楊 濤

（浙江溫州沈海高速公路有限公司，浙江溫州 325002）

補償收縮混凝土在明挖暗埋隧道矩形框架結(jié)構中的應用研究

楊 濤

（浙江溫州沈海高速公路有限公司，浙江溫州 325002）

為解決矩形框架結(jié)構的明挖暗埋隧道中混凝土結(jié)構裂縫和滲漏水問題，提出采用補償收縮混凝土來提高結(jié)構抗裂性能的思路，介紹了補償收縮混凝土矩形框架結(jié)構內(nèi)力和變形計算方法和其配合比設計.對依托工程的計算結(jié)果顯示，采用補償收縮混凝土后，隧道結(jié)構的彎矩減小、軸力提高、偏心矩減小，抗裂性能明顯提高.

補償收縮混凝土；明挖暗埋隧道；矩形框架；抗裂

公路越江隧道、城市道路和軌道交通工程等大量采用矩形框架結(jié)構的明挖暗埋隧道，與此同時，以混凝土結(jié)構裂縫及滲漏水為代表的病害問題日益凸顯.一方面，明挖暗埋矩形框架結(jié)構較之山嶺隧道拱形結(jié)構的受力較為不利，尤其是頂板跨中彎矩小、軸向力小，呈大偏心的壓彎構件；另一方面，由于溫度和收縮應力作用、運營車輛的循環(huán)荷載作用，以及混凝土的原材料、環(huán)境、設計和施工質(zhì)量等因素導致裂縫作為一種頑癥與隧道結(jié)構如影隨形.研究表明［1］，隧道結(jié)構產(chǎn)生的裂縫屬于荷載引起的結(jié)構性裂縫約占20％；屬于變形變化引起的非結(jié)構性裂縫則高達80％左右，其中以收縮裂縫為主導.盡管國內(nèi)工程技術人員針對隧道裂縫這一頑癥開展了相關的研究，包括裂縫的成因、防止措施［2］、裂縫間距和寬度計算［3］、帶裂縫的襯砌結(jié)構安全評估［4］、跟蹤監(jiān)測［5］等，也取得了一定的成果，但是尚不能從根本上根治這一頑癥.

補償收縮混凝土被認為是優(yōu)質(zhì)的抗裂防滲混凝土，該技術已經(jīng)在房屋建筑領域普及推廣，成績顯著，早在1992年建設部就頒布了《UEA補償收縮混凝土防水工法》（YJGF22-92）［6］.例如北京亞運會奧林匹克體育中心田徑場看臺和高架平臺，約3萬多平方米，由于采用UEA防水混凝土經(jīng)20年考驗無滲水；2008年北京奧運會的國家體育場、國家游泳中心、北京奧林匹克公園國家會議中心、中心區(qū)地下交通聯(lián)系通道和中國科學技術新館等奧運工程地下結(jié)構都采用了補償收縮混凝土［7］.補償收縮混凝土技術在房屋建筑領域的成功應用，為該技術在交通隧道領域的推廣應用提供了理論基礎和有益借鑒.

利用隧道結(jié)構周邊良好的約束條件以及補償收縮混凝土能增加結(jié)構自應力的性能特點，本文以浙江省寧?？hG228國道西店灣明挖暗埋隧道為研究背景，提出在明挖暗埋隧道中采用補償收縮混凝土來提高結(jié)構抗裂性能的思路.研究采用荷載-結(jié)構法進行明挖暗埋隧道結(jié)構計算分析時考慮限制膨脹率的方法，通過定量分析四車道隧道矩形框架結(jié)構的內(nèi)應力，驗證補償收縮混凝土的結(jié)構抗裂性能.最后，從施工技術角度介紹補償收縮混凝土的配合比設計方法.

