沉管隧道工程混凝土裂縫控制技術(shù)

孫 斌， 鄧家勝， 廖 惠， 劉言峰

(1.上海海科工程咨詢有限公司，上海 200231； 2.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東廣州 510000；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

沉管隧道工程混凝土裂縫控制技術(shù)

孫 斌1， 鄧家勝2， 廖 惠3， 劉言峰3

(1.上海?？乒こ套稍冇邢薰?，上海 200231； 2.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東廣州 510000；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

文章以佛山市汾江路南延線沉管隧道混凝土工程為背景，對混凝土裂縫控制技術(shù)進行研究，通過合理設(shè)置混凝土配合比、改善混凝土澆筑和養(yǎng)護工藝、監(jiān)測混凝土溫度等措施有效地控制了裂縫的產(chǎn)生，提高了混凝土抗?jié)B性能，保證裂縫滿足設(shè)計要求。

沉管隧道； 大體積混凝土； 裂縫控制

沉管隧道將陸上交通和水上交通結(jié)合在一起，以其獨有的優(yōu)勢滿足了日益發(fā)展的交通需求。自第一條沉管隧道建成至今有百余年，沉管隧道技術(shù)飛速發(fā)展，不斷取得突破，在我國寧波、上海、廣州等地修建了多條沉管隧道[1]。沉管隧道采用預(yù)制管段，將若干預(yù)制管段浮運到現(xiàn)場，一個接一個沉放安裝，形成工程主體。預(yù)制沉管段屬于超大體積混凝土構(gòu)件，造成其產(chǎn)生裂縫的因素是多方面的，例如沉管的管型及尺寸、相鄰混凝土的約束作用、混凝土早期抗裂性能及體積穩(wěn)定性、水化熱及溫度控制等。有害裂縫讓沉管管段的抗?jié)B性能降低，影響混凝土工作性能，因此裂縫控制技術(shù)是沉管隧道是否成功的關(guān)鍵。

佛山市汾江路南延線沉管隧道工程單節(jié)預(yù)制管段最大長度為 115 m，屬于超長大體積混凝土構(gòu)件，通過室內(nèi)綜合性能測試優(yōu)選出混凝土施工配合、采用水養(yǎng)護和密封養(yǎng)護手段讓水泥充分水化、對沉管內(nèi)部的溫度應(yīng)力變化情況進行監(jiān)測，確保沉管內(nèi)部不出現(xiàn)過大溫度及應(yīng)力、對產(chǎn)生的裂縫后采取有針對性的修補等關(guān)鍵技術(shù)控制裂縫，提高沉管段的抗裂性及抗?jié)B性。

1 沉管隧道混凝土配合比

沉管結(jié)構(gòu)屬于大體積混凝土構(gòu)件，在管段的制作、運輸、安裝過程中容易出現(xiàn)裂縫，因此混凝土裂縫需要重點關(guān)注和控制?？碧浇Y(jié)果表明本工程所處的環(huán)境為I-C環(huán)境，氯離子、硫酸鹽濃度較低，屬于普通干濕交替環(huán)境，因此采用高性能的混凝土原材料及高抗裂性配合比用于該工程施工。通過理論分析和系列實驗對配合比進行了研究，確定控制混凝土產(chǎn)生裂縫的配合比，使其滿足設(shè)計、施工工藝要求。

1.1 沉管混凝土配合比設(shè)計原則

1.1.1 基本性能參數(shù)

混凝土的基本性能參數(shù)：抗?jié)B等級P10，強度等級C40，容重2.34～2.36 t/m3，塌落度為120～160 mm。

1.1.2 高性能要求

(1)采用級配良好的集料，避免使用不利于混凝土抗裂性能、耐久性能以及不利于降低混凝土溫升的原材料；

(2)采用低水化熱水泥并控制其用量，使用大摻量優(yōu)質(zhì)粉煤灰、磨細礦渣粉等礦物摻合料， 可以降低混凝土產(chǎn)生水化熱，提高其抗氯離子滲透性。

