隧道大體積混凝土裂縫控制技術(shù)應(yīng)用研究

王林

摘要 為解決混凝土裂縫問題，提升隧道運(yùn)營安全性，文章依托湖州申蘇浙皖至申嘉湖高速公路連接線與吳興大道交叉段設(shè)計變更施工第1標(biāo)段南岙隧道工程，圍繞抗裂混凝土配合比設(shè)計、施工工藝、工程應(yīng)用效果等方面開展了隧道大體積混凝土裂縫控制技術(shù)應(yīng)用研究。研究結(jié)果表明：通過對混凝土配合比設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，最終確定了粉煤灰、礦粉、減水劑的摻量分別為25%、30%、1%，經(jīng)檢測混凝土各項性能均能滿足規(guī)范要求；通過應(yīng)用抗裂混凝土，同時輔以控制入模溫度、混凝土分層澆筑、加強(qiáng)保濕養(yǎng)護(hù)等措施，最終形成了成套混凝土抗裂控制技術(shù)方案，有效解決了隧道大體積混凝土開裂問題，具有良好的工程應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞 配合比設(shè)計；大體積混凝土；裂縫控制技術(shù)

中圖分類號 TU755.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0075-03

0 引言

隧道結(jié)構(gòu)在長期使用過程中往往會受到溫度應(yīng)力作用、混凝土自收縮以及外界環(huán)境等因素的影響，導(dǎo)致裂縫病害的出現(xiàn)，對隧道結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性造成潛在威脅，因此裂縫控制技術(shù)的研究和應(yīng)用顯得尤為重要。該文依托湖州申蘇浙皖至申嘉湖高速公路連接線與吳興大道交叉段設(shè)計變更施工第1標(biāo)段南岙隧道工程，開展隧道大體積混凝土裂縫控制技術(shù)應(yīng)用研究，旨在解決隧道混凝土開裂問題，提升隧道工程建設(shè)質(zhì)量，該研究成果可為同類工程提供借鑒與指導(dǎo)。

1 工程概況

湖州申蘇浙皖至申嘉湖高速公路連接線與吳興大道交叉段設(shè)計變更施工第1標(biāo)段南岙隧道工程起訖樁號K0+350～K0+602，長252 m，為雙向6車道，采用明挖法進(jìn)行隧道施工，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100年，抗?jié)B等級P8，裂縫控制等級為三級。該隧道工程屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，控裂難度較大。

2 大體積混凝土裂縫理論概述

2.1 裂縫種類

大體積混凝土裂縫按照裂縫寬度進(jìn)行分類，可分為微觀裂縫和宏觀裂縫兩種類型[1]。

2.1.1 微觀裂縫

微觀裂縫通常指混凝土材料內(nèi)部形成的細(xì)小裂縫，很難通過肉眼直接觀察到，裂縫寬度為2～5 ?m。

2.1.2 宏觀裂縫

該裂縫僅靠肉眼觀察便可識別，通常由微觀裂縫發(fā)展而來，裂縫寬度≥0.05 mm。宏觀裂縫可分為以下三類：

（1）貫穿裂縫。貫穿裂縫是指從混凝土結(jié)構(gòu)一側(cè)貫穿整個截面，延伸到另一側(cè)的裂縫，該裂縫通常發(fā)生在混凝土結(jié)構(gòu)受到大幅度應(yīng)力的位置處。貫穿裂縫破壞了混凝土結(jié)構(gòu)的完整性，造成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度降低，使得結(jié)構(gòu)無法正常承擔(dān)設(shè)計荷載，甚至可能導(dǎo)致部分或整體結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌。

（2）深層裂縫。深層裂縫是指裂縫從混凝土結(jié)構(gòu)表面向內(nèi)部延伸，但沒有貫穿整個結(jié)構(gòu)斷面，只切斷了部分結(jié)構(gòu)斷面。深層裂縫的存在削弱了混凝土結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度，使其承載能力降低，增加了結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和倒塌的風(fēng)險，且會加劇滲水問題。

