置，避免管段危害性裂縫的產(chǎn)生，確保沉管管節(jié)的防滲抗裂性能。

3.1試澆塊試驗(yàn)分析

采用表4優(yōu)選的沉管主體配合比，現(xiàn)場(chǎng)澆筑2個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸為1.2 m×1.2 m×1.2 m的混凝土試澆塊，環(huán)境溫度為28 ℃。試塊1中分別在試塊豎直中軸線上距頂面0.3 m(上端)、0.6 m(中心)和0.9 m(下端)處垂直預(yù)埋FS-NM15應(yīng)變計(jì)，試塊2僅在上端、中心處預(yù)埋。此外，試塊1中額外布設(shè)冷卻水管通水降溫，2試塊均采用土工布覆蓋并灑水保濕養(yǎng)護(hù)14 d。分析測(cè)試數(shù)據(jù)可知，試塊1和試塊2均未出現(xiàn)貫穿裂縫，故此可認(rèn)為優(yōu)選的配合比基本滿足沉管主體的溫度裂縫控制要求。

試塊1和試塊2各測(cè)點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線和頻率差歷時(shí)曲線見圖3。分析測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)可知，試塊1上端和下端的溫度和頻率差變化規(guī)律非常接近，說(shuō)明冷卻水管上下兩部分混凝土中的溫度變化規(guī)律相似。由圖3(a)可知，試澆塊1、2的芯部混凝土最高溫度分別為46.7、52.9 ℃，最高溫差分別為5.2、7.9 ℃，均遠(yuǎn)低于規(guī)范要求的70 ℃最高溫度和25 ℃最高內(nèi)外溫差。由圖3(b)可知，試澆塊1內(nèi)部的頻率差最高值為+45.5 με，試澆塊2內(nèi)部頻率差最低值為-5 032.3 με、最高值為+978.4 με。由此可知，試澆塊1內(nèi)溫度、頻率差的升高與降低都比較平穩(wěn)，均在合理的范圍內(nèi)，試澆塊2的溫度升高與降低也比較平穩(wěn)，但其頻率差即應(yīng)變差波動(dòng)比較大，且差值有正有負(fù)。

(a)溫度歷時(shí)曲線

(b)頻率差歷時(shí)曲線

Fig. 3Temperature and frequency difference of test block 1 and test block 2

綜上所述，在未布置冷卻水管的試澆塊混凝土施工過(guò)程中溫度和溫度差峰值均滿足相應(yīng)的規(guī)范要求，但對(duì)于分階段澆筑的大體積混凝土構(gòu)件而言，新澆混凝土受到已澆混凝土的約束作用，頻率差過(guò)大的幅值波動(dòng)可能會(huì)引起混凝土產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，故需要在后一施工段中采取相應(yīng)的溫控防裂措施。而在大體積混凝土內(nèi)設(shè)置冷卻水管，能夠有效降低混凝土內(nèi)部溫度、內(nèi)外溫差以及應(yīng)力波動(dòng)，從而減小混凝土內(nèi)貫穿裂縫出現(xiàn)的可能性?；炷寥肽：?6 h即4 d，是其水化放熱最為活躍的時(shí)期，之后混凝土內(nèi)部溫度降至較低值。據(jù)此本工程中采用2.2節(jié)優(yōu)選的配合比，并結(jié)合冷卻水管通水降溫，拆模時(shí)間可設(shè)為4 d左右，由此獲得的沉管大體積混凝土具有良好的防滲抗裂性能，同時(shí)該結(jié)論也為管段現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制的施工控制提供了指導(dǎo)。

3.2溫度監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[11]中沉管管節(jié)預(yù)制溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的有限元數(shù)值分析結(jié)果可知，管節(jié)底板和邊墻交界處中心溫度達(dá)到最大值，應(yīng)力主要集中于底板邊墻交界和邊墻施工縫處，故本文主要針對(duì)這些部位進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，從而指導(dǎo)相應(yīng)防裂措施的安排部署。

