江陰靖江長江隧道工作井側(cè)墻抗裂防滲研究與應(yīng)用

王 峻， 李 明， 王育江， 田 倩， 李世龍， 李 敏

(1. 江蘇省交通工程建設(shè)局， 江蘇 南京 210004； 2. 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實驗室， 江蘇 南京 210008； 3. 東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 211189； 4. 中鐵十四局集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)南 250101； 5. 中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司， 江蘇 南京 211800 )

0 引言

近年來，隨著“一帶一路”倡議、“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略的實施，我國水下隧道建設(shè)規(guī)模發(fā)展迅速。據(jù)統(tǒng)計，2001—2020年開工了231條水下隧道，主要穿越黃浦江、珠江和長江，采用的施工方法主要為盾構(gòu)法[1]。因此，采用盾構(gòu)法施工的水下隧道已成為跨越江河湖海的重要選擇。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人們對交通出行的需求以及核心裝備的研發(fā)，盾構(gòu)隧道的直徑也越來越大[2]，僅2020年國內(nèi)開工建設(shè)的直徑超過15 m的盾構(gòu)隧道就達(dá)到了5條。用于盾構(gòu)始發(fā)、接收以及人機(jī)料交換節(jié)點的工作井是盾構(gòu)隧道的重要組成部分，對于超大直徑盾構(gòu)隧道，其工作井具有結(jié)構(gòu)尺寸大、基坑挖深大以及工況復(fù)雜的特點，使得工程建設(shè)面臨極大的挑戰(zhàn)。

對同類工程工作井側(cè)墻以及類似現(xiàn)澆側(cè)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行的工程調(diào)研結(jié)果表明，這種現(xiàn)澆側(cè)墻結(jié)構(gòu)極易在施工期就出現(xiàn)貫穿性收縮裂縫而引起滲水[3-4]。與此同時，工作井側(cè)墻處于上下層先澆筑的環(huán)框梁或環(huán)框梁與工作井底板之間，相當(dāng)于在密閉空間內(nèi)澆筑側(cè)墻混凝土，混凝土澆筑時布料與振搗困難，側(cè)墻頂部的新老混凝土界面容易因不密實而出現(xiàn)滲水。上述收縮開裂以及新老混凝土結(jié)合不密實引起的滲漏已成為盾構(gòu)隧道工作井的質(zhì)量通病。對于超大直徑盾構(gòu)隧道，由于其結(jié)構(gòu)尺寸較大，工況條件復(fù)雜，通常采取豎向分層、環(huán)向不分段一次性澆筑的施工工藝，但這種分步澆筑的超長、大體積混凝土本身開裂風(fēng)險很高，施工難度大，滲漏水問題也尤為突出。

為解決混凝土收縮開裂問題，從材料角度可采取的措施包括原材料優(yōu)選、配合比優(yōu)化、摻加抗裂性提升功能材料等[5-7]； 從工藝角度可采取的措施包括降低入模溫度、減少分段長度、設(shè)置冷卻水管等[8-10]。這些措施在城市軌道交通工程(地下車站、現(xiàn)澆隧道、橋梁等)中得到了應(yīng)用，混凝土配合比設(shè)計時通常采取低膠凝材料用量的思路，即在保證順利施工的前提下盡可能減少混凝土中的漿體量。為解決混凝土振搗困難、不密實的問題，可采用自密實混凝土施工，相關(guān)技術(shù)已在鋼管拱橋、鋼殼沉管等工程中得到了應(yīng)用。為了提高混凝土的流動性與填充性，這類混凝土膠凝材料用量較高[11-13]。

從混凝土材料角度可以看出，裂縫控制與密實填充存在著一定的矛盾，因此，非常有必要提出自密實與抗裂性能協(xié)同的混凝土制備及應(yīng)用技術(shù)，以解決因混凝土不密實及收縮開裂導(dǎo)致工作井側(cè)墻的滲漏問題。