（3）表層裂縫。表層裂縫通常是指發(fā)生在混凝土表面的細(xì)小裂縫或者裂紋，相較于貫穿裂縫和深層裂縫，其危害性較小，但后期依然可能會發(fā)展為更嚴(yán)重的裂縫。特別是在一些關(guān)鍵部位，如基礎(chǔ)和新舊混凝土交接處，表層裂縫的擴(kuò)展會破壞結(jié)構(gòu)整體的連續(xù)性和穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致貫穿裂縫的出現(xiàn)。

2.2 裂縫形成及破壞機(jī)理

據(jù)統(tǒng)計，近八成的裂縫皆由混凝土的溫度變化不均勻所致。水泥在水化反應(yīng)過程中會釋放出大量熱量，使得混凝土內(nèi)部溫度升高，急劇的溫度變化導(dǎo)致混凝土的塑性降低，硬化過程中的應(yīng)變增大，并產(chǎn)生溫度—收縮應(yīng)力的急劇變化[2]。由于混凝土的熱膨脹系數(shù)有限，溫度變化引起的收縮形變可能會超過其可承受的極限，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)在此階段發(fā)生開裂，由此產(chǎn)生的裂縫將會嚴(yán)重影響混凝土的工作性能。

2.3 裂縫的后期修補(bǔ)方法

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫時，應(yīng)根據(jù)不同裂縫寬度采取相應(yīng)措施進(jìn)行修補(bǔ)和加固，以提高其穩(wěn)定性、整體性和使用壽命。以下是幾種常見的混凝土裂縫后期修補(bǔ)方法：

（1）表面修補(bǔ)法是一種常見且操作相對簡單的混凝土裂縫修補(bǔ)方法，操作步驟包括清理裂縫、涂布修補(bǔ)材料、平整修補(bǔ)表面，以及適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)。但該方法只適用于對承載力影響不大的表面裂縫以及細(xì)微裂縫。

（2）灌漿法在隧道工程中也較為常見，但工序相對煩瑣，操作復(fù)雜，常用的灌漿材料包括水泥漿、聚氨酯及瀝青材料等。對于深層的裂縫或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷，灌漿法可以通過注入灌漿材料進(jìn)行填充和修補(bǔ)，從而增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的整體性能。

（3）注膠加固法是一種先進(jìn)的混凝土裂縫處理技術(shù)，具有操作簡單和施工高效的優(yōu)點，已在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。注膠加固法通過注入特定膠體材料來修復(fù)混凝土裂縫，能夠?qū)⒒炷恋膹?qiáng)度恢復(fù)至原混凝土標(biāo)號的80%左右。目前較為常用的膠體材料為聚硫密封膠，其優(yōu)良的物理化學(xué)性能使得混凝土可以經(jīng)受各種環(huán)境的考驗，已在北京鳥巢、葛洲壩工程等大型工程項目中得到成功應(yīng)用。

3 抗裂混凝土配合比設(shè)計

3.1 原材料選擇

（1）水泥。選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為365 m2/kg，經(jīng)試驗檢測其各項性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

（2）粉煤灰。選用鎮(zhèn)江某公司生產(chǎn)的F類Ⅱ級粉煤灰，經(jīng)試驗檢測其各項性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

（3）礦粉。選用S95級礦粉，比表面積為445 m2/kg。

（4）減水劑。選用江蘇某材料公司生產(chǎn)的高性能聚羧酸減水劑。

3.2 配合比設(shè)計

為最大程度降低膠凝材料體系水化放熱總量，同時保證混凝土的各項工作性能、力學(xué)性能滿足要求，該文在進(jìn)行配合比設(shè)計時選擇采用降低水泥劑量，同時加大粉煤灰與礦粉摻量的做法，最終配合比設(shè)計結(jié)果如表1所示。

按表1配合比設(shè)計結(jié)果制備混凝土試件，然后進(jìn)行和易性、強(qiáng)度等測試，測試結(jié)果如表2所示。由表2可知，混凝土各項施工性能、強(qiáng)度及限制膨脹率均能滿足規(guī)范要求。

4 混凝土裂縫施工控制措施研究

4.1 控制入模溫度

已有工程經(jīng)驗表明，混凝土入模溫度越高，混凝土結(jié)構(gòu)開裂的風(fēng)險也越大，因此應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的入模溫度。