3.2.1溫控測(cè)試與信息化施工

為有效防止管段預(yù)制過(guò)程中溫度裂縫的產(chǎn)生，本工程采用JTM-2型溫度巡回檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)溫控方案在管段澆筑過(guò)程中埋設(shè)熱電偶溫度計(jì)(WREX-10/WRKX-10)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況，經(jīng)過(guò)分析處理數(shù)據(jù)后對(duì)施工方法與工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而對(duì)施工提出合理的建議?，F(xiàn)場(chǎng)溫度控制系統(tǒng)具有布置簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍廣、精度高和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。其實(shí)施流程如圖4所示。

在溫度控制布點(diǎn)設(shè)計(jì)中，分別在底板和頂板倒角處、邊墻3個(gè)部位各預(yù)埋內(nèi)側(cè)、外側(cè)及中心3個(gè)測(cè)溫元件，預(yù)埋件應(yīng)予以固定牢固并進(jìn)行保護(hù)處理，混凝土下料時(shí)不得直接沖擊、振搗時(shí)不得觸碰相應(yīng)部件。為確保施工質(zhì)量，根據(jù)混凝土水化熱發(fā)展趨勢(shì)對(duì)測(cè)試頻率進(jìn)行合理地調(diào)整，測(cè)量間隔時(shí)間最開始為1 h，之后改為2 h，當(dāng)溫度梯度降至一定程度后改為4 h，溫度降低速率較低后改為12 h，溫度趨于平穩(wěn)后則改為24 h。14 d后根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果決定是否停止監(jiān)測(cè)，通常30 d后混凝土溫度與環(huán)境溫度相差不大，可停止測(cè)試。

圖4　現(xiàn)場(chǎng)溫度控制實(shí)施流程

3.2.2循環(huán)冷卻水降溫

由于沉管管節(jié)分2個(gè)施工段先后澆筑下層3.6 m和上層4.7 m管節(jié)，在澆筑第2施工段管節(jié)時(shí)，新澆混凝土受到已澆下層混凝土的約束作用，致使第2施工段管節(jié)邊墻容易產(chǎn)生裂縫。另一方面，第2施工段邊墻混凝土澆筑后形成的水平施工縫處散熱條件與邊墻立面及頂端的差別明顯，從而增大了新澆邊墻混凝土內(nèi)部的溫度梯度，特別當(dāng)新澆管節(jié)邊墻較長(zhǎng)時(shí)，該問(wèn)題更為明顯。因而在第2施工段上層4.7 m邊墻內(nèi)布置冷卻水管，降低混凝土的水化熱溫升，減小邊墻在2個(gè)施工段內(nèi)的溫差，從而有效控制溫度裂縫的產(chǎn)生。

冷卻水管采用外徑30 mm、內(nèi)徑27 mm的黑鐵管或鍍鋅水管，邊墻內(nèi)冷卻水管距水平施工縫300 mm且處于1 m厚的墻體中心布置，沿高度方向冷卻水管間距為1.0～1.2 m，共設(shè)4排，冷卻循環(huán)水系統(tǒng)按同時(shí)冷卻施工管段的兩側(cè)邊墻設(shè)計(jì)，邊墻冷卻水管與測(cè)溫元件布置如圖5所示。

圖5　邊墻冷卻管及測(cè)溫元件布置示意圖(單位： mm)

Fig. 5Layout of sidewall cooling water pipe and temperature measuring elements (mm)

本冷卻水循環(huán)系統(tǒng)采用密閉式冷卻循環(huán)系統(tǒng)，具有不堵塞、不結(jié)垢和基本不消耗水等優(yōu)點(diǎn)。冷卻循環(huán)過(guò)程一直持續(xù)到溫控測(cè)試工作結(jié)束為止，通過(guò)對(duì)水泵進(jìn)行控制，確?；炷羶?nèi)部溫度與進(jìn)水溫差控制在20 ℃左右，若發(fā)現(xiàn)溫差過(guò)小，應(yīng)在水箱中加入冷水?dāng)U大溫差，以增強(qiáng)冷卻效果，降低混凝土內(nèi)部溫度峰值。

