林清清，藺威威，谷坤鵬，張君韜，劉思楠

（1.中國交建江蘇分公司，江蘇 南京 211800；2.中交上海港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032）

1 工程概況

蘇錫常南部高速公路太湖隧道全長10.79 km，寬43.6 km，是國內(nèi)最長、最寬的水下隧道。隧道采取圍堰明挖現(xiàn)澆的施工工藝，其中，CX-WX2敞開段全長175.5 m，縱向有坡度2.68%，共分為6段（K23+900—K24+075.5），每段之間設(shè)置1道變形縫。敞開段隧道由底板、側(cè)墻兩部分組成，主要結(jié)構(gòu)斷面形式為U形結(jié)構(gòu)（圖1）。敞開段整體采用先澆筑底板，后澆筑側(cè)墻的分步澆筑方式進(jìn)行混凝土施工，側(cè)墻高度最大超過10 m，厚度最大約1.3 m，分段長度約15 m，屬于長墻式大體積混凝土結(jié)構(gòu)，而設(shè)計(jì)要求為清水混凝土，混凝土設(shè)計(jì)等級為C40，設(shè)計(jì)使用壽命為100 a，對裂縫控制要求較高。

圖1 敞開段隧道典型斷面（mm）Fig.1 Typical section of open section of tunnel(mm)

根據(jù)長墻收縮應(yīng)力理論可知[1-3]，混凝土澆筑后，長墻因受溫度作用產(chǎn)生收縮變形，且受到底板不同步收縮的約束[4-5]，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫，裂縫多出現(xiàn)在施工縫以上，垂直于長邊，間距約1～3 m，寬度可達(dá)0.4 mm，多為貫穿裂縫。為控制側(cè)墻裂縫開展，國內(nèi)外學(xué)者展開大量研究，可總結(jié)為低溫升低收縮混凝土配制、冷卻水管通水降溫、入模溫度控制及分層分段澆筑優(yōu)化設(shè)計(jì)等多個(gè)技術(shù)措施[6-10]。實(shí)際而言，工程中采用在新澆筑混凝土中布置水管的方法來降低溫度以減少裂縫的效果并不理想。

為此，針對太湖隧道嚴(yán)格的抗裂要求，采用有限元仿真計(jì)算等方法，提出基于隧道底板、側(cè)墻和頂板的新型溫度場自平衡系統(tǒng)，通過降低上部結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫升，提高下部結(jié)構(gòu)溫度，綜合新老混凝土結(jié)合面溫度差，補(bǔ)償不同步收縮的方式來降低結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)，在施工現(xiàn)場實(shí)施應(yīng)用，并研究控裂效果。

2 新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)開發(fā)

新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)（圖2）主要包括連通系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)等。其工作原理是采用新型水管布設(shè)工藝和循環(huán)水系統(tǒng)，連通分步澆筑的混凝土，充分利用上部新澆筑混凝土自身產(chǎn)生的水化熱，經(jīng)循環(huán)水系統(tǒng)的水循環(huán)，加熱下部老混凝土，平衡不同步澆筑混凝土的溫度場，減小新老混凝土之間的綜合溫度差異，調(diào)節(jié)上下部混凝土的彈性模量差異等，大幅度縮小下部混凝土對上部混凝土的約束作用，降低了混凝土不同步收縮和溫度應(yīng)力的影響。

圖2 新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)Fig.2 Self-balancing system of temperature field of new and old concrete

2.2 有限元仿真計(jì)算

2.2.1有限元建模

按照敞開段標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸建立隧道主體結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，設(shè)計(jì)不同的溫度場自平衡系統(tǒng)方案，具體指水管間距的布設(shè)，圖3為其中一種設(shè)計(jì)方案。水管直徑取50 mm，流速取2 m/s，自澆筑混凝土覆蓋水管時(shí)進(jìn)行通水，通水周期按72 h考慮。水管對流系數(shù)取740 kJ/（m2·h·℃）。

圖3 新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)方案（mm）Fig.3 Adopted scheme of self-balancing system of temperature field of new and old concrete（mm）

采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，側(cè)墻與頂板結(jié)構(gòu)采用DC3D8單元類型，共5 043個(gè)網(wǎng)格，水管采用DC1D2單元類型，共934個(gè)網(wǎng)格。

計(jì)算時(shí)，大氣溫度取35℃，不考慮氣溫隨時(shí)間變化，墻身混凝土澆筑溫度取27.5℃，混凝土絕熱溫升取指數(shù)式，絕熱溫升取45℃，清水混凝土采用厚WISA模板，表1為具體混凝土熱學(xué)物理參數(shù)取值。

