補(bǔ)償收縮混凝土在明挖暗埋隧道矩形框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

楊 濤

（浙江溫州沈海高速公路有限公司，浙江溫州 325002）

補(bǔ)償收縮混凝土在明挖暗埋隧道矩形框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

楊 濤

（浙江溫州沈海高速公路有限公司，浙江溫州 325002）

為解決矩形框架結(jié)構(gòu)的明挖暗埋隧道中混凝土結(jié)構(gòu)裂縫和滲漏水問(wèn)題，提出采用補(bǔ)償收縮混凝土來(lái)提高結(jié)構(gòu)抗裂性能的思路，介紹了補(bǔ)償收縮混凝土矩形框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形計(jì)算方法和其配合比設(shè)計(jì).對(duì)依托工程的計(jì)算結(jié)果顯示，采用補(bǔ)償收縮混凝土后，隧道結(jié)構(gòu)的彎矩減小、軸力提高、偏心矩減小，抗裂性能明顯提高.

補(bǔ)償收縮混凝土；明挖暗埋隧道；矩形框架；抗裂

公路越江隧道、城市道路和軌道交通工程等大量采用矩形框架結(jié)構(gòu)的明挖暗埋隧道，與此同時(shí)，以混凝土結(jié)構(gòu)裂縫及滲漏水為代表的病害問(wèn)題日益凸顯.一方面，明挖暗埋矩形框架結(jié)構(gòu)較之山嶺隧道拱形結(jié)構(gòu)的受力較為不利，尤其是頂板跨中彎矩小、軸向力小，呈大偏心的壓彎構(gòu)件；另一方面，由于溫度和收縮應(yīng)力作用、運(yùn)營(yíng)車輛的循環(huán)荷載作用，以及混凝土的原材料、環(huán)境、設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量等因素導(dǎo)致裂縫作為一種頑癥與隧道結(jié)構(gòu)如影隨形.研究表明［1］，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂縫屬于荷載引起的結(jié)構(gòu)性裂縫約占20％；屬于變形變化引起的非結(jié)構(gòu)性裂縫則高達(dá)80％左右，其中以收縮裂縫為主導(dǎo).盡管國(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員針對(duì)隧道裂縫這一頑癥開(kāi)展了相關(guān)的研究，包括裂縫的成因、防止措施［2］、裂縫間距和寬度計(jì)算［3］、帶裂縫的襯砌結(jié)構(gòu)安全評(píng)估［4］、跟蹤監(jiān)測(cè)［5］等，也取得了一定的成果，但是尚不能從根本上根治這一頑癥.

補(bǔ)償收縮混凝土被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)的抗裂防滲混凝土，該技術(shù)已經(jīng)在房屋建筑領(lǐng)域普及推廣，成績(jī)顯著，早在1992年建設(shè)部就頒布了《UEA補(bǔ)償收縮混凝土防水工法》（YJGF22-92）［6］.例如北京亞運(yùn)會(huì)奧林匹克體育中心田徑場(chǎng)看臺(tái)和高架平臺(tái)，約3萬(wàn)多平方米，由于采用UEA防水混凝土經(jīng)20年考驗(yàn)無(wú)滲水；2008年北京奧運(yùn)會(huì)的國(guó)家體育場(chǎng)、國(guó)家游泳中心、北京奧林匹克公園國(guó)家會(huì)議中心、中心區(qū)地下交通聯(lián)系通道和中國(guó)科學(xué)技術(shù)新館等奧運(yùn)工程地下結(jié)構(gòu)都采用了補(bǔ)償收縮混凝土［7］.補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)在房屋建筑領(lǐng)域的成功應(yīng)用，為該技術(shù)在交通隧道領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和有益借鑒.