4.1.1 原材料控溫

粉料通常采用儲罐進(jìn)行存儲，因此可以采用在儲罐的外壁鋪設(shè)冷卻水管的方式，通過循環(huán)冷卻水來降低粉料的溫度，防止其在混凝土拌和過程中引起過大的水化熱。砂石料往往暴露在陽光下，因受高溫照射導(dǎo)致混凝土的溫度較高。為控制砂石料的溫度，應(yīng)在砂石料場設(shè)置遮陽棚，減少陽光直射，同時在料倉口設(shè)置卷簾門，用于保持料倉內(nèi)的砂石料處于一個較低的溫度。此外，應(yīng)在料倉的側(cè)面安裝工業(yè)級冷風(fēng)機(jī)，對砂石料進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)和降溫，在遮陽棚頂部布置噴淋系統(tǒng)，通過噴水來降低砂石料的溫度。

4.1.2 運(yùn)輸過程控溫

應(yīng)在罐車罐體上包裹保溫布或其他保溫材料，減少混凝土在運(yùn)輸過程中受到環(huán)境溫度和泵管摩擦的影響，有效防止混凝土溫度升高。在高溫季節(jié)，應(yīng)盡量加快混凝土的運(yùn)輸和澆筑速度，減少混凝土在整個施工過程中的停留時間，從而降低混凝土溫度的上升。在已經(jīng)完成澆筑的區(qū)域，可以采取帆布等遮陽措施來防止陽光直射。同時，根據(jù)混凝土的硬化情況，采用冷風(fēng)機(jī)或灑水等方式降低混凝土的溫度。

4.2 混凝土分層澆筑與及時養(yǎng)護(hù)

4.2.1 底板和頂板

隧道頂板、底板采用連續(xù)分層澆筑施工方式，分層厚度應(yīng)≤500 mm。初次攤平混凝土后，在初凝前進(jìn)行二次振搗，以去除空氣泡和提高混凝土的密實度，從而提升混凝土的力學(xué)性能和耐久性?；炷两K凝前采用磨光機(jī)進(jìn)行二次抹面，使表面更加平整光滑，并提高混凝土的表面強(qiáng)度和耐磨性。終凝后覆蓋土工布進(jìn)行保濕養(yǎng)生，養(yǎng)生時間應(yīng)≥14 d。

4.2.2 側(cè)墻

側(cè)墻同樣采用連續(xù)分層澆筑方式進(jìn)行施工，分層高度一般不超過700 mm，避免混凝土溫度差異過大所導(dǎo)致的收縮裂縫。在混凝土澆筑施工過程中，宜從低處開始并沿長邊方向由一端向另一端進(jìn)行施工，澆筑過程需要注意混凝土的均勻性和密實性。采用振搗機(jī)進(jìn)行二次振搗，確?；炷辆鶆蚍植?、密實緊湊。臨近另一端時，應(yīng)進(jìn)行反向澆筑。澆筑結(jié)束2～3 d后拆模，拆模后貼上1層專用保溫保濕養(yǎng)護(hù)膜，以保持混凝土表面始終處于濕潤狀態(tài)，同時在外層再覆蓋深色毛氈進(jìn)行保溫。

4.3 加強(qiáng)振搗質(zhì)量

為保證混凝土的均勻密實和質(zhì)量，通常需設(shè)置兩個混凝土振動器。第一處設(shè)置在泵送混凝土的卸料點，由于混凝土在泵送過程中可能會發(fā)生分層或者在流動過程中產(chǎn)生空隙，使用振動器可以幫助混凝土自行坍落，同時去除空氣泡，從而提高上層混凝土的密實性。第二處設(shè)置在坡腳處，用以提升下部混凝土的振搗質(zhì)量，尤其是在坡度變化處，振動器的作用更為明顯。該隧道工程主體部分澆筑施工時，共配備了8根插入式振動棒，大幅提升了各個區(qū)域混凝土的振搗質(zhì)量，尤其是在鋼筋密集部位處。