表1 混凝土熱學(xué)物理參數(shù)Table 1 Thermo-physical parameters of concrete

2.2.2水管布設(shè)采取方案

通過對不同水管布設(shè)方案的多次仿真計(jì)算，采用變間距的方案進(jìn)行側(cè)墻水管布設(shè)（圖3），即從墻體上部至下部分3層依次加密水管，第1層為1.5 m以下區(qū)域至墻體底部，水管水平方向和豎直方向間距為30 cm；第2層為高度1.5～2.5 m，水管水平方向和豎直方向間距為50 cm，第3層為2.5 m以上，只布設(shè)1根水管。底板除最下層最左側(cè)水管間距55 cm外，其他水管水平方向和豎直方向間距皆為30 cm。通水方案為蓄水池中的水通過分流器進(jìn)入入口1，抵消側(cè)墻混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫升，從出口1進(jìn)入入口2，從出口2進(jìn)入蓄水池，形成一個(gè)回路。

2.2.3仿真計(jì)算結(jié)果分析

圖4為溫度場仿真云圖，由圖4可看出，不采取布設(shè)水管的方式，左側(cè)側(cè)墻最高溫峰為57.2℃，出現(xiàn)時(shí)間為1.5 d，采用新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)的右側(cè)側(cè)墻布設(shè)水管間距80 cm、50 cm、30 cm的溫峰值分別為54.4℃、50.2℃、46.0℃，分別降低了2.8℃、7.0℃、11.2℃，內(nèi)表溫差最大約為10℃，同時(shí)底板混凝土由于側(cè)墻水管的流通加熱得到了升溫，底板與側(cè)墻結(jié)合面間溫差顯著降低，滿足控裂基本要求，可進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)施應(yīng)用，下文將溫度歷程數(shù)據(jù)與實(shí)測值進(jìn)行對比研究分析。

圖4 溫度場仿真云圖Fig.4 Simulation cloud diagram of temperature field

3 綜合溫度控制技術(shù)措施

以太湖隧道其中一段敞開段側(cè)墻結(jié)構(gòu)現(xiàn)場實(shí)施為例，對綜合溫度控制技術(shù)措施進(jìn)行描述，給出溫度、應(yīng)變、裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行研究分析。

3.1 低熱低收縮混凝土配制

利用大摻量礦物摻合料和緩凝型高效減水劑的混凝土配制技術(shù)進(jìn)行低熱、低收縮高性能混凝土的配制。采用的混凝土原材料主要包括P.O42.5低堿水泥、II級粉煤灰、S95級礦粉及緩凝型減水劑等。設(shè)計(jì)混凝土單方膠凝材料用量為400 kg/m3，粉煤灰摻量為10%，礦粉摻量為30%，水膠比為0.36，具體配合比參數(shù)見表2。

表2 混凝土配合比參數(shù)Table 2 Design mix ratio of concrete

3.2 混凝土入模溫度控制

1）混凝土原材料降溫：采用2臺(tái)冷水機(jī)（分別為5 m3/h和10 m3/h）和制冰機(jī)（加冰量60 kg/m3）降低拌合用水的溫度；使用灑水車或噴淋系統(tǒng)進(jìn)行噴水或噴霧對料倉內(nèi)的粗細(xì)骨料降溫預(yù)冷；對于水泥及其他粉狀膠凝材料，在料倉進(jìn)料管外包可循環(huán)的水管；并且在料倉搭設(shè)封閉式遮陽棚。

2）運(yùn)輸過程的降溫：采用隔熱布包裹混凝土輸運(yùn)罐車及泵管等運(yùn)輸設(shè)備，并噴灑冷水對罐體及泵管進(jìn)行降溫。

3）其他措施：在澆筑混凝土前采用澆水冷卻鋼筋、模板，進(jìn)行通風(fēng)等措施。

3.3 水管施工控制

1）按照設(shè)計(jì)方案安裝布設(shè)水管，布設(shè)時(shí)，要與鋼筋骨架或支撐桁架固定牢靠，同時(shí)要與承臺(tái)主鋼筋錯(cuò)開，當(dāng)局部管段錯(cuò)開有困難時(shí)，適當(dāng)移動(dòng)位置。

2）水管使用前進(jìn)行壓水試驗(yàn)，防止管道漏水、阻水。每層水管被混凝土覆蓋并振搗完畢，在該層水管內(nèi)通水。

3）控制冷卻系統(tǒng)進(jìn)出口水流量為1～2 m3/h，通水時(shí)間為72 h左右。

4）停止通水后，及時(shí)對水管進(jìn)行壓漿封堵。壓漿材料采用同強(qiáng)度等級的水泥砂漿，砂漿硬化后，切割或拆除混凝土結(jié)構(gòu)外部用于冷卻的所有管道和配件。

3.4 混凝土澆筑、拆模和養(yǎng)護(hù)