利用隧道結(jié)構(gòu)周邊良好的約束條件以及補(bǔ)償收縮混凝土能增加結(jié)構(gòu)自應(yīng)力的性能特點(diǎn)，本文以浙江省寧?？hG228國(guó)道西店灣明挖暗埋隧道為研究背景，提出在明挖暗埋隧道中采用補(bǔ)償收縮混凝土來(lái)提高結(jié)構(gòu)抗裂性能的思路.研究采用荷載-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行明挖暗埋隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)考慮限制膨脹率的方法，通過(guò)定量分析四車道隧道矩形框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力，驗(yàn)證補(bǔ)償收縮混凝土的結(jié)構(gòu)抗裂性能.最后，從施工技術(shù)角度介紹補(bǔ)償收縮混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法.

1 補(bǔ)償收縮混凝土矩形框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法

混凝土在硬化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生自收縮、溫差收縮和干縮，在鋼筋等限制下便產(chǎn)生收縮拉應(yīng)力，當(dāng)其超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂.補(bǔ)償收縮混凝土在硬化過(guò)程產(chǎn)生適度體積膨脹，在鋼筋等限制下，膨脹使鋼筋受拉，反過(guò)來(lái)混凝土受壓，稱之自應(yīng)力.根據(jù)美國(guó)和日本有關(guān)規(guī)范以及我國(guó)的研究［7-8］，這一自應(yīng)力范圍為0.2 - 1.0 MPa，這是補(bǔ)償收縮混凝土的基本特征.

1.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算方法及彈性抗力的考慮

明挖暗埋法建造的隧道通常應(yīng)采用考慮地層抗性抗力的荷載-結(jié)構(gòu)法計(jì)算.所謂地層抗力，即隧道因其變形受到地層約束而產(chǎn)生的一種被動(dòng)荷載，是地層對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的反作用力.所謂荷載-結(jié)構(gòu)法，即認(rèn)為隧道回填后地層的作用主要是對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載，隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)能安全可靠地承受覆土、地面超載等荷載的作用.采用荷載-結(jié)構(gòu)法計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形時(shí)，應(yīng)通過(guò)考慮彈性抗力來(lái)體現(xiàn)地層、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形的約束作用.

彈性抗力的大小及分布，對(duì)回填密實(shí)的側(cè)墻、底板構(gòu)件可采用局部變形理論，按下式計(jì)算確定.

式中σ表示彈性抗力的強(qiáng)度；k表示地層彈性抗力系數(shù)，即基床系數(shù)，以本隧道為例，根據(jù)地勘報(bào)告其地層彈性抗力系數(shù)k取30 MPa/m；δ表示隧道朝向地層變形值，由于隧道結(jié)構(gòu)與周邊土體之間不可能產(chǎn)生拉應(yīng)力，因此當(dāng)變形朝向隧道時(shí)取為零.

荷載-結(jié)構(gòu)法的計(jì)算步驟為：

1）根據(jù)隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以按照平面應(yīng)變問(wèn)題截取單位寬度（1 m）的結(jié)構(gòu)，然后采用梁?jiǎn)卧⒔Y(jié)構(gòu)構(gòu)件模型，賦予材料、截面等參數(shù)；

2）根據(jù)隧道的變形特征，可以認(rèn)為地層抗力只存在與側(cè)墻和底板，于是在側(cè)墻及底板處添加只能承受壓力的彈簧用以模擬地層彈性抗力；

3）根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)在生命周期中可能出現(xiàn)的荷載情況施加荷載并定義荷載組合，然后進(jìn)入后臺(tái)計(jì)算過(guò)程；

4）在軟件圖形平臺(tái)中查看各種內(nèi)力及變形計(jì)算結(jié)果，具體可采用Sap 84、Midas Civil等通用結(jié)構(gòu)分析軟件.

1.2 補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率的考慮

盡管《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T178-2009）［8］中沒(méi)有對(duì)交通隧道結(jié)構(gòu)采用補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率提出要求，但是隧道襯砌結(jié)構(gòu)與墻體的受力特征相似，因此可以參照規(guī)程中對(duì)墻體結(jié)構(gòu)的限制膨脹率的要求取值，即取為0.02％.當(dāng)采用荷載-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置溫升荷載的方式來(lái)等效模擬限制膨脹率的作用.