1 工程概況

江陰靖江長江隧道位于江陰大橋和泰州大橋之間，路線全長約11.825 km，隧道全長約6 445 m，盾構(gòu)段管片外徑達(dá)15.5 m，最大埋深達(dá)53 m，最大水頭82 m，是國內(nèi)在建直徑最大、水壓最高的水下隧道，是長度排名第二的長江隧道，入選了交通運(yùn)輸部第一批“平安百年品質(zhì)工程”創(chuàng)建示范項目。該工程始發(fā)工作井側(cè)墻混凝土強(qiáng)度等級為C40，結(jié)構(gòu)平面尺寸為28 m×53.6 m，厚1.5 m，基坑深29.4 m，環(huán)框梁厚1.2～1.8 m，工作井側(cè)墻自下至上分4層，單層側(cè)墻最大高度為6.15 m，其中第1層側(cè)墻位于工作井底板與環(huán)框梁之間，其余側(cè)墻位于上下層環(huán)框梁之間。由于每層側(cè)墻都是一次性澆筑完成的，受預(yù)留洞口影響，第1至3層側(cè)墻單邊最大長度為28 m，第4層側(cè)墻單邊最大長度為53.6 m，且累計長度達(dá)120 m，混凝土開裂風(fēng)險高，如圖1所示。盡管在環(huán)框梁上預(yù)留了澆筑孔和振搗孔(兼做排氣孔)，但在密封空間內(nèi)澆筑超長大體積混凝土施工相當(dāng)于“盲澆盲振”，施工難度大，混凝土的收縮開裂及澆筑不密實均會引起滲漏水問題，因此，本工程工作井側(cè)墻對混凝土自密實與抗裂性能均有較高要求。

圖1 始發(fā)工作井結(jié)構(gòu)示意圖(單位： m)

2 混凝土開裂風(fēng)險評估與設(shè)計

2.1 開裂風(fēng)險評估方法

采用基于“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合機(jī)制的抗裂性評估理論與方法[14-15]，定義混凝土開裂風(fēng)險計算公式如下：

式中：η為開裂風(fēng)險系數(shù)；σ(t)為t時刻的混凝土最大拉應(yīng)力，MPa；ft(t)為t時刻的混凝土抗拉強(qiáng)度，MPa。

當(dāng)η>1.0時，混凝土一定會開裂； 當(dāng)0.70<η≤1.0時，混凝土存在較大的開裂風(fēng)險； 當(dāng)η≤0.70時，混凝土不開裂保證率≥95%[16]。對結(jié)構(gòu)特征、環(huán)境參數(shù)、混凝土材料及施工工藝等因此進(jìn)行評估，當(dāng)計算出的開裂風(fēng)險系數(shù)大于0.70時，由于結(jié)構(gòu)特征及環(huán)境參數(shù)無法改變，可通過調(diào)整混凝土材料參數(shù)(如絕熱溫升和變形)以及施工工藝(如入模溫度、分段澆筑長度等參數(shù))將開裂風(fēng)險系數(shù)控制在0.70以下，并基于可實施性和經(jīng)濟(jì)性，提出裂縫控制指標(biāo)與方案，如圖2所示。

圖2 混凝土開裂風(fēng)險評估與設(shè)計

2.2 主要參數(shù)及工況條件

根據(jù)工作井施工計劃，評估炎熱氣候施工時工作井第1—4層28 m段側(cè)墻以及第4層53.6 m段側(cè)墻開裂風(fēng)險。日均氣溫取28 ℃，混凝土入模溫度取28、25 ℃，同時考慮設(shè)置冷卻水管的情況，墻體高度方向上下層冷卻水管間距均為1 m。當(dāng)墻體厚度方向設(shè)置1根冷卻水管時，冷卻水管位于厚度中心； 當(dāng)厚度方向設(shè)置2根冷卻水管時，冷卻水管距離墻體內(nèi)、外表面0.5 m。由于工作井側(cè)墻開裂風(fēng)險較高，考慮采取水化歷程與膨脹歷程雙重調(diào)控技術(shù)制備一種低溫升、高抗裂混凝土[17]，混凝土絕熱溫升取45 ℃，7 d自生體積膨脹變形取200με，28 d取100με。編號1-28 m-28 ℃表示第1層28 m段側(cè)墻入模溫度28 ℃的工況； 1-28 m-L1-28 ℃表示第1層28 m段側(cè)墻在墻體厚度方向設(shè)置1根冷卻水管、且入模溫度為28 ℃的工況； 4-53.6 m-L2-28 ℃表示第4層53.6 m段側(cè)墻在墻體厚度方向設(shè)置2根冷卻水管、且入模溫度為28 ℃的工況，其余編號所表示的工況依此類推。