(3)加入高效減水劑，延緩初凝時間，將水灰比控制在0.45下，增強混凝土自防水能力。

1.2 沉管混凝土配合比

1.2.1 沉管主體混凝土推薦配合比

通過對多組混凝土配合比進行工作性能、力學(xué)性能、耐久性能的綜合比較，最終采用膠凝材料體系水化放熱總量較低的配合比，混凝土抗壓強度介于55～63 MPa之間，混凝土工作性能均滿足要求。推薦沉管主體混凝土采用表1的配合比。

1.2.2 后澆帶混凝土推薦配合比

后澆帶混凝土強度等級應(yīng)高于兩側(cè)混凝土一個等級，且應(yīng)采用摻膨脹劑的補償收縮混凝土澆筑，水中養(yǎng)護14 d后的限制膨脹率不應(yīng)小于0.015 %。后澆帶混凝土推薦配合比見表2。

2 改善混凝土澆筑和養(yǎng)護工藝

2.1 混凝土澆筑

為保證混凝土澆筑質(zhì)量，在澆筑過程中控制下料高度不大于2 m；管段混凝土采取分層澆筑的方式，每層澆筑高度小于30 cm，澆筑時間間隔不超過初凝時間；采用加長型插入式振搗棒，分層分區(qū)振搗，要求振搗時做到“不碰模板、不碰鋼筋、不碰預(yù)埋件”。

2.2 混凝土養(yǎng)護

澆筑完混凝土底板及頂板，完成收水后，覆蓋土工布澆水保濕養(yǎng)護，待混凝土終凝之后，在板表面蓄水養(yǎng)護[2]；中隔墻在拆模后覆蓋土工布噴水養(yǎng)護；在工期允許的情況下，推遲外隔墻的拆模時間，拆模后繼續(xù)保濕保溫養(yǎng)護；內(nèi)模拆除后，封閉管段阻止空氣流通，減少內(nèi)孔水分散失，保持管內(nèi)相對濕度大于85 %以上[3]。

2.3 控制基礎(chǔ)及模板支架

對管段預(yù)制場的基礎(chǔ)進行處理，滿足地基承載力的要求，避免地基不均勻沉降引起裂縫。沉管模板經(jīng)過專家論證滿足設(shè)計要求，嚴格控制模板及支架的安裝精度，確保管段的制作精度，保證模板支架具有足夠的剛度、強度及穩(wěn)定性[4]。

3 混凝土溫度監(jiān)控

溫度應(yīng)力是造成大體積混凝土開裂的主要原因之一。水泥水化過程釋放大量水化熱導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的溫度上升，引起混凝土膨脹(或收縮)變形，混凝土結(jié)構(gòu)受到約束會產(chǎn)生拉應(yīng)力，若該拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度，則會產(chǎn)生溫度裂縫。因此控制溫度裂縫是預(yù)制混凝土沉管段關(guān)鍵技術(shù)之一。對兩節(jié)以上長16 m的標(biāo)準節(jié)段開展溫度及應(yīng)力監(jiān)測，關(guān)注澆筑塊內(nèi)部的溫度變化，從而確定合理的養(yǎng)護措施，確保工程質(zhì)量。

3.1 傳感器布置

利用MIDAS/Civil軟件完成該結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力等指標(biāo)的有限元分析，提取了溫度、應(yīng)力較大的部位，結(jié)合沉管段的對稱性，在長16 m標(biāo)準節(jié)段縱向1/2剖面及A-A剖面上布置溫度及應(yīng)力傳感器， 31個應(yīng)力傳感器。

3.1.1 溫度傳感器布置

溫度傳感器全部布置在縱向1/2剖面上，總共布置13個。其中底板溫度傳感器布置于電纜廊道下面中心點及表面點，下倒角內(nèi)側(cè)面、中心、外側(cè)面共5點；頂溫度傳感器布置于電纜廊道上面中心點及表面點，右上倒角中心、外側(cè)點，澆筑界面共5點；另空氣中布置3個傳感器，界面點布置于距離界面50 mm處。溫度傳感器布置見圖1。

