明挖現(xiàn)澆隧道大體積混凝土開裂風(fēng)險評估分析

陳英振

摘要 文章旨在研究明挖現(xiàn)澆隧道中大體積混凝土開裂的風(fēng)險評估及控制方法，有效控制大體積混凝土開裂的風(fēng)險，提高隧道工程的質(zhì)量和安全性，通過從原材料選擇、大體積混凝土抗裂性技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)等方面對抗裂性評估的方法進行了論述，得出結(jié)論；介紹了低溫升、低收縮混凝土的制備及相關(guān)指標(biāo)控制方法，以確?；炷恋馁|(zhì)量；提出了隧道側(cè)墻部位大體積混凝土作業(yè)施工控裂的施工工藝措施，應(yīng)用于實體結(jié)構(gòu)工程中，取得了良好效果。

關(guān)鍵詞 隧道工程；大體積混凝土；裂縫控制

中圖分類號 TU755文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0105-03

0 引言

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平不斷提升，規(guī)模不斷擴大，大體積混凝土在交通工程建設(shè)中也得到了廣泛應(yīng)用。但大體積混凝土結(jié)構(gòu)因長期受外部環(huán)境影響，易產(chǎn)生貫穿裂縫，從而破壞整體結(jié)構(gòu)的防水性能和耐久性能，縮短其使用壽命，影響工程質(zhì)量[1]。因此在大體積混凝土工程結(jié)構(gòu)施工中，不斷加強對其開裂風(fēng)險的分析研究具有相當(dāng)重要的意義[2]。

1 工程概況

某市政道路下穿隧道工程，采用明挖法施工工藝進行開挖。隧道全長0.75 km，隧道寬27.2～29.8 m，隧道起點擋土墻長度是20 m、終點擋土墻長度是30 m，隧道起點敞口路段長0.14 km、終點敞口路段長0.18 km，隧道中間暗埋路段長0.38 km。該工程的混凝土設(shè)計強度是C28d45和C56d50，混凝土坍落度是200±20 mm。隧道單個階段的混凝土用量為3 000 m?。

2 抗裂性評估方法與結(jié)果

2.1 抗裂性評估方法

在工程完成混凝土澆筑之后，混凝土自身受到溫度、自身性能以及水分散失等影響，會導(dǎo)致混凝土體積發(fā)生變化，然后在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力。在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的這種收縮應(yīng)力比混凝土抗拉力大時，就會出現(xiàn)混凝土裂縫現(xiàn)象[3]。該工程中對混凝土結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險的計算分析是建立在“水化－溫度－濕度－約束”多場耦合機制的抗裂性評估理論與方法基礎(chǔ)之上的，計算公式如（1）式所示：

式中，η——混凝土開裂風(fēng)險系數(shù)；σ——在t時刻的混凝土最大拉應(yīng)力（MPa）；ft——在t時刻的混凝土抗拉強度（MPa）。

通過多次試驗和大量工程實踐表明，當(dāng)η<0.7時，大體積混凝土結(jié)構(gòu)基本不會出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象；當(dāng)0.7≤η<1.0時，大體積混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫的可能性極大；當(dāng)η≥1時，大體積混凝土注定會發(fā)生裂縫問題[4]。

2.2 抗裂性評估結(jié)果

假設(shè)入模的混凝土溫度比日平均溫度低5 ℃，對不采取任何措施情況下的混凝土開裂風(fēng)險（REF）、在混凝土墻體中心縱向布設(shè)兩根間距為1 m的冷卻管基礎(chǔ)上的開裂風(fēng)險（LQSG）、摻雜具有溫升抑制膨脹功能抗裂劑下的開裂風(fēng)險（HME）三種情況分別進行評估，當(dāng)混凝土入模溫度為15 ℃、混凝土絕熱溫升為45 ℃時，三種情況下側(cè)墻混凝土結(jié)構(gòu)中心開裂系數(shù)情況如圖1所示[5]。

由圖1可以看出，在混凝土沒有采取任何措施的情況下，混凝土的開裂系數(shù)大于1，結(jié)果是混凝土必然出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；當(dāng)側(cè)墻中心布設(shè)冷卻管時，混凝土的開裂風(fēng)險系數(shù)雖有所減小，但仍大于1，仍有開裂的可能；將具有溫升抑制膨脹作用的抗裂劑摻入混凝土?xí)r，可使側(cè)墻混凝土開裂系數(shù)小于0.7，且大概率不會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