3.2.3溫控效果分析

本節(jié)以E3-3澆筑段(E3管節(jié)的第3澆筑段)為例，首先澆筑底板，再澆筑邊墻和頂板。根據(jù)3.2.2節(jié)分析，第2施工段澆筑的沉管邊墻的溫度控制應(yīng)予以重視，此外考慮到底板倒角處混凝土厚度較大，底板溫度監(jiān)控主要針對(duì)倒角處開展。底板倒角、邊墻溫度變化測(cè)量曲線如圖6所示。

由圖6可知，E3-3管段各部分混凝土入模溫度基本控制在30 ℃以下，澆筑約2.5 h后，溫度開始快速上升。其中，結(jié)構(gòu)中心曲線上升較快，而內(nèi)外側(cè)變化相對(duì)平緩，且升溫階段表面溫度總是低于內(nèi)部溫度，溫差逐漸擴(kuò)大。這是在膠凝材料水化放熱過(guò)程中，由于混凝土導(dǎo)熱不良導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中心相對(duì)表面散熱較慢，內(nèi)部水化熱積聚不易散發(fā)，從而形成較大溫差。澆筑完畢24～30 h后，結(jié)構(gòu)混凝土溫度達(dá)到峰值，其中，底板中心最高溫度為64.0 ℃，較側(cè)墻中心最高溫度58.9 ℃高約6 ℃，這是由于邊墻厚度相對(duì)較小且有循環(huán)冷卻水持續(xù)降溫引起的。中心溫度達(dá)到峰值后保持約12 h，之后開始緩慢下降； 而外側(cè)溫度峰值保持時(shí)間較短，約3 h后開始明顯下降，并逐漸緩慢接近外界環(huán)境溫度。約40 h時(shí)混凝土內(nèi)外溫差達(dá)到峰值，底板倒角溫差峰值達(dá)24.1 ℃，邊墻達(dá)17.3 ℃。澆筑完畢約74 h后，底板倒角內(nèi)外溫差仍達(dá)17.8 ℃，而邊墻內(nèi)外溫差僅約10 ℃。

(a)底板倒角

(b)邊墻

此外，由圖6可知，混凝土澆筑在2 h內(nèi)啟動(dòng)冷卻水循環(huán)降溫效果明顯，可加快散熱。通水持續(xù)時(shí)間根據(jù)溫度曲線，暫定至澆筑完畢50 h，但需繼續(xù)加強(qiáng)溫度監(jiān)測(cè)，如果停止通水后，溫度再回升，需要重新通水冷卻。約4 d后，混凝土達(dá)到常溫，即可完全停止通水。

4　管節(jié)混凝土施工防裂措施

除混凝土溫度應(yīng)力之外，混凝土施工時(shí)的入模溫度、澆筑與搗固、表面處理與養(yǎng)護(hù)等也是影響管節(jié)防滲抗裂性能的重要因素。

4.1混凝土的入模溫度控制

沉管管節(jié)預(yù)制所需混凝土方量大，應(yīng)盡可能集中拌制，本工程采用在臨近施工地點(diǎn)自建拌合站供應(yīng)混凝土。施工時(shí)主要通過(guò)以下方法來(lái)控制入模溫度：

1)設(shè)置足夠數(shù)量的儲(chǔ)存罐，水泥充分降溫后才能使用； 砂石堆場(chǎng)、取料皮帶運(yùn)輸機(jī)等搭設(shè)防曬棚，以防砂石被暴曬。當(dāng)氣溫較高時(shí)，在使用前一天用冷卻水淋灑碎石，進(jìn)行預(yù)先降溫處理； 拌和混凝土取用粗骨料時(shí)，采用坑道方式取用底層材料，避免取用較高溫度的表層骨料。