以依托隧道為例，其頂板厚度為80 cm、側(cè)墻厚度為90 cm、底板厚度100 cm，水平主筋按經(jīng)濟(jì)配筋率1.0％配筋，與限制膨脹率測(cè)定試件的配筋率0.785％接近，因此，可以按照0.02％的限制膨脹率來(lái)設(shè)定溫度荷載.另一方面，混凝土的熱膨脹系數(shù)為0.001％，0.02％的限制膨脹率即等效于施加20度的溫度荷載.

1.3 依托隧道計(jì)算結(jié)果

浙江省寧?？hG228國(guó)道西店灣明挖隧道為四車道一級(jí)公路隧道，幾何線形與凈空按80 km/h設(shè)計(jì)，斷面采用兩孔一管廊的形式，為了改善頂板的受力，兩側(cè)采用折板方式，行車管廊的總基本寬度為10.25 m，行車道限界凈高為5.0 m.

按照上述計(jì)算原理，在微機(jī)結(jié)構(gòu)分析通用程序Sap 84中建立了荷載-結(jié)構(gòu)法計(jì)算模型（圖1），并按照桿系有限元原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，地層彈簧單元采用迭代法作變形控制分析，以判斷出抗力區(qū)的確切范圍.

以頂板為例，算得的跨中軸力凈增加值為151 kN，即壓應(yīng)力增加0.216 MPa，跨中負(fù)彎矩約58 kN·m，拱肩負(fù)彎矩約136 kN·m，側(cè)墻彎矩約177 kN·m（圖2）.

在不采用補(bǔ)償收縮混凝土?xí)r，頂板跨中所受彎矩為643 kN·m，軸力為236 kN（圖3），偏心距為2 725 mm，為大偏心構(gòu)件，頂板底部需配置11根Φ22（HRB335）才能滿足裂縫寬度不大于0.20 mm的要求.

若采用補(bǔ)償收縮混凝土?xí)r，其頂板跨中彎矩減小為585 kN·m，軸力增加為386 kN（圖4），偏心距減小為1 516 mm，若維持環(huán)向配筋率不變，此時(shí)裂縫寬度計(jì)算值僅0.11 mm；若按0.20 mm的裂縫控制寬度，則每延米所需Φ22（HRB335）鋼筋減少為9根，配筋率可減少18％.

同時(shí)，頂板負(fù)彎矩區(qū)、側(cè)墻、底板的受力都有不同程度的改善，當(dāng)維持普通混凝土結(jié)構(gòu)相同的配筋率時(shí)，可以明顯地改善結(jié)構(gòu)的抗裂性能.

圖1 隧道平面計(jì)算模型

圖2 補(bǔ)償收縮混凝土結(jié)構(gòu)軸力和彎矩凈增加值（軸力單位kN， 彎矩單位kN·m）

圖3 采用普通混凝土的典型斷面軸力和彎矩值（軸力單位kN， 彎矩單位kN·m）

圖4 采用補(bǔ)償收縮混凝土的典型斷面軸力和彎矩值（軸力單位kN， 彎矩單位kN·m）

2 補(bǔ)償收縮混凝土的配合比設(shè)計(jì)

補(bǔ)充收縮混凝土的性能指標(biāo)通過(guò)混凝土的配合比來(lái)實(shí)現(xiàn).目前常用的膨脹劑有硫鋁酸鈣類、硫鋁酸鈣-氧化鈣和氧化鈣類三類，應(yīng)用較多的有鋁酸鈣類的CSA硫膨脹劑、UEA膨脹劑，硫鋁酸鈣-氧化鈣類的HCSA高性能混凝土膨脹劑，以及以HCSA為主要成分并摻加塑性膨脹組分、防滲減縮組分的HEA膨脹劑.其中UEA膨脹劑不含鈉鹽，不會(huì)引起混凝土的堿骨料反應(yīng)，膨脹性能穩(wěn)定，強(qiáng)度持續(xù)上升，故其應(yīng)用最為成熟.