為了達到預(yù)防開裂現(xiàn)象的最佳效果，采取當(dāng)側(cè)墻混凝土中心點溫度達到峰值后，立即在其表面加設(shè)一層1 cm厚的保溫棉，以達到控制混凝土內(nèi)外溫差的效果。此時，三種情況下混凝土表面開裂風(fēng)險系數(shù)如圖2所示。

由圖2可以看出，不采取任何措施的混凝土，最大開裂系數(shù)仍大于1；結(jié)果表明：當(dāng)在側(cè)墻中心布設(shè)冷卻管后，混凝土的最大開裂系數(shù)介于0.7與1之間，裂縫風(fēng)險較大；加入抗裂劑后，混凝土抗裂系數(shù)小于0.7，抗裂性能良好。

3 低溫升、低收縮混凝土的制備及相關(guān)指標(biāo)控制

3.1 原材料選擇

混凝土澆筑后自身內(nèi)外溫差較大是造成混凝土裂縫的一個重要原因，因此選擇化學(xué)性能較為優(yōu)質(zhì)的混凝土原料進行科學(xué)的實驗配比，由此實現(xiàn)混凝土澆筑后熱量釋放和降低的有效結(jié)果。因此，根據(jù)上述分析評估，在滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的前提下，相關(guān)原材料的參數(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足以下要求：

（1）水泥應(yīng)采用標(biāo)號為42.5的硅酸鹽水泥，考慮到硅酸三鈣和堿含量過高都會增大混凝土的收縮和放熱速率，故而要嚴格控制硅酸三鈣的含量，以＜6%為最佳控制量，同時將堿的含量也控制在0.6%以內(nèi)。

（2）可將Ⅰ級粉煤灰作為主要原料，且選擇的粉煤灰要符合相關(guān)規(guī)定的參數(shù)要求。

（3）礦粉宜選擇型號S95級的渣粉類型，輔助減水劑可選用南方廠家生產(chǎn)的高性能聚羧酸型。

（4）砂子選用Ⅱ區(qū)中砂，含泥量要控制在2%以下，細度模數(shù)在2.6左右為最佳。碎石粒徑篩選直徑在5～

25 mm之間的原料即可，而且質(zhì)地要硬、體積要勻稱。

3.2 大體積混凝土抗裂性技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)

依據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB50496—2018） 《水運工程混凝土施工規(guī)范》（JTS202—2011）《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/TF50—2011）等現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)上述有關(guān)計算評估方法可知，該工程混凝土分段澆筑的長度應(yīng)小于20 m。同時，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，得出大體積混凝土有關(guān)抗裂指標(biāo)如表1所示。

在此基礎(chǔ)上，該項目擬通過降低水泥用量和摻入抗裂劑等措施，來降低混凝土的溫升值；通過優(yōu)化混凝土配比參數(shù)和使用減縮型高性能化學(xué)減水劑等方式，來實現(xiàn)混凝土收縮數(shù)值下降的最終結(jié)果。表2給出了具有較低混凝土溫升值和收縮值的混合配比，圖3～4中給出了混凝土的絕熱溫升及體積的變形情況。

從圖3可知，在第7 d時混凝土的絕熱溫升值升至45 ℃，第1 d與第7 d混凝土絕熱溫升值的比值為0.4，上升在?35 με時，正好是7 d的一個周期，四周后該混凝土體積值變化為?84 με，試驗結(jié)果符合表3中對混凝土低溫升和低收縮的設(shè)計參數(shù)要求。

4 隧道側(cè)墻部位大體積混凝土作業(yè)的施工控裂

4.1 施工工藝措施

混凝土澆筑施工工藝是影響混凝土開裂的又一重要因素，考慮到隧道工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工程量體積龐大的特點，為了盡量減少隧道側(cè)墻受外力影響而出現(xiàn)開裂的問題，在進行隧道施工設(shè)計時，應(yīng)對側(cè)墻施工縫進行優(yōu)化，將通常采用的三層縱向依次澆筑法改為2層縱向澆筑的方式，對底板和側(cè)墻同時進行一體化澆筑，最后再澆筑頂板，同時要將縱向分段澆筑長度控制在20 m內(nèi)，不能過長。同時，應(yīng)盡可能地減少側(cè)墻之間的水平施工連接縫，從而減小底板對側(cè)墻的約束作用。