2)原材料計(jì)量采用電子計(jì)量設(shè)備，精度應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定，且根據(jù)粗、細(xì)骨料含水率變化，及時(shí)調(diào)整粗、細(xì)骨料和拌合用水的稱量，確保混凝土實(shí)際拌合配合比與設(shè)計(jì)值相差不大。

3)嚴(yán)格控制混凝土入模溫度小于30 ℃，根據(jù)不同氣溫條件，采用如表5所示的溫控措施。

表5不同氣溫條件下混凝土入模溫度控制措施

Table 5Temperature control technologies for concrete pouring under different ambient temperatures

氣溫/℃溫控措施 24～26砂石沖水、水泥預(yù)冷 26～30砂石沖水、水泥預(yù)冷、加冰水?dāng)嚢?30～34砂石沖水、水泥預(yù)冷、加碎冰攪拌 >34砂石沖水、水泥預(yù)冷、加碎冰和冰水?dāng)嚢?/p>

4)隨著季節(jié)及施工環(huán)境的變化，混凝土攪拌時(shí)間也應(yīng)隨之調(diào)整，此外，聚羧酸摻量也可在0.9%～1.1%內(nèi)進(jìn)行微調(diào)，通過(guò)出機(jī)拌合物性能指標(biāo)檢測(cè)來(lái)綜合確定。

5)在運(yùn)輸過(guò)程中需保持混凝土的均勻性，保證不分層、不離析、不漏漿，運(yùn)送到澆筑地點(diǎn)時(shí)混凝土應(yīng)符合規(guī)定的坍落度，如出現(xiàn)離析現(xiàn)象需經(jīng)二次攪拌后方可使用。嚴(yán)禁在途中及現(xiàn)場(chǎng)向車中加水和減水劑使混凝土達(dá)到施工坍落度要求。

6)高溫季節(jié)運(yùn)輸時(shí)應(yīng)加快運(yùn)輸和澆筑速度，在混凝土輸送容器、管道外用帆布遮陽(yáng)，并經(jīng)常澆水降溫，以減少混凝土在運(yùn)輸和澆筑過(guò)程中的溫度上升。

4.2混凝土澆筑與搗固

為控制現(xiàn)澆混凝土管段由于自身收縮不均或沉降不均可能產(chǎn)生的有害裂縫，管段預(yù)制采用分段、分次、分節(jié)澆筑混凝土的施工工藝，并設(shè)置后澆帶，每段混凝土分2次澆筑，先澆筑底板，再澆筑頂板和側(cè)墻。圖7(a)、(b)分別為E3管節(jié)各分段澆筑順序圖和后澆帶設(shè)置圖。為避免先澆混凝土因收縮不充分而產(chǎn)生收縮裂縫，采用后澆帶混凝土滯后澆筑的方法，來(lái)控制此類裂縫的產(chǎn)生，滯后時(shí)間不少于42 d。

在沉管管節(jié)澆筑與振搗過(guò)程中，應(yīng)注意以下施工工藝：

1)管段澆筑混凝土?xí)r，自下而上分層均勻上升澆筑，每層高度不得超過(guò)30 cm，上下混凝土澆筑間隔時(shí)間不得超過(guò)初凝時(shí)間。對(duì)于沉管底板及頂板，由于其平面尺寸較大，厚度達(dá)1.2 m和1.1 m，澆筑時(shí)應(yīng)采用臺(tái)階法推進(jìn)，如圖8所示。

(a)管節(jié)混凝土澆筑順序

(b)管節(jié)后澆帶設(shè)置

圖8　混凝土分層澆筑示意圖

2)混凝土下料傾落高度不宜超過(guò)2 m，否則混凝土?xí)a(chǎn)生離析，澆筑層厚度應(yīng)不大于振搗棒作用部分長(zhǎng)度的1.25倍。混凝土運(yùn)輸、澆筑及間歇時(shí)間均不得超過(guò)規(guī)范規(guī)定值，當(dāng)超過(guò)時(shí)應(yīng)留置施工縫。

