金文良，徐文，劉迪，謝彪

（1.深中通道管理中心，廣東 中山 528400；2.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211103；3.高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211103）

0 引言

隧道現(xiàn)澆暗埋段混凝土結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸巨大、施工周期長(zhǎng)和施工工藝復(fù)雜，隧道混凝土結(jié)構(gòu)容易因急劇溫度應(yīng)力作用、混凝土自收縮以及不同結(jié)構(gòu)約束情況等原因，致使在混凝土施工階段（尤其是在早期溫降階段）就出現(xiàn)貫穿性收縮裂縫[1-2]?；炷恋牧芽p控制是一個(gè)系統(tǒng)且復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于混凝土的裂縫控制研究也頗多，但考慮的方面通常較為單一，無(wú)法從全局控裂的角度出發(fā)，從多個(gè)方面統(tǒng)籌控制研究。為有效避免隧道大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生，保障工程施工質(zhì)量，本文以深中通道西人工島現(xiàn)澆隧道為研究背景，主要從兩個(gè)角度同時(shí)進(jìn)行研究：其一是材料角度，通過(guò)原材料品質(zhì)控制、混凝土配合比優(yōu)化、建議采用新型功能性材料——水化熱調(diào)控材料等方式進(jìn)行；其二是施工工藝措施優(yōu)化、控制混凝土入模溫度、鋪設(shè)冷卻循環(huán)水管及保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施等方式進(jìn)行，最終形成整套的海工隧道大體積混凝土抗裂技術(shù)方案。

1 工程概況

深中通道項(xiàng)目全長(zhǎng)24.03 km，北距虎門(mén)大橋約30 km，南距港珠澳大橋38 km，項(xiàng)目東接機(jī)荷高速，跨越珠江口，西至中山馬鞍島，與規(guī)劃的中開(kāi)、東部外環(huán)高速對(duì)接，實(shí)現(xiàn)在深圳、中山及廣州南沙登陸，是集“橋、島、隧、地下互通”為一體的系統(tǒng)集群工程[3-4]。而西人工島現(xiàn)澆主線(xiàn)隧道長(zhǎng)475 m，實(shí)現(xiàn)橋、島、隧功能轉(zhuǎn)換。現(xiàn)澆隧道設(shè)計(jì)使用年限100 a，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)形式為單箱雙室管廊箱型結(jié)構(gòu)形式，其中頂板厚160 cm、150 cm，底板厚140 cm、150 cm，側(cè)墻厚150～130 cm、100 cm，中隔墻厚度80 cm，橫斷面寬度46.00～74.45 m，典型橫斷面如圖1所示。該工程屬于海工大體積混凝土結(jié)構(gòu)，控裂難度極大。

圖1 典型現(xiàn)澆隧道結(jié)構(gòu)示意圖（cm）Fig.1 Schematic diagram of typical cast-in-situ tunnel structure（cm）

2 混凝土原材料及配合比

現(xiàn)澆隧道大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)除滿(mǎn)足工作性、設(shè)計(jì)強(qiáng)度和耐久性能外，還應(yīng)具有較好的抗裂性和體積穩(wěn)定性，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C28d45、C56d50。從混凝土抗裂性能出發(fā)，混凝土應(yīng)具有低溫升、低收縮的性能，配合比設(shè)計(jì)思路為采用低水泥用量、大摻量礦物摻合料并輔以具有減縮型及緩凝型聚羧酸高性能減水劑。根據(jù)工程實(shí)際情況，最終選用以下原材料：英德海螺水泥P·Ⅱ42.5、鎮(zhèn)江諫壁粉煤灰（F類(lèi)Ⅰ級(jí)）、唐山礦渣粉（S95級(jí)）、西江中山（細(xì)度模數(shù)2.6）、江蘇蘇博特減縮緩凝型聚羧酸減水劑和水化熱抑制劑，相關(guān)混凝土原材料控制指標(biāo)如表1所示。