2.3 開裂風(fēng)險評估結(jié)果

當(dāng)混凝土入模溫度為28 ℃時，工作井側(cè)墻開裂風(fēng)險評估結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，開裂風(fēng)險隨著側(cè)墻長度的增加而顯著增大，由于第1層側(cè)墻位于底板和環(huán)框梁之間，其受到的約束作用比第2—4層側(cè)墻大。因此，長度同為28 m時，第1層側(cè)墻開裂風(fēng)險系數(shù)較其他層高。通過嚴(yán)格控制入模溫度不超過28 ℃并采用低溫升高抗裂混凝土，可控制第2層以及相同工況的第3層28 m段側(cè)墻開裂風(fēng)險系數(shù)至0.70以下，第4層53.6 m段側(cè)墻的開裂風(fēng)險系數(shù)仍達(dá)到0.90以上，存在開裂的可能。

圖3 入模溫度28 ℃時側(cè)墻開裂風(fēng)險

為將工作井側(cè)墻開裂風(fēng)險系數(shù)控制在0.70內(nèi)，進(jìn)一步考慮在開裂風(fēng)險較高的第1層及第4層側(cè)墻中采取設(shè)置冷卻水管或繼續(xù)降低入模溫度的措施，不同工況條件下側(cè)墻開裂風(fēng)險如圖4所示。結(jié)果表明： 對于第1、4層28 m段側(cè)墻，當(dāng)控制入模溫度為25 ℃或入模溫度為28 ℃且在墻體厚度中心設(shè)置1根冷卻水管時，可降低混凝土開裂風(fēng)險系數(shù)至0.70以下； 對于第4層53.6 m段側(cè)墻，當(dāng)控制入模溫度為25 ℃且在墻體厚度方向設(shè)置1根冷卻水管，或入模溫度為28 ℃且在墻體厚度方向設(shè)置2根冷卻水管時，可降低混凝土開裂風(fēng)險系數(shù)至0.70以下。

2.4 混凝土性能控制指標(biāo)

基于工作井側(cè)墻開裂風(fēng)險評估結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場施工需求，提出了本工程工作井C40自密實、高抗裂混凝土性能控制指標(biāo)如表1所示。在滿足工程需求的自密實性能的基礎(chǔ)上，該自密實、高抗裂混凝土的抗裂性能指標(biāo)與混凝土開裂風(fēng)險評估時的低溫升、高抗裂混凝土抗裂性能指標(biāo)相同。

3 自密實高抗裂混凝土制備與性能

3.1 原材料與配合比

3.1.1 工程所用原材料及主要指標(biāo)

1)水泥。南通海螺低堿P·O 42.5水泥，其密度為3.02 g/cm3、比表面積為340 m2/kg。

2)粉煤灰。江陰利港I級粉煤灰，其需水量比為108%、流動度比為105%。

3)砂。洞庭湖Ⅱ區(qū)中砂，其細(xì)度模數(shù)為2.8、含泥量為1.6%。

4)碎石。湖北興華礦業(yè)5～20 mm連續(xù)級配碎石，其松散堆積空隙率為43%。

5)抗裂劑。江蘇蘇博特新材料股份有限公司HME-V混凝土(溫控、防滲)高效抗裂劑，其限制膨脹率20 ℃水中7 d為0.055%、轉(zhuǎn)空氣中21 d為0.010%，水化熱降低率24 h為54%、7 d為13%。

6)流變改性材料。江蘇蘇博特新材料股份有限公司SBT-HDC(III)高性能混凝土流變改性材料，其流動度比為110%。

7)減水劑。江蘇蘇博特新材料股份有限公司液體SBT-SCC自密實混凝土減水劑。

8)水。飲用水。

3.1.2 混凝土配合比

由于工作井側(cè)墻對混凝土抗裂性能要求較高，因此混凝土配合比設(shè)計時采取了低膠凝材料、低水泥用量的原則，并摻加了具有水化歷程和膨脹歷程雙重調(diào)控作用的抗裂劑； 同時為兼顧混凝土自密實性能，采用了流變改性材料[18]及自密實減水劑，在初步試驗的基礎(chǔ)上，采取表2所示的配合比進(jìn)行了室內(nèi)試驗。其中，基準(zhǔn)組編號為Ref，抗裂劑摻量為8%、10%時編號為8%HME-V、10% HME-V。

表2 混凝土配合比

3.2 自密實性能

參照GB/T 50080—2016《混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》及JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》測試了混凝土的含氣量、容重、倒置坍落度時間、坍落擴(kuò)展度、T500、坍落擴(kuò)展度與J環(huán)擴(kuò)展度之差等，如表3所示。結(jié)果表明： 混凝土含氣量、容重等參數(shù)符合配合比參數(shù)要求，坍落擴(kuò)展度為620～650 mm，T500及倒置坍落度時間≤4.2 s，其中，10%HME-V組混凝土擴(kuò)展度與J環(huán)擴(kuò)展度之差為20 mm，自密實性能相對最優(yōu)。