3)合理確定澆筑時(shí)間，盡量避免在大風(fēng)、大雨天氣以及太陽(yáng)輻射較高的時(shí)間澆筑，夏季高溫盡量選擇在夜間(溫度低)施工，冬季低溫選擇在白天(溫度高)施工。

4)采用插入式振搗棒振搗現(xiàn)澆混凝土，振搗棒要垂直地插至前一層混凝土，以保證新澆混凝土與已澆混凝土結(jié)合良好，插進(jìn)深度一般為50～100 mm。

5)振搗方法是快插慢抽，混凝土振搗密實(shí)的標(biāo)志是混凝土停止下沉、不冒氣泡、無(wú)泛漿、表面平坦。不能漏振、欠振、過(guò)振，不能在模板內(nèi)利用振搗器使混凝土長(zhǎng)距離流動(dòng)或運(yùn)送混凝土，以免引起離析。

6)受頂部?jī)蓚?cè)大倒角影響，沉管外側(cè)墻上部混凝土澆筑難度較大，需在頂板鋼筋上預(yù)留一個(gè)孔洞，以方便施工人員爬進(jìn)側(cè)墻振搗； 待混凝土澆筑到頂板高度時(shí)，補(bǔ)扎鋼筋，繼續(xù)澆筑混凝土，重新封閉下人孔洞。

4.3混凝土表面處理與養(yǎng)護(hù)技術(shù)

1)沉管管節(jié)大體積混凝土分段澆筑完畢，應(yīng)在混凝土初凝之后和終凝之前進(jìn)行二次振搗或表面抹壓，排除上表面的泌水，用木拍反復(fù)抹壓密實(shí)，消除最先出現(xiàn)的表面裂縫，再覆蓋保溫棉布或塑料膜。

2)底板澆筑完畢并完成收水后，覆蓋土工布并澆水進(jìn)行潮濕養(yǎng)護(hù)； 頂板混凝土終凝后，上表面蓄水養(yǎng)護(hù)； 中隔墻在拆模后覆蓋土工布并噴水進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)； 邊墻覆蓋土工布噴淋養(yǎng)護(hù)，如圖9所示。

(a)頂板蓄水養(yǎng)護(hù)

(b)邊墻噴淋養(yǎng)護(hù)

3)嚴(yán)格控制混凝土拆模時(shí)間，應(yīng)當(dāng)在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%以上，預(yù)計(jì)拆模后的混凝土表面溫降不超過(guò)9 ℃才允許拆模。

4)外側(cè)墻在工期允許的情況下，適當(dāng)推遲混凝土拆模時(shí)間，拆模后，繼續(xù)保溫保濕養(yǎng)護(hù)，管段主體養(yǎng)護(hù)時(shí)間不小于14 d，后澆帶養(yǎng)護(hù)不低于28 d； 內(nèi)模拆除后，在內(nèi)孔兩側(cè)孔口處用土工布(塑料薄膜)掛簾法封蓋，阻止空氣流動(dòng)，減小內(nèi)孔的水分散失，并經(jīng)常在管內(nèi)及外側(cè)墻表面澆水，保持管內(nèi)相對(duì)濕度大于85%以上。

5)根據(jù)前述溫控測(cè)試及循環(huán)冷卻水降溫技術(shù)，嚴(yán)格控制混凝土內(nèi)部中心溫度、內(nèi)外溫差梯度、表面與環(huán)境溫差，一般4 d左右即可完全停止通水降溫。之后應(yīng)立即對(duì)墻體進(jìn)行灌漿處理，以防止管內(nèi)冷卻過(guò)快而產(chǎn)生收縮裂縫。