表1 深中通道隧道主體結(jié)構(gòu)混凝土原材料控制要求Table 1 Control requirements for concrete raw materials for main structure of Shenzhen-Zhongshan Link

經(jīng)混凝土配合比驗(yàn)證，擬采用表2所示的混凝土配合比。

表2 大體積混凝土配合比Table 2 Mass concrete mix ratio

3 大體積混凝土施工控裂措施

現(xiàn)澆隧道大體積混凝土根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，施工控裂措施主要從以下方面進(jìn)行：1）采用半斷面澆筑法（底板、側(cè)墻、中隔墻一體優(yōu)先澆筑，后續(xù)再一次性澆筑頂板），減少縱向施工縫，降低混凝土結(jié)構(gòu)的外約束。2）混凝土溫度控制，混凝土內(nèi)部溫度無(wú)論升多高，最終都會(huì)降到環(huán)境溫度，溫度降低的過(guò)程中，混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，混凝土在受到約束的情況下，溫降收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力值超過(guò)混凝土極限抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)就會(huì)開(kāi)裂，因此在實(shí)際大體積控裂過(guò)程中，常通過(guò)嚴(yán)格的溫控措施降低混凝土內(nèi)部最大溫升值、內(nèi)外溫差，避免由混凝土內(nèi)部溫度梯度引起的溫度應(yīng)力作用而導(dǎo)致的開(kāi)裂。3）保溫保濕養(yǎng)護(hù)，早期保溫保濕養(yǎng)護(hù)工作能相應(yīng)地降低混凝土內(nèi)外溫差及表面塑性收縮裂縫的產(chǎn)生。

3.1 施工作業(yè)優(yōu)化

深中通道現(xiàn)澆隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究成果，隧道工程通常側(cè)墻受約束最強(qiáng)[5-6]，其開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)最高。為避免結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，通過(guò)施工工法優(yōu)化降低外約束作用，采用豎向分2層澆筑的方式進(jìn)行（底板、側(cè)墻和中隔板優(yōu)先一體先澆筑，最后澆筑頂板，間隔時(shí)間約30 d），減少縱向施工縫，降低混凝土外約束，以此降低結(jié)構(gòu)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 入模溫度控制

根據(jù)已有研究成果表明[6-8]，混凝土入模溫度越高，混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)也越大，因此在施工時(shí)主要采取以下措施來(lái)控制混凝土入模溫度：

1）原材料控溫：粉料采用儲(chǔ)罐存貯，外壁鋪設(shè)冷卻水管，砂石料場(chǎng)設(shè)置遮陽(yáng)棚、料倉(cāng)口設(shè)置卷簾門(mén)、料倉(cāng)側(cè)面安裝工業(yè)級(jí)冷風(fēng)機(jī)、遮陽(yáng)棚頂部布置噴淋系統(tǒng)，原材料降低至規(guī)定溫度方能使用。同時(shí)，混凝土拌和過(guò)程中，再輔以冷卻水及碎冰拌和降溫。

2）施工運(yùn)輸控溫：根據(jù)澆筑情況合理調(diào)配罐車(chē)卸料次序，避免混凝土因罐車(chē)在現(xiàn)場(chǎng)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而升溫。同時(shí)為減小混凝土在運(yùn)輸、澆筑過(guò)程中溫度的上升（由環(huán)境溫度及泵管摩擦影響），在罐車(chē)罐體上包裹保溫布。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在夏季高溫環(huán)境，混凝土運(yùn)輸與泵送過(guò)程中混凝土最大溫升5.1℃；在冬季，混凝土運(yùn)輸與泵送過(guò)程中混凝土最大溫升0.8℃。因此，高溫季節(jié)施工時(shí)，應(yīng)加快運(yùn)輸和澆筑速度，同時(shí)在已澆筑區(qū)域用帆布遮陽(yáng)，并根據(jù)硬化情況使用冷風(fēng)機(jī)或曬水降溫。