3.1.2 應(yīng)力傳感器布置

縱向1/2剖面上共布置26個應(yīng)力傳感器，傳感器的布置方向應(yīng)與主拉應(yīng)力方向一致。頂板和底板傳感器的方向為沉管橫截面水平方向(以下簡稱橫向)，側(cè)墻傳感器的方向為沉管軸線方向(以下簡稱縱向)，倒角處的傳感器方向與倒角平行。表面點的應(yīng)力傳感器布置于距離表面50 mm處。應(yīng)力傳感器布置圖見圖2、圖3。

A-A剖面共布置9個縱向應(yīng)力傳感器，縱向每隔1.5 m布置一個縱向傳感器，在澆筑界面處共布置6個傳感器，右墻內(nèi)側(cè)面布置4個縱向傳感器。

3.2 監(jiān)測頻率

各層傳感器固定以后，需將電纜連接到相應(yīng)的采集器上，實時監(jiān)測環(huán)境溫度、混凝土表面溫度、混凝土內(nèi)部溫度變化。澆筑3 d內(nèi)，采集數(shù)據(jù)的頻率為0.5 h一次；第4 d至7 d齡期，采集數(shù)據(jù)頻率為1 h一次；第8 d至14 d，采集數(shù)據(jù)頻率為3 h一次。根據(jù)實時的監(jiān)測結(jié)果，及時調(diào)整養(yǎng)護制度，嚴格控制混凝土的芯部與表層之間的溫差不超過20℃，直至混凝土強度達到設(shè)計要求為止。澆筑后90 d內(nèi)應(yīng)監(jiān)測應(yīng)力變化情況。5 d內(nèi)，每1 h采集一次數(shù)據(jù)；第6～14 d，每3 h采集一次數(shù)據(jù)；第14～30 d，每6 h采集一次數(shù)據(jù);第30～90 d，每24 h采集一次數(shù)據(jù)。

3.3 溫度控制標(biāo)準

沉管預(yù)制不同階段混凝土溫度控制指標(biāo)應(yīng)符合下列要求：

(1)混凝土攪拌生產(chǎn)階段，混凝土出機溫度控制標(biāo)準:高溫季節(jié)≤28℃；低溫季節(jié)≤23℃。

(2)混凝土澆筑階段，混凝土澆筑溫度控制標(biāo)準：高溫季節(jié)≤30℃；低溫季節(jié)≤25℃。

(3)養(yǎng)護階段，混凝土溫度控制標(biāo)準見表3。

(4)高溫季節(jié)是溫度控制的重點，應(yīng)加強原材料攪拌前溫度的監(jiān)測和控制，各種混凝土原材料進場前及攪拌前的溫度控制指標(biāo)見表4。

3.4 預(yù)控措施

(1)混凝土內(nèi)部最高溫度超過要求，采取鋪設(shè)冷卻水管、降低混凝土澆筑溫度等措施。

(2)混凝土內(nèi)表溫差、表面與環(huán)境溫差、降溫速率等指標(biāo)過大，采取保溫措施。

(3)混凝土在0～14 d內(nèi)出現(xiàn)的應(yīng)力，通常與混凝土的溫度相關(guān)，分析溫度監(jiān)控信息后采取相應(yīng)的措施。在14 d后出現(xiàn)的應(yīng)力，一般與混凝土內(nèi)部的約束及混凝土的收縮有關(guān)。對有限元模型進行分析得知，14 d后容易在頂板分層澆筑界面處出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，應(yīng)考慮以下措施：將分層澆筑的時間間隔縮短至15 d；將底板側(cè)墻的養(yǎng)護時間延長至拆除頂板側(cè)墻養(yǎng)護措施時，減小底板和頂板收縮不同步導(dǎo)致的約束應(yīng)力；必要時可在頂板混凝土中摻入減縮劑，減少頂板的收縮量；必要時可在分層澆筑的界面設(shè)置兩層油氈夾滑石粉或二油一氈等滑動層體系，同時做好界面的防水措施。

