金雞湖隧道主體結(jié)構(gòu)混凝土收縮裂縫預(yù)防技術(shù)與應(yīng)用

李甫寧，付順義，高俊，張堅(jiān)，徐文，陳紅星，賀飛

[1.蘇州工業(yè)園區(qū)城市重建有限公司，江蘇 蘇州320500；2.浙江天成項(xiàng)目管理有限公司，浙江 杭州310005；3.中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，山東 泰安271000；4.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司 高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210008；5.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京211103；6.悉地（蘇州）勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司，江蘇 蘇州215101]

0 引言

蘇州金雞湖隧道主線全長5352 m，是目前國內(nèi)最長的明挖法城市湖底公軌共建現(xiàn)澆隧道，其中湖中段采用鋼板樁圍堰，三階梯放坡開挖施工，最大深度約13 m，結(jié)構(gòu)斷面寬度39.9～44.27 m，厚度1.0～1.2 m，強(qiáng)度與抗?jié)B等級C35P8，采用支架法、分步澆筑施工工藝，每67.5 m設(shè)置變形縫，分段長度約17 m。本隧道工程施工跨越四季，設(shè)計(jì)尺寸較大，防水要求高，受材料、結(jié)構(gòu)、環(huán)境、施工等耦合因素影響，混凝土易在早期就因收縮、約束等原因?qū)е聭?yīng)力集中，出現(xiàn)貫穿性開裂，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)滲透性與耐久性，甚至危及車輛通行安全[1-3]，因此控制開裂與滲漏，提升結(jié)構(gòu)剛性防水，實(shí)現(xiàn)防水與使用年限的同周期壽命是保障城市湖底隧道建設(shè)品質(zhì)的重大需求。

目前控制混凝土裂縫方法主要包括材料與施工兩方面，材料方面主要從選擇優(yōu)質(zhì)原材料，大摻量礦物摻合料優(yōu)化配合比，添加功能性外加劑如膨脹劑，減縮劑，內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料等措施降低混凝土水化放熱量與收縮[4-7]。施工方面主要從控制入模溫度、布置水管冷卻，縮短一次澆筑長度及相鄰結(jié)構(gòu)間歇差，全斷面施工等技術(shù)降低混凝土約束與溫度[8-10]。金雞湖隧道主體結(jié)構(gòu)施工有其自身特殊性，采用商品混凝土澆筑，高溫施工不具備加碎冰、風(fēng)冷骨料等控溫條件，僅能通過骨料遮陽、夜間澆筑控制混凝土入模溫度，且受工期壓力及工藝限制無法全部采用水管冷卻降溫及全斷面澆筑，降低結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)面臨巨大的挑戰(zhàn)與難度。為此，本文立足于金雞湖隧道建設(shè)實(shí)際現(xiàn)狀，從開裂定量理論評估、材料與施工防裂方法、主體結(jié)構(gòu)抗裂混凝土制備以及工程應(yīng)用和成效方面等展開研究，以期為后續(xù)施工提供參考。

1 總體思路

為根本解決金雞湖隧道主體結(jié)構(gòu)抗裂防滲難題，全面控制收縮應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度，采用經(jīng)濟(jì)合理技術(shù)措施進(jìn)行開裂預(yù)防，確?？刂七^程有據(jù)可依，根據(jù)主體結(jié)構(gòu)施工工況與特點(diǎn)，制定裂縫控制總體技術(shù)路線，如圖1所示。基于混凝土“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合抗裂性評估方法[11]，將實(shí)際材料、結(jié)構(gòu)、環(huán)境及施工等參數(shù)代入模塊進(jìn)行水化、溫濕度及變形應(yīng)力場計(jì)算，通過調(diào)整參數(shù)取值基于應(yīng)力準(zhǔn)則控制開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)≤0.7，優(yōu)化材料、工藝及溫控技術(shù)指標(biāo)，尋找與制定最優(yōu)的裂縫預(yù)防方法，即包括材料與施工措施，材料上通過原材品質(zhì)控制，采用溫控膨脹裂縫控制技術(shù)制備高抗裂混凝土，降低早期收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)，施工上通過降低一次澆筑長度，控制入模溫度，保溫保濕養(yǎng)護(hù)等進(jìn)一步提升抗裂性實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)混凝土控裂目標(biāo)。

圖1 金雞湖隧道主體結(jié)構(gòu)裂縫控制總體技術(shù)路線

2 技術(shù)方案

2.1 主體結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算與評估

基于混凝土“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合開裂風(fēng)險(xiǎn)評估理論[11]，建立金雞湖隧道主體結(jié)構(gòu)全斷面三維有限元分析模型（見圖2），仿真計(jì)算過程中，結(jié)構(gòu)混凝土施工期開裂風(fēng)險(xiǎn)以開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)η（收縮主拉應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度比值）作為評價(jià)依據(jù)[12]，具體見式（1）：