3）入?；炷翜囟戎笜?biāo)控制：對(duì)于日平均氣溫大于10℃時(shí)，混凝土入模溫度需小于日平均氣溫加8℃且小于28℃；當(dāng)日平均氣溫小于10℃時(shí)，混凝土入模溫度需不高于日平均氣溫加8℃。

3.3 冷卻水管通水工藝

對(duì)于冷卻水管已有較多研究成果[9]，根據(jù)前期成果并結(jié)合工程實(shí)際情況考慮，隧道內(nèi)冷卻水管采取如下布置：結(jié)構(gòu)內(nèi)采用外徑40 mm，厚2～3 mm的鐵管作為循環(huán)冷卻水管，水管累計(jì)長(zhǎng)度不超過(guò)150 m，板結(jié)構(gòu)冷卻水管厚度方向布置2層，上下間距40 cm，水管排距80 cm，交錯(cuò)布置。墻結(jié)構(gòu)厚度方向布置1排冷卻水管，層距80 cm，冷卻水管相關(guān)控制指標(biāo)如表3所示。

表3 關(guān)鍵溫控指標(biāo)Table 3 Key temperature control indicators

3.4 混凝土養(yǎng)護(hù)

隧道混凝土應(yīng)保證全過(guò)程養(yǎng)護(hù)，防止拆模后的塑性收縮及干燥收縮裂縫的產(chǎn)生，具體來(lái)說(shuō)包括拆模前養(yǎng)護(hù)及拆模后養(yǎng)護(hù)。其中混凝土拆模時(shí)間應(yīng)結(jié)合混凝土內(nèi)表溫度及混凝土表面與大氣溫差決定，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況定制合理拆模時(shí)機(jī)，且頂板拆模前，還需提前對(duì)同條件養(yǎng)護(hù)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，滿(mǎn)足要求方可拆模。

1）拆模前：對(duì)于大面積板式結(jié)構(gòu)混凝土澆筑完畢初凝前，采用噴霧養(yǎng)護(hù)，待混凝土終凝后灑水、覆蓋養(yǎng)護(hù)；對(duì)于有條件蓄水養(yǎng)護(hù)的，如側(cè)墻結(jié)構(gòu)在拆模前進(jìn)行蓄水養(yǎng)護(hù)，這樣可有效避免混凝土早期塑性收縮開(kāi)裂。

2）拆模后：拆模后立即對(duì)混凝土表面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在混凝土表面覆蓋或粘貼篷布、棉絮或其他有保溫效果的材料，宜控制混凝土表面散熱系數(shù)不高于20 kJ/（m2·h·℃），養(yǎng)護(hù)水的溫度與混凝土表面溫度之差不宜超過(guò)15℃，且保溫保濕過(guò)程不宜少于14 d，控制結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差（溫差應(yīng)力），避免由于混凝土里表及與環(huán)境溫差過(guò)大而形成溫度裂縫，同時(shí)也減少干燥收縮裂縫。

3.5 實(shí)體監(jiān)測(cè)結(jié)果

考慮到施工工藝復(fù)雜性以及實(shí)際施工環(huán)境，有必要對(duì)現(xiàn)澆隧道大體積混凝土進(jìn)行溫度測(cè)試，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)計(jì)算分析結(jié)果，隧道底板、邊墻及頂板交界處中心溫度通常相對(duì)較高，應(yīng)力容易集中在縱向分層的施工縫處，故本文選取該部位進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，從而指導(dǎo)及提升相應(yīng)抗裂措施，溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 典型斷面溫度監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)Fig.2 Temperature monitoring curve of typical section

從實(shí)體結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)來(lái)看，混凝土最高溫度滿(mǎn)足不大于70℃、內(nèi)外溫差不大于15℃等指標(biāo)的要求，主要指標(biāo)滿(mǎn)足控制要求。但實(shí)體結(jié)構(gòu)從入模溫度至最大溫峰值用時(shí)約27 h，且溫降速率為4.2℃/d，總體數(shù)據(jù)指標(biāo)滿(mǎn)足要求，雖拆模后未發(fā)現(xiàn)有害裂縫，但實(shí)體仍然存在溫升、溫降速率過(guò)快的問(wèn)題，增大開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，因此在混凝土溫度歷程控制方面還具有進(jìn)一步提升的空間。