1 補償收縮混凝土矩形框架結(jié)構的計算方法

混凝土在硬化過程中會產(chǎn)生自收縮、溫差收縮和干縮，在鋼筋等限制下便產(chǎn)生收縮拉應力，當其超過混凝土的抗拉強度時，就會產(chǎn)生開裂.補償收縮混凝土在硬化過程產(chǎn)生適度體積膨脹，在鋼筋等限制下，膨脹使鋼筋受拉，反過來混凝土受壓，稱之自應力.根據(jù)美國和日本有關規(guī)范以及我國的研究［7-8］，這一自應力范圍為0.2 - 1.0 MPa，這是補償收縮混凝土的基本特征.

1.1 結(jié)構計算方法及彈性抗力的考慮

明挖暗埋法建造的隧道通常應采用考慮地層抗性抗力的荷載-結(jié)構法計算.所謂地層抗力，即隧道因其變形受到地層約束而產(chǎn)生的一種被動荷載，是地層對隧道結(jié)構的反作用力.所謂荷載-結(jié)構法，即認為隧道回填后地層的作用主要是對隧道結(jié)構產(chǎn)生荷載，隧道結(jié)構應能安全可靠地承受覆土、地面超載等荷載的作用.采用荷載-結(jié)構法計算隧道結(jié)構的內(nèi)力和變形時，應通過考慮彈性抗力來體現(xiàn)地層、基坑圍護結(jié)構對隧道結(jié)構變形的約束作用.

彈性抗力的大小及分布，對回填密實的側(cè)墻、底板構件可采用局部變形理論，按下式計算確定.

式中σ表示彈性抗力的強度；k表示地層彈性抗力系數(shù)，即基床系數(shù)，以本隧道為例，根據(jù)地勘報告其地層彈性抗力系數(shù)k取30 MPa/m；δ表示隧道朝向地層變形值，由于隧道結(jié)構與周邊土體之間不可能產(chǎn)生拉應力，因此當變形朝向隧道時取為零.

荷載-結(jié)構法的計算步驟為：

1）根據(jù)隧道的結(jié)構特點，可以按照平面應變問題截取單位寬度（1 m）的結(jié)構，然后采用梁單元建立結(jié)構構件模型，賦予材料、截面等參數(shù)；

2）根據(jù)隧道的變形特征，可以認為地層抗力只存在與側(cè)墻和底板，于是在側(cè)墻及底板處添加只能承受壓力的彈簧用以模擬地層彈性抗力；

3）根據(jù)隧道結(jié)構在生命周期中可能出現(xiàn)的荷載情況施加荷載并定義荷載組合，然后進入后臺計算過程；

4）在軟件圖形平臺中查看各種內(nèi)力及變形計算結(jié)果，具體可采用Sap 84、Midas Civil等通用結(jié)構分析軟件.

1.2 補償收縮混凝土限制膨脹率的考慮

盡管《補償收縮混凝土應用技術規(guī)程》（JGJ/T178-2009）［8］中沒有對交通隧道結(jié)構采用補償收縮混凝土的限制膨脹率提出要求，但是隧道襯砌結(jié)構與墻體的受力特征相似，因此可以參照規(guī)程中對墻體結(jié)構的限制膨脹率的要求取值，即取為0.02％.當采用荷載-結(jié)構法進行隧道結(jié)構受力分析時，可以通過設置溫升荷載的方式來等效模擬限制膨脹率的作用.

以依托隧道為例，其頂板厚度為80 cm、側(cè)墻厚度為90 cm、底板厚度100 cm，水平主筋按經(jīng)濟配筋率1.0％配筋，與限制膨脹率測定試件的配筋率0.785％接近，因此，可以按照0.02％的限制膨脹率來設定溫度荷載.另一方面，混凝土的熱膨脹系數(shù)為0.001％，0.02％的限制膨脹率即等效于施加20度的溫度荷載.

1.3 依托隧道計算結(jié)果

浙江省寧海縣G228國道西店灣明挖隧道為四車道一級公路隧道，幾何線形與凈空按80 km/h設計，斷面采用兩孔一管廊的形式，為了改善頂板的受力，兩側(cè)采用折板方式，行車管廊的總基本寬度為10.25 m，行車道限界凈高為5.0 m.