在依托隧道中，摻加UEA膨脹劑配置補(bǔ)償收縮矩形隧道結(jié)構(gòu)混凝土，其配合比試驗(yàn)方案流程如下：

為水泥28 d實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度，標(biāo)號(hào)425的水泥取為42.5 MPa；

3）根據(jù)坍落度、碎石最大粒徑及減水劑減水率選取用水量0wm為175 kg；

5）確定砂率為βs=44％；

6）采用絕對(duì)體積法計(jì)算砂、石用量；

7）摻粉煤灰、礦渣、膨脹劑后水泥用量：mc0=mb0［1-0.1（礦渣替換量）-0.2（粉煤灰替換量）-0.1（膨脹劑摻量）］；

8）S95級(jí)高爐?；V渣用量（等量取代10％）：mz=mb0×0.1；

9）Ⅱ級(jí)低鈣粉煤灰（F類）用量（等量取代20％）：mf=mb0×0.2；

10）UEA膨脹劑用量（等量取代10％）：mp=mb0×0.1；

11）減水劑用量（摻量為膠凝材料1.0％）.

根據(jù)配合比試驗(yàn)，確定隧道結(jié)構(gòu)C40補(bǔ)償收縮混凝土的基準(zhǔn)配合比如表1所示，實(shí)測(cè)的混凝土坍落度為135 mm，表觀密度為2 378 kg/m3.

表1 隧道結(jié)構(gòu)C40補(bǔ)償收縮混凝土基準(zhǔn)配合比

3 結(jié) 語(yǔ)

隧道結(jié)構(gòu)裂縫是目前隧道結(jié)構(gòu)中的最為普遍的病害，不僅關(guān)系到混凝土結(jié)構(gòu)的外觀，也嚴(yán)重影響到結(jié)構(gòu)的安全性.考慮到隧道結(jié)構(gòu)周邊地層尤其是圍護(hù)結(jié)構(gòu)能提供良好的周邊約束條件，采用補(bǔ)償收縮混凝土來(lái)增加大跨度明挖暗埋隧道結(jié)構(gòu)自應(yīng)力從而提高抗裂性能的措施.

補(bǔ)償收縮混凝土的隧道矩形結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形計(jì)算可以采用荷載-結(jié)構(gòu)法，并通過(guò)布置只壓彈簧的方式來(lái)考慮地層和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性抗力；根據(jù)限制膨脹率與熱膨脹系數(shù)之間的關(guān)系，通過(guò)設(shè)置溫度荷載來(lái)考慮混凝土膨脹效果.

通過(guò)對(duì)依托隧道的計(jì)算分析，定量獲得了四車道明挖暗埋隧道矩形框架的內(nèi)應(yīng)力.結(jié)果顯示，采用補(bǔ)償收縮混凝土后，隧道結(jié)構(gòu)的彎矩減小、軸力提高、偏心矩減小，抗裂性能明顯提高.

補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)在明挖暗埋法隧道矩形框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用實(shí)踐為改善隧道結(jié)構(gòu)裂縫這一頑癥提供了解決思路，可以為其它類似隧道提供有益的借鑒.

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The Study on the Application of Expansive Concrete in the Rectangular Frame Structure of Cut and Cover Tunnel

YANG Tao
（Wenzhou Shenyang-Haikou Expressway Co. Ltd.， Wenzhou， China 325002）

To solve the problems of concrete structure crack and leakage in rectangular frame structure of cut and cover tunnel， the idea to improve the anti-cracking ability in structure by means of shrinkage compensating concrete technology is adopted. Then， the structure internal force and deformation calculation method for shrinkage compensating concrete rectangular frame and the design of mixture ratio are introduced. The support construction calculation results show that the bending moment of tunnel structure is decreased，the axial force is enhanced， the eccentricity is minimized and the anti-crack property is obviously improved by the application of shrinkage compensating concrete.

Shrinkage Compensating Concrete； Cut and Cover Tunnel； Rectangular Frame； Anti-crack

TU92

A

1674-3563（2016）03-0049-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2016.03.008 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

（編輯：封毅）

2016-01-30

浙江省交通運(yùn)輸廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（201603）；溫州市公益性科技計(jì)劃項(xiàng)目（G20140038）

楊濤（1977- ），男，博士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：公路橋梁和隧道病害處治及養(yǎng)護(hù)技術(shù)