通過(guò)上述混凝土拌制與運(yùn)輸、澆筑與搗固、表面處理與養(yǎng)護(hù)等施工措施，紅谷隧道沉管管節(jié)混凝土澆筑整體質(zhì)量可控，裂紋發(fā)育較少，管段無(wú)貫穿性裂紋，保證了管節(jié)的防滲抗裂性能，為紅谷隧道下階段管節(jié)沉放施工打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5　結(jié)論與討論

1)獲得了滿足防滲抗裂性能及容重要求的沉管混凝土優(yōu)選的膠凝體系和配合比： 主體和后澆帶膠凝材料采用雙摻技術(shù)，分別為C60F20K20和C70F20P10。主體和后澆帶膠凝材料、減水劑、用水量、細(xì)骨料與粗骨料的比值分別為1∶0.010∶0.39∶1.81∶2.60和1∶0.014∶0.35∶1.66∶2.49。

2)設(shè)置循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可有效降低內(nèi)外溫差和混凝土內(nèi)部應(yīng)力波動(dòng)頻率，是確保管段混凝土不裂的重要技術(shù)措施； 循環(huán)冷卻水工作時(shí)間最佳為澆筑完畢2～50 h。

3)沉管管節(jié)第1施工段澆筑的下層混凝土溫度及內(nèi)外溫差峰值分別為64.0、24.1 ℃，均滿足設(shè)計(jì)要求；第2施工段邊墻混凝土由于循環(huán)冷卻水的降溫作用，其內(nèi)溫度及溫差峰值相較下層混凝土降低6～7 ℃，有效控制了因邊墻先后上下分層澆筑所引起的溫度裂縫。

4)采用骨料預(yù)冷、冰水拌合等措施有效控制混凝土入模溫度不高于30 ℃，同時(shí)通過(guò)分段分次分節(jié)澆筑混凝土、設(shè)置后澆帶、循環(huán)冷卻水降溫以及頂板蓄水、底板及中隔墻覆蓋土工布并澆水養(yǎng)護(hù)、邊墻覆蓋土工布并噴淋養(yǎng)護(hù)等針對(duì)性措施，形成了大體積混凝土管節(jié)預(yù)制全過(guò)程的防裂技術(shù)體系，保障了管節(jié)大體積混凝土的防滲抗裂性能。

本文從混凝土配合比設(shè)計(jì)、溫度控制技術(shù)、施工工藝等方面論述了沉管管節(jié)預(yù)制的溫控與防裂技術(shù)，可有效控制大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生。但文中沒(méi)有分析各措施對(duì)裂縫防控的作用大小，在今后的研究中有必要對(duì)其深入探討。

[1]羅垚. 沉管隧道節(jié)段預(yù)制的裂縫控制研究[D]. 上海: 同濟(jì)大學(xué), 2013. (LUO Yao. Study of crack control of precasting segment of immersed tunnel[D]. Shanghai: Tongji University, 2013. (in Chinese))

[2]李政鵬. 大體積混凝土溫控防裂相關(guān)問(wèn)題研究[D]. 鄭州: 鄭州大學(xué), 2012. (LI Zhengpeng. Research on temperature control and crack prevention problems of mass concrete[D]. Zhengzhou: Zhengzhou University, 2012.(in Chinese))

[3]陳韶章. 沉管隧道設(shè)計(jì)與施工[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2002. (CHEN Shaozhang. Design and construction of immersed tube tunnel[M]. Beijing: Science Press, 2002. (in Chinese))

[4]李樹光, 馬曉軒, 徐維杰, 等. 廣州侖頭—生物島沉管隧道抗裂混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 城市建筑, 2015(2): 374-375. (LI Shuguang, MA Xiaoxuan, XU Weijie，et al. Study of mixing proportioning of cracking resistance concrete for Luntou-Shengwudao Immersed Tunnel in Guangzhou[J]. Urbanism and Architecture, 2015(2): 374-375. (in Chinese))

[5]劉行, 許曉華, 熊建波. 沉管隧道管段混凝土裂縫控制技術(shù)[J]. 施工技術(shù), 2013, 42(3): 75-77. (LIU Hang, XU Xiaohua, XIONG Jianbo. Crack control technology for immersed tube tunnel concrete[J]. Construction Technology, 2013, 42(3): 75-77. (in Chinese))