表3 新拌混凝土性能

3.3 力學(xué)性能

混凝土抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明： Ref混凝土強(qiáng)度高，且發(fā)展速率快，7 d強(qiáng)度已超過設(shè)計強(qiáng)度； 采用HME-V等量取代水泥后，混凝土強(qiáng)度及發(fā)展速率有所降低，但28 d強(qiáng)度均能滿足配制強(qiáng)度要求。

表4 混凝土抗壓強(qiáng)度

3.4 絕熱溫升

混凝土絕熱溫升測試結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明： 摻加HME-V后，混凝土絕熱溫升值有所降低，且絕熱溫升早期發(fā)展速率顯著降低。其中，Ref、8%HME-V、10%HME-V混凝土7 d絕熱溫升分別為47.5、45.7、44.4 ℃，絕熱溫升1 d與7 d比值分別為62.5%、48.4%、47.9%。在散熱條件下，絕熱溫升早期發(fā)展速率越小，越有利于降低混凝土溫升值、提高混凝土抗裂性。

圖5 混凝土絕熱溫升

3.5 自生體積變形

在20±2 ℃條件下，利用PVC管成型直徑100 mm、高400 mm的自生體積變形試件并覆蓋保鮮膜，同步測試混凝土凝結(jié)時間。待自生體積變形試件靜置2 h后揭開保鮮膜，在試件上表面中心埋入銅頭并繼續(xù)覆蓋保鮮膜； 待混凝土初凝時，揭開保鮮膜，用加熱融化的石蠟密封自生體積變形試件； 待混凝土終凝時開始讀數(shù)并記錄。計算自生體積變形時，以混凝土終凝為0點，結(jié)果如圖6所示。Ref混凝土持續(xù)表現(xiàn)出收縮變形，28 d自生體積收縮變形為-115.6με； 摻加HME-V后，可消除混凝土自生體積收縮并產(chǎn)生一定的膨脹變形。8%HME-V、10%HME-V混凝土7 d自生體積膨脹變形分別為199.8με、255με，28 d自生體積膨脹變形分別為166.7με、252.5με?？梢钥闯?，10%HME-V混凝土后續(xù)收縮趨勢較小，且56 d自生體積變形仍超過220με。

圖6 混凝土自生體積變形

4 工程應(yīng)用

結(jié)合混凝土自密實性能、力學(xué)性能及抗裂性能試驗結(jié)果，選取10%HME-V混凝土配合比作為工作井側(cè)墻混凝土配合比。始發(fā)工作井主要在平均氣溫約27 ℃的9月份完成施工。通過采取原材料提前進(jìn)場、骨料遮陽并灑水降溫、摻加70～80 kg/m3片冰替代拌合水等措施，可降低混凝土入模溫度至27 ℃以下。結(jié)合開裂風(fēng)險評估結(jié)果，在工作井第1、4層28 m段及53.6 m段側(cè)墻厚度方向設(shè)置了2根冷卻水管，距離內(nèi)、外表面0.5 m； 在第2、3層28 m段側(cè)墻厚度中心設(shè)置了1根冷卻水管，上、下層水管間距1～1.5 m； 此外，控制側(cè)墻混凝土里表溫差≤15 ℃，中心混凝土降溫速率≤3.0 ℃/d。