下午16:00點(diǎn)開始澆筑，次日凌晨06:00完成混凝土澆筑，澆筑分層厚度范圍控制在（500±50）mm。澆筑完成后，覆蓋土工布灑水，并在外層覆蓋塑料薄膜減少水分蒸發(fā)，3 d后拆模，拆模后定期灑水，頂面采用蓄水養(yǎng)護(hù)，覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)時(shí)間持續(xù)14 d。

4 裂縫控制效果分析

4.1 原材料溫度和混凝土澆筑溫度

混凝土原材料溫度見表3，使用制冰機(jī)和冷水機(jī)大幅度降低了攪拌用水的溫度，水溫測試結(jié)果為5.6℃，其他降溫措施均得到了良好的控制，混凝土出機(jī)溫度測試結(jié)果為25.4℃，澆筑溫度為27.5℃，控制效果滿足技術(shù)指標(biāo)。

表3 混凝土原材料溫度Table 3 Concrete raw material temperature℃

4.2 側(cè)墻混凝土溫度值對比分析

側(cè)墻混凝土通水降溫過程中，外置循環(huán)水池的初始水溫約為15℃，對不同水管布設(shè)層中心溫度和表層溫度進(jìn)行測試，并與仿真值進(jìn)行對比分析（表4），可知，冷卻水管間距80 cm、50 cm、30 cm的混凝土芯部最高溫度分別為54.0℃、51.3℃、46.3℃，溫峰分別出現(xiàn)在40 h、36 h、32 h，內(nèi)表最大溫差分別為7.8℃、6.6℃、3.0℃，溫峰出現(xiàn)后3 d，平均降溫速率分別為3.0℃/d、2.5℃/d、2.3℃/d，并與仿真計(jì)算值接近。表明新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)可將隧道敞開段側(cè)墻芯部溫峰值降至55℃以內(nèi)。

表4 混凝土溫度結(jié)果對比Table 4 Comparison of concrete temperature results

4.3 結(jié)合面溫差對比分析

圖5中可以看出，實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，側(cè)墻結(jié)合面處溫峰值為44.3℃，出現(xiàn)時(shí)間為32 h，底板結(jié)合面處溫峰值為40.6℃，出現(xiàn)時(shí)間為40 h，最大溫差值為5.7℃；仿真計(jì)算顯示，側(cè)墻結(jié)合面處溫峰值為45.0℃，底板結(jié)合面處溫峰值為40.7℃，出現(xiàn)時(shí)間皆為48 h，最大溫差值為4.4℃。采用新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)可將底板最大溫度升高至40℃以上，可將底板與側(cè)墻結(jié)合面兩側(cè)混凝土最大溫差降低至6℃以內(nèi)。

圖5 底板與側(cè)墻結(jié)合面溫度歷程曲線Fig.5 Duration curve of temperature at interface between bottom-slab and side-wall

4.4 應(yīng)變及裂縫測試結(jié)果分析

圖6為側(cè)墻下層與中層處的應(yīng)變歷程曲線，可知，前期由于側(cè)墻自身水化放熱產(chǎn)生膨脹變形，溫峰出現(xiàn)之后開始降溫收縮，且由于自收縮疊加產(chǎn)生收縮變形，應(yīng)變值為-108×10-6～17×10-6。工程現(xiàn)場側(cè)墻外觀質(zhì)量優(yōu)良，未發(fā)現(xiàn)裂縫產(chǎn)生，裂縫控制實(shí)施效果良好。表明采用新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)可將側(cè)墻最大收縮應(yīng)變控制在120×10-6以內(nèi)，有效抑制側(cè)墻裂縫產(chǎn)生。

圖6 側(cè)墻應(yīng)變歷程曲線Fig.6 Strain curve of side-wall

5 結(jié)語

1）采用有限元仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)了新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)，以降低溫差補(bǔ)償不同步收縮來降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。

2）采用全封閉混凝土拌合站、制冰機(jī)、冷水機(jī)等措施，形成了系統(tǒng)的混凝土入模溫度控制技術(shù)，將混凝土入模溫度控制在28℃以內(nèi)。

3）綜合溫控措施包含低熱低收縮混凝土配制、混凝土入模溫度控制、水管施工控制及混凝土澆筑拆模養(yǎng)護(hù)，可在夏季高溫35℃環(huán)境下，將側(cè)墻溫峰值降至55℃以內(nèi)，底板升溫至40℃以上，新老混凝土結(jié)合面溫差控制在6℃以內(nèi)。

4）據(jù)應(yīng)變及裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，綜合溫控措施可將側(cè)墻最大應(yīng)變控制在120×10-6以內(nèi)，且未發(fā)現(xiàn)裂縫產(chǎn)生，裂縫控制實(shí)施效果良好。