4.2 隧道作業(yè)中大體積混凝土冷卻管操作

在隧道大體積混凝土中采用冷卻水管施工工藝，也可以有效降低混凝土的開裂風(fēng)險。該工程通過布設(shè)由現(xiàn)場溫度信息采集、數(shù)據(jù)閾值處理、冷卻循環(huán)水職能控制三個分系統(tǒng)組成的智能溫控系統(tǒng)，對現(xiàn)場冷卻管進行指令性控制。介于隧道作業(yè)的環(huán)境特殊性，針對大體積部位的混凝土施工中，選用冷卻水管工藝可明顯改善混凝土的化學(xué)性能，增強原料與墻面的連接性，減少開裂情況。同時，借助專業(yè)的溫控系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道施工中重要環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集、處理及循環(huán)操作，便于對施工現(xiàn)場冷卻管作業(yè)的順利開展。其工作原理是通過冷卻循環(huán)水將混凝土內(nèi)部熱量帶走，從而降低混凝土內(nèi)外溫差，降低收縮應(yīng)力，達到降低混凝土因溫差過大而產(chǎn)生開裂風(fēng)險的目的。表3為關(guān)鍵溫控及控制指標(biāo)。

5 實體結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用

隧道工程中，混凝土澆筑通常在夏季高溫季節(jié)進行，此時平均氣溫為35 ℃左右。該工程在進行混凝土澆筑作業(yè)時，將入模溫度控制在28 ℃范圍內(nèi)，采用2層縱向澆筑的方式，按照底板和側(cè)墻同時澆筑的順序，由兩側(cè)分別向中間澆筑。澆筑作業(yè)前，先對側(cè)墻角底部位進行澆筑，當(dāng)混凝土料擴散至側(cè)墻底部時，再對側(cè)墻內(nèi)進行澆筑。此外，還需要在側(cè)墻中心、側(cè)墻底部中心，以及距離側(cè)墻表面5 cm的位置，分別布設(shè)溫度檢測裝置，以便對溫度進行實時監(jiān)控。

結(jié)果顯示，該次混凝土入模溫度控制在27 ℃左右，溫度的最高值出現(xiàn)在第二天，側(cè)墻中心溫度最高值為62.5 ℃，絕對溫升值35.5 ℃比表2中的抗裂性控制指標(biāo)要求略高，因此在后期作業(yè)中，需對冷卻水管的降溫措施進行有效控制。該工程采用了保溫性能良好的木模板工藝，并在拆模后進行土工布覆膜養(yǎng)護，使混凝土澆筑過程中的整體內(nèi)外溫差始終保持在15 ℃以內(nèi)，且側(cè)墻中心溫度的下降速度為2.5 ℃/d，側(cè)墻表面溫度的下降速度為2.1 ℃/d，混凝土整體溫度的下降速度未超過3 ℃/d，所用的穩(wěn)控措施也取得了較為明顯的冷卻效果。隧道主體完成大體積混凝土澆筑后，經(jīng)過半年跟蹤觀察，未發(fā)現(xiàn)有貫穿性收縮裂縫。

6 結(jié)論

綜上所述，隧道施工作業(yè)過程中，對大體積混凝土裂縫的控制工作，是一個可以衡量工程質(zhì)量是否達標(biāo)的重要指標(biāo)。該文以實際案例為分析背景，以多因素耦合抗裂性評估方法為基礎(chǔ)，從材料選擇到施工措施應(yīng)用，對大體積混凝土裂縫進行了全方位的控制，具體得出如下結(jié)論：

（1）通過多因素的耦合抗裂性試驗方法，評估出不同入模溫度情況下的側(cè)墻開裂風(fēng)險參數(shù)，也由此得出在入模溫度超高時，結(jié)構(gòu)尺寸厚度就越大，由此帶來的混凝土開裂風(fēng)險也越大。

（2）結(jié)合（1）的評估結(jié)果，對混凝土抗裂性關(guān)鍵控制指標(biāo)進行了測試，測試結(jié)果顯示，通過降低水泥用量和摻入抗裂劑后，混凝土的抗裂性能滿足低溫升和低收縮的要求。

（3）在（2）的結(jié)果應(yīng)用基礎(chǔ)上，結(jié)合2層縱向澆筑施工方式和冷卻管技術(shù)等綜合措施應(yīng)用，使得混凝土入模溫度達到27 ℃左右，側(cè)墻中心溫度最高值達到62.5 ℃，結(jié)合采用保溫性能好的木模板工藝，同時在拆模后進行土工布覆膜養(yǎng)護處理，使得混凝土澆筑過程中的整體內(nèi)外溫差始終保持在15 ℃范圍內(nèi)，側(cè)墻中心和側(cè)墻表面溫度下降速度小于3 ℃/d，混凝土拆模至今未發(fā)現(xiàn)有害裂縫，控裂效果顯著，實現(xiàn)施工質(zhì)量及經(jīng)濟效益的雙重效果。

參考文獻

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