工作井側(cè)墻施工時，混凝土自密實性能良好，坍落擴(kuò)展度普遍控制在650～680 mm，T500及倒置坍落度時間≤4.5 s，各項指標(biāo)均滿足表1要求，混凝土布料間距≤4 m，必要時輔以10～15 s的振搗，環(huán)框梁1 m以下混凝土澆筑高度速率≤0.4 m/h，靜置約1 h后再按澆筑高度速率≤0.3 m/h完成最后側(cè)墻混凝土的澆筑。在墻體結(jié)構(gòu)尺寸中心點(即在長度、高度、厚度的1/2處)沿長度及厚度方向布置了可同時測量溫度和變形的振弦式應(yīng)變計，在中心點同一水平面上靠近內(nèi)側(cè)表及外側(cè)表附近布置了溫度計，溫度計距離內(nèi)側(cè)表、外側(cè)表均為5 cm。第1層28 m段側(cè)墻溫度監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明： 混凝土實際入模溫度在25 ℃左右，墻體中心在1.6 d達(dá)到最高溫度56.6 ℃，由于冷卻水管未及時關(guān)停，溫峰后2 d內(nèi)降溫速率較快； 冷卻水管自澆筑后4.4 d左右關(guān)停，混凝土緩慢降溫，在采取控制入模溫度及設(shè)置冷卻水管等溫控措施后，混凝土內(nèi)部溫度較小，加之工作井基坑內(nèi)受外界空氣對流影響較小，且側(cè)墻采用的1.8 cm厚的木模板保溫效果較好，使得混凝土內(nèi)部溫度差異較小，最大里表溫差僅為8.1 ℃； 由于溫降早期冷卻水管未及時關(guān)停，使得溫降7 d平均降溫速率為2.7 ℃/d，仍滿足平均降溫速率不超過3.0 ℃/d的要求。工作井側(cè)墻采用滿堂支架對撐的模板體系，待工作井側(cè)墻全部完成澆筑后，再從上至下逐層拆模。因此，位于下部的第1—3層側(cè)墻帶模養(yǎng)護(hù)20～50 d，上部第4層側(cè)墻帶模養(yǎng)護(hù)10 d后拆模，并繼續(xù)覆蓋帶塑料內(nèi)膜的土工布養(yǎng)護(hù)至20 d。

圖7 工作井側(cè)墻混凝土溫度

側(cè)墻中心變形監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，由于厚度方向約束較小，其膨脹變形顯著大于長度方向。將本工程工作井1.5 m厚側(cè)墻與某1.05 m厚側(cè)墻[3]及1.3 m厚底板溫升階段和溫降階段的變形比較如圖9—10所示。結(jié)果表明，工作井側(cè)墻及某1.05 m厚側(cè)墻[3]、1.3 m厚底板在溫升階段的單位膨脹變形分別為36.6με/℃、11.1με/℃、8.5με/℃，在溫降階段的單位收縮變形分別為9.7με/℃、14.4με/℃、12.1με/℃，即本工程工作井側(cè)墻自密實、高抗裂混凝土在溫升階段的膨脹變形較普通混凝土增大了2倍以上，在溫降階段的收縮變形較普通混凝土減小了20%以上。

圖8 工作井側(cè)墻混凝土變形

圖9 不同結(jié)構(gòu)混凝土溫升階段變形

圖10 不同結(jié)構(gòu)混凝土溫降階段變形

工作井側(cè)墻拆模后未見混凝土出現(xiàn)裂縫，側(cè)墻頂部與環(huán)框結(jié)合密實，外觀無明顯缺陷，最長持續(xù)跟蹤超過120 d。結(jié)果表明，混凝土未出現(xiàn)開裂及滲漏現(xiàn)象，如圖11所示。

圖11 始發(fā)工作井

5 結(jié)論與建議

1)基于多場耦合機(jī)制模型評估了工作井側(cè)墻混凝土開裂風(fēng)險，結(jié)果表明，開裂風(fēng)險隨側(cè)墻長度的增加而顯著增大，第4層53.6 m段側(cè)墻開裂風(fēng)險最高，第1層側(cè)墻受到底板和上層環(huán)框梁等的外約束作用最強(qiáng)，相同28 m長度的第1層側(cè)墻開裂風(fēng)險最高。

2)制備了工作井側(cè)墻C40自密實、高抗裂大體積混凝土，膠凝材料用量450 kg/m3，用水量162 kg/m3，混凝土坍落擴(kuò)展度達(dá)680 mm，T500及倒置坍落度時間≤4.5 s，混凝土7 d絕熱溫升≤45 ℃，1 d與7 d絕熱溫升比值≤50%，7 d與56 d自生體積變形≥220με，實現(xiàn)了中低膠材混凝土自密實性能與抗裂性能的協(xié)同。

3)自密實高抗裂混凝土是基礎(chǔ)，入模溫度控制、設(shè)置冷卻水管、控制布料間距與澆筑速率以及保溫保濕養(yǎng)護(hù)等施工工藝措施是實現(xiàn)抗裂防滲的重要保障，通過設(shè)計、材料、施工等環(huán)節(jié)的閉環(huán)管控，解決了在密封空間內(nèi)澆筑超長大體積工作井側(cè)墻混凝土收縮開裂及不密實引起的滲漏水問題。