圖2 金雞湖隧道主體結(jié)構(gòu)全斷面三維網(wǎng)格模型

式中：σ（t）——t時(shí)間混凝土收縮主拉應(yīng)力，MPa；

f（t）——t時(shí)間混凝土抗拉強(qiáng)度，MPa。

開裂風(fēng)險(xiǎn)評判準(zhǔn)則：一般認(rèn)為η>1.0時(shí)混凝土一定會(huì)開裂；0.7<η≤1.0時(shí)混凝土存在較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)；η≤0.7時(shí)混凝土基本不會(huì)開裂，不開裂保證率≥95%。

經(jīng)計(jì)算，夏季高溫施工金雞湖隧道湖中主體結(jié)構(gòu)不同部位混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)部位對開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的影響

由圖3可知，施工期主體結(jié)構(gòu)混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)從小到大依次為底板、頂板與側(cè)墻，最大開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)分別為0.8、1.26與1.43，側(cè)墻與頂板結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)已超1.0，一定產(chǎn)生裂縫，而底板開裂可能性也較大。為尋求最佳、且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的解決方法，以湖中開裂風(fēng)險(xiǎn)較高側(cè)墻為例，量化評估了高溫施工時(shí)材料性能、分段長度、入模溫度等關(guān)鍵因素對側(cè)墻混凝土（厚度1.0 m）開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的影響，典型計(jì)算結(jié)果見圖4～圖6。

圖4 混凝土膨脹量對開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的影響

圖5 澆筑長度對開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的影響

圖6 入模溫度對開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的影響

由圖4～圖6可知，隨混凝土膨脹量增加、分段長度和入模溫度降低而開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)減小。當(dāng)混凝土入模溫度控制在35℃、絕熱溫升≤45℃時(shí)，即使分段長度降至12 m，開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)仍超1.0。而采用抗裂混凝土?xí)r，分段長度17 m，最大開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)在0.7附近，且隨入模溫度的降低而進(jìn)一步減小。

2.2 主體結(jié)構(gòu)防裂控制技術(shù)

2.2.1 原材料及混凝土抗裂性能指標(biāo)

根據(jù)不同結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)量化評估結(jié)果，同時(shí)結(jié)合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求以及相關(guān)國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，從提升材料抗裂性方面，提出金雞湖隧道主體結(jié)構(gòu)原材料選用要求及混凝土抗裂性能控制指標(biāo)。

水泥：硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，比表面積宜≤350 m2/kg，堿含量≤0.6%，C3A含量≤8%，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求；粉煤灰：F類Ⅱ級及以上，符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求；礦粉：S95級，比表面積宜≤450 m2/kg，符合GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》要求；砂：中河砂，Ⅱ區(qū)顆粒級配，含泥量≤3.0%，泥塊含量≤1.0%，符合GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》要求。石：5～25 mm連續(xù)級配，堆積孔隙率比≤45%，符合GB/T 14685—2011《建設(shè)用碎石卵石》要求；減水劑：收縮率比≤100%的聚羧酸高性能減水劑，符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》和GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》要求；抗裂劑：限制膨脹率符合GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》中Ⅱ型品要求，初凝后水化熱降低率1 d≥30%、7 d≤15%。

配合比：最大膠凝材料總量不超過400 kg/m3，側(cè)墻、頂板結(jié)構(gòu)宜單摻粉煤灰，底板結(jié)構(gòu)可雙摻煤灰與礦粉，摻和料總量不宜超過50%。

絕熱溫升：7 d絕熱溫升值不高于45℃，側(cè)墻混凝土初凝后24 h絕熱溫升值不大于7 d值的50%。

變形性能：側(cè)墻、頂板和底板混凝土28 d自生體積變形分別不低于0.020%、0.010%和0.005%。

2.2.2 施工控制方法

在原材料選用及混凝土抗裂性指標(biāo)提出的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)有施工經(jīng)濟(jì)性、可行性以及商品混凝土現(xiàn)有控溫條件，進(jìn)一步結(jié)合開裂風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，以抑制貫穿性開裂為設(shè)計(jì)導(dǎo)向，以控制關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)為核心，通過多種施工方案的比較與優(yōu)選，確定金雞湖隧道主體結(jié)構(gòu)施工抗裂工藝控制要求（見表1）。