3.6 水化熱抑制劑構(gòu)件實(shí)驗(yàn)

從實(shí)體監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，總體溫度數(shù)據(jù)滿(mǎn)足要求，但存在溫升及溫降速率較快的問(wèn)題。常規(guī)施工工藝很難進(jìn)一步優(yōu)化，因此通過(guò)摻入一定量水化熱抑制劑調(diào)控混凝土水化放熱歷程。在施工單位拌合站分別生產(chǎn)基準(zhǔn)混凝土、提高了1倍用量緩凝劑的基準(zhǔn)混凝土、及摻水化熱抑制劑的基準(zhǔn)混凝土進(jìn)行1 m3試塊（尺寸1 m×1 m×1 m）溫度歷程對(duì)比實(shí)驗(yàn)，控制其入模溫度≤28℃，木模覆蓋保溫養(yǎng)護(hù)，無(wú)冷卻水管工況，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。

通過(guò)圖3中心溫度歷程曲線(xiàn)結(jié)果可知，在保持入模溫度基本相近的情況下，普通混凝土溫升速率最快，在21.6 h達(dá)到最大溫峰值57.2℃，大摻量緩凝劑的基準(zhǔn)混凝土構(gòu)件在33.6 h達(dá)到最大溫峰值57.6℃，而摻水化熱抑制劑混凝土構(gòu)件在38.4 h達(dá)到溫峰值54.2℃。從曲線(xiàn)形態(tài)分析，緩凝劑僅具有延長(zhǎng)水泥誘導(dǎo)期和推遲溫峰的作用，對(duì)于水泥水化加速期放熱速率基本無(wú)影響，雖到達(dá)溫峰的時(shí)間延長(zhǎng)，但峰值變化不大，而摻水化熱抑制劑的溫升曲線(xiàn)更緩，有效降低水泥水化加速期放熱速率，使熱量在盡量長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)緩慢釋放，在散熱條件良好的條件下（如通冷卻水管），水化熱抑制劑的應(yīng)用能很好地解決溫升速率快及溫峰值高等問(wèn)題，且對(duì)混凝土28 d強(qiáng)度基本無(wú)影響，總體上為完善大體積控裂方案提供一種新思路。

圖3 構(gòu)件溫度曲線(xiàn)Fig.3 Component temperature curve

4 結(jié)語(yǔ)

本文從混凝土配合比設(shè)計(jì)、施工工藝、溫控技術(shù)措施、養(yǎng)護(hù)措施以及新型功能型材料等方面研究隧道大體積混凝土裂縫的控制，為同類(lèi)工程提供思路。

1）為滿(mǎn)足大體積混凝土抗裂防滲的要求，隧道主體結(jié)構(gòu)配合比采用低膠凝材料、大摻量雙摻礦物摻合料的技術(shù)，膠凝材料總量為418 kg/m3，水泥用量為188 kg/m3，其中粉煤灰、礦粉分別占總膠凝材料的25%及30%。

2）通過(guò)采用半斷面分層澆筑工藝、控制混凝土入模溫度、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化和強(qiáng)化拆模前后保溫保濕養(yǎng)護(hù)等措施可有效降低結(jié)構(gòu)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，綜合應(yīng)用后，基本能控制結(jié)構(gòu)有害裂縫的產(chǎn)生。但通過(guò)溫控?cái)?shù)據(jù)分析，主體結(jié)構(gòu)大體積混凝土還存在溫升及溫降速率較快的問(wèn)題，溫控措施還具有從功能材料方面進(jìn)一步優(yōu)化提升的空間。

3）水化熱抑制劑能有效降低水泥水化加速期放熱速率，溫升曲線(xiàn)更緩，能充分利用結(jié)構(gòu)散熱性能進(jìn)一步降低混凝土最大溫峰值，降低溫度裂縫風(fēng)險(xiǎn)。