按照上述計算原理，在微機結(jié)構分析通用程序Sap 84中建立了荷載-結(jié)構法計算模型（圖1），并按照桿系有限元原理進行結(jié)構計算，地層彈簧單元采用迭代法作變形控制分析，以判斷出抗力區(qū)的確切范圍.

以頂板為例，算得的跨中軸力凈增加值為151 kN，即壓應力增加0.216 MPa，跨中負彎矩約58 kN·m，拱肩負彎矩約136 kN·m，側(cè)墻彎矩約177 kN·m（圖2）.

在不采用補償收縮混凝土時，頂板跨中所受彎矩為643 kN·m，軸力為236 kN（圖3），偏心距為2 725 mm，為大偏心構件，頂板底部需配置11根Φ22（HRB335）才能滿足裂縫寬度不大于0.20 mm的要求.

若采用補償收縮混凝土時，其頂板跨中彎矩減小為585 kN·m，軸力增加為386 kN（圖4），偏心距減小為1 516 mm，若維持環(huán)向配筋率不變，此時裂縫寬度計算值僅0.11 mm；若按0.20 mm的裂縫控制寬度，則每延米所需Φ22（HRB335）鋼筋減少為9根，配筋率可減少18％.

同時，頂板負彎矩區(qū)、側(cè)墻、底板的受力都有不同程度的改善，當維持普通混凝土結(jié)構相同的配筋率時，可以明顯地改善結(jié)構的抗裂性能.

圖1 隧道平面計算模型

圖2 補償收縮混凝土結(jié)構軸力和彎矩凈增加值（軸力單位kN， 彎矩單位kN·m）

圖3 采用普通混凝土的典型斷面軸力和彎矩值（軸力單位kN， 彎矩單位kN·m）

圖4 采用補償收縮混凝土的典型斷面軸力和彎矩值（軸力單位kN， 彎矩單位kN·m）

2 補償收縮混凝土的配合比設計

補充收縮混凝土的性能指標通過混凝土的配合比來實現(xiàn).目前常用的膨脹劑有硫鋁酸鈣類、硫鋁酸鈣-氧化鈣和氧化鈣類三類，應用較多的有鋁酸鈣類的CSA硫膨脹劑、UEA膨脹劑，硫鋁酸鈣-氧化鈣類的HCSA高性能混凝土膨脹劑，以及以HCSA為主要成分并摻加塑性膨脹組分、防滲減縮組分的HEA膨脹劑.其中UEA膨脹劑不含鈉鹽，不會引起混凝土的堿骨料反應，膨脹性能穩(wěn)定，強度持續(xù)上升，故其應用最為成熟.

在依托隧道中，摻加UEA膨脹劑配置補償收縮矩形隧道結(jié)構混凝土，其配合比試驗方案流程如下：

為水泥28 d實測抗壓強度，標號425的水泥取為42.5 MPa；

3）根據(jù)坍落度、碎石最大粒徑及減水劑減水率選取用水量0wm為175 kg；

5）確定砂率為βs=44％；

6）采用絕對體積法計算砂、石用量；

7）摻粉煤灰、礦渣、膨脹劑后水泥用量：mc0=mb0［1-0.1（礦渣替換量）-0.2（粉煤灰替換量）-0.1（膨脹劑摻量）］；

8）S95級高爐粒化礦渣用量（等量取代10％）：mz=mb0×0.1；

9）Ⅱ級低鈣粉煤灰（F類）用量（等量取代20％）：mf=mb0×0.2；

10）UEA膨脹劑用量（等量取代10％）：mp=mb0×0.1；

11）減水劑用量（摻量為膠凝材料1.0％）.

根據(jù)配合比試驗，確定隧道結(jié)構C40補償收縮混凝土的基準配合比如表1所示，實測的混凝土坍落度為135 mm，表觀密度為2 378 kg/m3.