表1 金雞湖隧道主體結(jié)構(gòu)施工抗裂工藝控制要求

2.3 主體結(jié)構(gòu)抗裂混凝土配合比設(shè)計(jì)及關(guān)鍵性能

優(yōu)選原材料質(zhì)量，測試關(guān)鍵品質(zhì)指標(biāo)如下。水泥：P·O42.5，比表面積363 m2/kg，礦粉：S95級，比表面積438 m2/kg，28 d活性指數(shù)114%；粉煤灰：F類Ⅱ級，比表面積398 m2/kg，需水量比96%；抗裂劑：溫控膨脹高效抗裂劑，主要由多聚糖水化溫升抑制材料[13-14]、氧化鈣與輕燒活性氧化鎂膨脹組分復(fù)配而成，匹配實(shí)體結(jié)構(gòu)溫度、收縮等性能發(fā)展；砂：細(xì)度模數(shù)2.6天然砂，含泥量1.7%、泥塊含量0.73%；碎石：5～26.5 mm連續(xù)級配潔凈碎石；減水劑：PCA高性能聚羧酸減水劑，收縮率比97%。

在符合JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》體積法設(shè)計(jì)原則上，根據(jù)商混站原材料特性，在開裂風(fēng)險(xiǎn)相對從低到高的底板、頂板及側(cè)墻中摻加4%，6%及8%的溫控膨脹抗裂劑進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化，控制混凝土溫升與收縮，經(jīng)設(shè)計(jì)金雞湖隧道主體結(jié)構(gòu)各部位配合比見表2。

表2 金雞湖隧道主體結(jié)構(gòu)底板、頂板及側(cè)墻結(jié)構(gòu)混凝土配合比 kg/m3

2.3.1 熱學(xué)性能

采用美國TA公司生產(chǎn)的TAM-AIR等溫微量熱儀，按照主體結(jié)構(gòu)混凝土配合比中膠凝材料組成進(jìn)行水化放熱試驗(yàn)，結(jié)果見圖7。

圖7 膠凝材料的水化放熱性能

由圖7可知，與基準(zhǔn)相比，摻加溫控膨脹抗裂劑不同程度地降低了早期水化放熱速率和放熱量，且放熱峰值延遲，基準(zhǔn)最大放熱速率為2.63 mW/g，當(dāng)抗裂劑摻量分別為4%、6%和8%時(shí)，最大放熱速率分別為2.08、1.50和1.02 mW/g，最大降幅可達(dá)60.1%，相應(yīng)地，1 d放熱總量降低率分別為17.6%、40.8%和58.1%，而7 d累計(jì)放熱量降低幅度最大不超7.5%?？梢姕乜嘏蛎浛沽褎┩ㄟ^對水化的干預(yù)降低早期放熱量，延長熱釋放時(shí)間，可降低主體結(jié)構(gòu)混凝土溫升與收縮應(yīng)力。

2.3.2 體積穩(wěn)定性

采用φ100 mm×400 mm的PVC管成型試件，用石蠟密封測試混凝土自由體積變形，結(jié)果見圖8。

圖8 主體結(jié)構(gòu)混凝土的自生體積變形性能

由圖8可知，對于不加抗裂劑的基準(zhǔn)混凝土，由于膠凝材料水化反應(yīng)、濕度降低等產(chǎn)生宏觀體積收縮，初期收縮速率較快，隨養(yǎng)護(hù)齡期延長，體積變形發(fā)展變慢，直至基本穩(wěn)定。28、90和150 d自由收縮分別為-110.0、-152.5、-155.4με。而對于主體結(jié)構(gòu)抗裂混凝土，因抗裂劑收縮補(bǔ)償早期產(chǎn)生明顯體積膨脹，當(dāng)抗裂劑摻量由4%提高至8%時(shí)，最大膨脹值從84.2 με增加至260.1με，后期變形值下降幅度也不斷減小，150 d補(bǔ)償自生收縮后，底板、頂板與側(cè)墻混凝土仍有1.6、144.9、239.8με膨脹變形，收縮補(bǔ)償效果良好。

依據(jù)GB/T 50082—2009《普通土凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土自由干縮變形（見圖9）。

圖9 主體結(jié)構(gòu)混凝土的干燥收縮變形

由圖9可知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，無論基準(zhǔn)還是抗裂混凝土隨齡期延長均表現(xiàn)為收縮，摻入溫控膨脹抗裂劑可顯著降低混凝土干縮變形，改善體積穩(wěn)定性，摻量增加，抑制效果越顯著，當(dāng)養(yǎng)護(hù)28 d齡期時(shí)，主體結(jié)構(gòu)底板、頂板與側(cè)墻混凝土干縮收縮降低率分別為8.5%、24.7%和46.0%，養(yǎng)護(hù)至48 d齡期時(shí)，干燥收縮降低率分別為8.2%、21.4%和42.4%，表明在主體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用抗裂混凝土可有效降低干縮裂縫風(fēng)險(xiǎn)。