[6]申琪玉, 邱峰, 張海燕. 沉管隧道管段預(yù)制的重點(diǎn)難點(diǎn)分析及應(yīng)對(duì)措施[J].施工技術(shù), 2010, 39(增刊): 239-242. (SHEN Qiyu, QIU Feng, ZHANG Haiyan. The key process and difficulty analysis of pipe sections prefabrication of immersed tunnel and research on the measures[J]. Construction Technology, 2010, 39(S): 239-242. (in Chinese))

[7]彭立海, 閻士勤, 張春生,等. 大體積混凝土溫控與防裂[M]. 鄭州: 黃河水利出版社, 2005. (PENG Lihai, YAN Shiqin, ZHANG Chunsheng, et al. Temperature and crack controlling of mass concrete[M]. Zhengzhou: The Yellow River Water Conservancy Press, 2005. (in Chinese))

[8]李潘武, 曾憲哲, 李博淵, 等. 澆筑溫度對(duì)大體積混凝土溫度應(yīng)力的影響[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 31(5): 68-71. (LI Panwu, ZENG Xianzhe, LI Boyuan, et al. Influence of placement temperature on mass concrete temperature stress[J]. Journal of Chang’an University (Natural Science Edition), 2011, 31(5): 68-71. (in Chinese))

[9]張超, 常曉林, 劉杏紅. 大體積混凝土施工期冷卻水管埋設(shè)形式的優(yōu)化[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版), 2014, 47(3): 276-282. (ZHANG Chao, CHANG Xiaolin, LIU Xinghong. Optimization of cooling pipe layout in mass concrete during construction period[J]. Journal of Tianjin University (Science and Technology), 2014, 47(3): 276-282. (in Chinese))

[10]大體積混凝土施工規(guī)范： GB 50496—2009[S]. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社, 2009. (Code for construction of mass concrete: GB 50496—2009[S]. Beijing: China Planning Press, 2009. (in Chinese))

[11]中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司. 復(fù)雜條件下雙向六車道沉管隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究[R]. 南昌: 中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司,2016. (Erchu Co., Ltd. of China Railway Tunnel Group. Key construction technologies for double-line 6-lane immersed tunnel under complex conditions[R]. Nanchang: Erchu Co., Ltd. of China Railway Tunnel Group, 2016.(in Chinese))

Temperature Control and Crack Prevention Technologies for Segment Concrete of Honggu Immersed Tunnel

PENG Zaiyong

(ErchuCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Sanhe065201,Hebei,China)

The double-line 6-lane segment of Honggu Immersed Tunnel has many characteristics, such as large cross-section, complex structure, mass casting concrete, difference between inner and outer temperatures and temperature stresses and high anti-seepage and crack prevention performances. The hydration heat and small circle cracking test are carried out so as to select cementing materials. The mixing proportion of concrete is determined by mechanical property test, durability test and impermeability performance test. The cast-in-situ test block and temperature test are carried out. The internal temperature variation rules of concrete and effect of cooling pipe are analyzed. The arrangement of cooling pipes during segment prefabrication and relevant temperature control and crack prevention technologies are presented according to temperature control and informatized construction. A series of technologies have been adopted, i. e. concrete temperature control technology, concrete casting technology, time control of cooling pipe and mould dismantling and segment maintaining technology.

Honggu Immersed Tunnel; mass concrete; temperature stress; mixing proportion; temperature control; crack prevention technology; informatized construction

2016-05-19;

2016-09-12

彭再勇(1975—)，男，四川合川人，1997年畢業(yè)于武漢冶金科技大學(xué)，工業(yè)與民用建筑專業(yè)，大專，工程師，主要從事隧道及地下工程研究工作。E-mail: 752556920@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.017

U 454

B

1672-741X(2016)09-1139-08