表1 隧道結(jié)構C40補償收縮混凝土基準配合比

3 結(jié) 語

隧道結(jié)構裂縫是目前隧道結(jié)構中的最為普遍的病害，不僅關系到混凝土結(jié)構的外觀，也嚴重影響到結(jié)構的安全性.考慮到隧道結(jié)構周邊地層尤其是圍護結(jié)構能提供良好的周邊約束條件，采用補償收縮混凝土來增加大跨度明挖暗埋隧道結(jié)構自應力從而提高抗裂性能的措施.

補償收縮混凝土的隧道矩形結(jié)構內(nèi)力和變形計算可以采用荷載-結(jié)構法，并通過布置只壓彈簧的方式來考慮地層和圍護結(jié)構的彈性抗力；根據(jù)限制膨脹率與熱膨脹系數(shù)之間的關系，通過設置溫度荷載來考慮混凝土膨脹效果.

通過對依托隧道的計算分析，定量獲得了四車道明挖暗埋隧道矩形框架的內(nèi)應力.結(jié)果顯示，采用補償收縮混凝土后，隧道結(jié)構的彎矩減小、軸力提高、偏心矩減小，抗裂性能明顯提高.

補償收縮混凝土技術在明挖暗埋法隧道矩形框架結(jié)構中的應用實踐為改善隧道結(jié)構裂縫這一頑癥提供了解決思路，可以為其它類似隧道提供有益的借鑒.

［1］ 王鐵夢. 工程結(jié)構裂縫控制［M］. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 1999： 6.

［2］ 林懷釧. 隧道2次襯砌混凝土裂縫產(chǎn)生原因和防治措施［J］. 公路交通技術， 2010（2）： 116-118， 124.

［3］ 榮耀， 許錫賓， 蔡曉鴻. 基于彈性地基梁法的隧道襯砌裂縫間距和寬度的計算［J］. 重慶建筑大學學報， 2006，28（5）： 23-26.

［4］ 王華牢， 劉學增， 李寧. 縱向裂縫隧道襯砌結(jié)構的安全評價與加固研究［J］. 巖石力學與工程學報， 2010， 29（1）：2651-2656.

［5］ 葉飛， 何川， 夏永旭. 公路隧道襯砌裂縫的跟蹤監(jiān)測與分析研究［J］. 土木工程學報， 2010， 43（7）： 97-104.

［6］ 建設部. UEA補償收縮混凝土防水工法： YJGF22-92 ［S］. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 1992： 1.

［7］ 劉緒光， 游寶坤.《補償收縮混凝土應用技術規(guī)程》的意義［J］. 膨脹劑與膨脹混凝土， 2010（2）： 3-6.

［8］ 住房和城鄉(xiāng)建設部. 補償收縮混凝土應用技術規(guī)程： JGJ/T178-2009 ［S］. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2009： 5.

［9］ 住房和城鄉(xiāng)建設部. 普通混凝土配合比設計規(guī)程： JGJ55-2011 ［S］. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2009： 6.

The Study on the Application of Expansive Concrete in the Rectangular Frame Structure of Cut and Cover Tunnel

YANG Tao
（Wenzhou Shenyang-Haikou Expressway Co. Ltd.， Wenzhou， China 325002）

To solve the problems of concrete structure crack and leakage in rectangular frame structure of cut and cover tunnel， the idea to improve the anti-cracking ability in structure by means of shrinkage compensating concrete technology is adopted. Then， the structure internal force and deformation calculation method for shrinkage compensating concrete rectangular frame and the design of mixture ratio are introduced. The support construction calculation results show that the bending moment of tunnel structure is decreased，the axial force is enhanced， the eccentricity is minimized and the anti-crack property is obviously improved by the application of shrinkage compensating concrete.

Shrinkage Compensating Concrete； Cut and Cover Tunnel； Rectangular Frame； Anti-crack

TU92

A

1674-3563（2016）03-0049-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2016.03.008 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

（編輯：封毅）

2016-01-30

浙江省交通運輸廳科研計劃項目（201603）；溫州市公益性科技計劃項目（G20140038）

楊濤（1977- ），男，博士研究生，高級工程師，研究方向：公路橋梁和隧道病害處治及養(yǎng)護技術