4 管段裂縫檢測及修補

雖然采取了一系列裂縫控制措施，但是管段裂縫是不可避免的，出現(xiàn)裂縫后，檢測裂縫的寬度，裂縫發(fā)展情況以及變形等情況，結(jié)合各方面因素查找出開裂的原因，正確判斷其危害程度，采取有針對性的補救措施。

4.1 裂縫檢測

檢測混凝土裂縫的方法有：直接和間接觀察法、無損檢測法以及取芯測試法。檢測方法及控制標(biāo)準見表5。

4.2 裂縫修補方法

(1)表面封閉法：利用裂縫的毛細作用吸收低黏度且滲透性良好的修補膠液，封閉裂縫通道，此方法適用于寬度w≤0.2 mm的微細獨立裂縫和網(wǎng)狀裂縫。

(2)注射法：先將裂縫周邊進行密封，采用低黏度、高強度的裂縫補膠液，借助一定的壓力將其注入裂縫腔內(nèi)。此方法適用于0.1 mm≤w≤1.5 mm靜止的獨立裂縫、貫穿性裂縫。

(3)壓力注漿法：利用較高壓力快速將注漿料壓入裂縫腔內(nèi)，此法適用于大體積混凝土貫穿性裂縫、嚴重蜂窩狀及深而蜿蜒的裂縫。

(4)填充密封法：在構(gòu)件表面沿裂縫走向騎縫鑿出槽深和槽寬分別不小于20 mm和15 mm的U形溝槽，然后用改性環(huán)氧樹脂或彈性填縫材料充填，并粘貼纖維復(fù)合材以封閉其表面，此法適用于處理w>0.5 mm的裂縫[7]。

5 結(jié)論

沉管隧道裂縫控制技術(shù)可總結(jié)如下：

(1)選擇合理的混凝土配合比，降低超大體積混凝土水化產(chǎn)生的熱量，提高結(jié)構(gòu)的抗裂性。

(2)改善混凝土的澆筑和養(yǎng)護技術(shù)使水泥充分水化，采用分段分層澆筑有利于熱量散發(fā)，提高混凝土施工質(zhì)量，控制裂縫產(chǎn)生。

(3)監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫度，降低混凝土內(nèi)外溫差，減小熱量引起溫度膨脹(或收縮)變形，減少溫度裂縫的產(chǎn)生。

(4)混凝土結(jié)構(gòu)不可避免會產(chǎn)生裂縫，對產(chǎn)生的裂縫采取補救性措施，保證結(jié)構(gòu)耐久性。

[1] 梁懋天.佛山市汾江路南延線沉管隧道關(guān)鍵施工技術(shù)研究[D].廣州:華南理工大學(xué)，2013.

[2] 梅甫良，曾德順.沉管隧道管段預(yù)制時裂縫控制研究[J].低溫建筑技術(shù)，2004(1)：81-82.

[3] 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.

[4] 陳洪彬.房屋建筑工程中模板施工技術(shù)研究[J].建材與裝飾，2014(11)：91-92

[5] 熊英.結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量事故的分析和處理[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.

[6] 程曉明，吳鴻軍.沉管隧道混凝土施工關(guān)鍵技術(shù)探討——混凝土配合比設(shè)計[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008，45(2)：28-32.

[7] 張明雷，李進輝，劉可心.大體積混凝土現(xiàn)場溫控措施比較分析[J].施工技術(shù)，2013，42(增刊)：168-171.

[8] 丁齊國，李東海.地下結(jié)構(gòu)混凝土裂縫防治技術(shù)的探討[J].建筑施工，2012(1):44-46.

[9] 張易謙,楊國祥,李侃.大型沉管隧道混凝土裂縫控制技術(shù)[J].中國市政工程，2003(2)：19-24.

孫斌(1971～)，男，碩士，高級工程師，研究方向為結(jié)構(gòu)工程。

TU755.6+7

B

[定稿日期]2017-04-16