4.4 加強(qiáng)溫度監(jiān)測

應(yīng)采用溫度傳感器等設(shè)備對混凝土的溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，包括混凝土攪拌站出料、運(yùn)輸以及澆筑等環(huán)節(jié)。在混凝土養(yǎng)護(hù)過程中，尤其是在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，應(yīng)密切監(jiān)測混凝土塊體內(nèi)部和外部的溫差。溫差過大可能導(dǎo)致溫度應(yīng)力，進(jìn)而引起裂縫的產(chǎn)生。通過安裝溫度傳感器在不同深度、不同位置處進(jìn)行監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)并采取措施來調(diào)節(jié)和控制溫度差異。此外，環(huán)境溫度的變化也會對混凝土的養(yǎng)護(hù)效果有一定影響。因此，應(yīng)在養(yǎng)護(hù)期間監(jiān)測周圍環(huán)境的溫度，并與混凝土的溫度進(jìn)行比較，并采取相應(yīng)的措施來調(diào)整養(yǎng)護(hù)方式，確保混凝土獲得良好的強(qiáng)度和耐久性。具體溫度控制標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

5 混凝土溫度監(jiān)控

已有相關(guān)工程經(jīng)驗表明，隧道底板、邊墻及頂板交界處中心溫度高，應(yīng)力容易集中在縱向分層施工縫處，因此該文選擇對該部位進(jìn)行溫度監(jiān)控，從而指導(dǎo)與調(diào)整混凝土抗裂措施，提高工程質(zhì)量。具體監(jiān)測結(jié)果如圖1所示。

由圖中溫度監(jiān)測結(jié)果可看出，混凝土中心最高溫度為66 ℃，＜70 ℃，內(nèi)外最大溫差為13.2 ℃，＜25 ℃，混凝土溫度主要控制指標(biāo)能夠滿足表3中溫度控制標(biāo)準(zhǔn)要求。然而，降溫速率為3.8 ℃/d，＞3 ℃/d，略超過表3指標(biāo)要求，降溫速率過快，增加了后期混凝土開裂的風(fēng)險。因此，還應(yīng)在施工過程中加強(qiáng)對混凝土降溫速度的控制。

6 工程應(yīng)用效果評價

該文對應(yīng)用抗裂混凝土的隧道段落進(jìn)行了裂縫檢測，檢測結(jié)果如表4所示。

從表4結(jié)果可看出，隧道檢測段落內(nèi)頂板與底板位置處皆未出現(xiàn)裂縫和滲漏等病害，側(cè)墻雖出現(xiàn)了8條裂縫，但最大裂縫寬度僅為0.04 mm，屬于細(xì)微裂縫?？傮w而言，抗裂混凝土的工程應(yīng)用效果良好。

7 結(jié)語

該文以湖州申蘇浙皖至申嘉湖高速公路連接線與吳興大道交叉段設(shè)計變更施工第1標(biāo)段南岙隧道工程為例，展開了隧道大體積混凝土裂縫控制技術(shù)應(yīng)用研究，得到如下主要研究結(jié)論：

（1）為提升混凝土抗裂性，在配合比設(shè)計階段，該文采用了降低水泥劑量，同時摻入礦物摻合料以及高性能減水劑的做法。其中，粉煤灰、礦粉、減水劑用量分別占膠凝材料總量的25%、30%、1%。

（2）溫度監(jiān)控結(jié)果顯示，中心最高溫度、內(nèi)外最大溫差2項重要指標(biāo)均能滿足溫度控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）實體工程應(yīng)用結(jié)果表明，通過應(yīng)用該文制備的抗裂混凝土，以及采取控制入模溫度、混凝土分層澆筑、加強(qiáng)振搗質(zhì)量等措施，可以有效控制隧道裂縫的產(chǎn)生，具有良好的工程應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

[1]金文良， 徐文， 劉迪， 等. 深中通道隧道現(xiàn)澆暗埋段大體積混凝土抗裂技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 中國港灣建設(shè)， 2022（8）： 7-11.

[2]王丙壘， 紀(jì)憲坤， 徐可， 等. 蘇州某穿湖隧道大體積混凝土工程裂縫控制應(yīng)用研究[J]. 新型建筑材料， 2021（10）： 142-147+177.