3 主體結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用與效果分析

在理論評估、技術(shù)方案制定及主體結(jié)構(gòu)抗裂混凝土制備研究的基礎(chǔ)上，以金雞湖隧道中段開裂風(fēng)險(xiǎn)較高的側(cè)墻（厚度1.0 m）為例，驗(yàn)證成套技術(shù)的實(shí)用性與可靠性。澆筑前在側(cè)墻底部（距離導(dǎo)墻上表0.5 m）及中部中心位置埋設(shè)應(yīng)變計(jì)，外表面布置溫度計(jì)，采用表2中側(cè)墻混凝土配合比施工，嚴(yán)格控制入模坍落度≤200 mm，澆筑完成頂表面蓄水保溫保濕，當(dāng)中心溫度峰值過后1 d內(nèi)拆模，拆除后立即噴水潤濕（水溫不宜超實(shí)時(shí)溫差15℃）粘貼塑料膜保濕，然后懸掛2層厚土工布保溫，溫度與變形實(shí)測結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻混凝土的實(shí)測溫度歷程

圖11 主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻混凝土的實(shí)測應(yīng)變歷程

由圖10可知，混凝土經(jīng)運(yùn)輸、泵送后入模溫度約30.0℃，澆筑后水化累計(jì)放熱中心最高溫升31.0℃，外表面與底部受現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)與鋼模板散熱影響，最高溫升分別為21.1、27.3℃，中心與外表面、環(huán)境溫度最大實(shí)時(shí)差值分別為12.1、38.1℃，滿足技術(shù)方案中內(nèi)外溫差不超20.0℃要求，溫峰值出現(xiàn)時(shí)間為1.05～1.29 d，開始降溫后外表面與中心8 d平均降溫速率分別為2.73、3.85℃/d，略超方案要求，約在澆筑9 d左右內(nèi)部溫度基本穩(wěn)定。

由圖11可知，升溫期，混凝土因放熱效應(yīng)與抗裂劑膨脹產(chǎn)生顯著體積變形，變形值大小與測點(diǎn)位置、方向等約束環(huán)境緊密相關(guān)，中心厚度與長度方向最大變形分別為693.0με與249με，底部長度方向最大變形161.2με，單位溫升膨脹分別為24.84、8.98、6.8με/℃，降溫期，單位降溫收縮分別為11.22、6.73、5.31με/℃，監(jiān)測曲線無跳躍開裂點(diǎn)，經(jīng)受住進(jìn)一步降溫收縮考驗(yàn)，持續(xù)觀察跟蹤亦未出現(xiàn)貫穿性收縮裂縫，與未采取控制措施同類型、同期澆筑結(jié)構(gòu)對比，防裂效果顯著。

4 結(jié) 語

（1）考慮金雞湖隧道結(jié)構(gòu)、材料、環(huán)境與施工等影響作用因素，基于混凝土“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合機(jī)制模型進(jìn)行量化評估，以抑制貫穿裂縫為設(shè)計(jì)導(dǎo)向，通過抗裂性參數(shù)化分析與比選，采用開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)不超0.7的控制準(zhǔn)則，尋求最優(yōu)、經(jīng)濟(jì)合理的解決方法，提出材料與施工裂縫控制技術(shù)指標(biāo)與方案。

（2）采用溫控膨脹雙重調(diào)控原理對開裂風(fēng)險(xiǎn)不同的結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行抗裂混凝土專項(xiàng)設(shè)計(jì)研究，結(jié)果表明，溫控膨脹抗裂劑對早期水化影響干預(yù)可降低實(shí)體結(jié)構(gòu)溫升及收縮應(yīng)力，同時(shí)產(chǎn)生顯著的體積膨脹，降低干縮變形，實(shí)現(xiàn)全過程收縮精準(zhǔn)調(diào)控，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。

（3）將成套實(shí)用技術(shù)應(yīng)用于提升主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻抗裂施工，同時(shí)建立嚴(yán)格保障管理制度配合執(zhí)行，結(jié)果表明，中部中心最高溫升為31.0℃，表面最高溫升為21.1℃，峰值出現(xiàn)時(shí)間分別為1.29 d與1.05 d，通過溫升、降溫期間膨脹與收縮值控制，變形曲線無跳躍開裂點(diǎn)，并經(jīng)受住氣溫下降進(jìn)一步收縮考驗(yàn)，持續(xù)觀察數(shù)月未出現(xiàn)貫穿性開裂現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。