孫 斌， 鄧家勝， 廖 惠， 劉言峰

(1.上海?？乒こ套稍冇邢薰荆虾?200231； 2.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東廣州 510000；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

沉管隧道工程混凝土裂縫控制技術(shù)

孫 斌1， 鄧家勝2， 廖 惠3， 劉言峰3

(1.上海?？乒こ套稍冇邢薰?，上海 200231； 2.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東廣州 510000；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

文章以佛山市汾江路南延線沉管隧道混凝土工程為背景，對(duì)混凝土裂縫控制技術(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)合理設(shè)置混凝土配合比、改善混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)工藝、監(jiān)測(cè)混凝土溫度等措施有效地控制了裂縫的產(chǎn)生，提高了混凝土抗?jié)B性能，保證裂縫滿足設(shè)計(jì)要求。

沉管隧道； 大體積混凝土； 裂縫控制

沉管隧道將陸上交通和水上交通結(jié)合在一起，以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)滿足了日益發(fā)展的交通需求。自第一條沉管隧道建成至今有百余年，沉管隧道技術(shù)飛速發(fā)展，不斷取得突破，在我國(guó)寧波、上海、廣州等地修建了多條沉管隧道[1]。沉管隧道采用預(yù)制管段，將若干預(yù)制管段浮運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，一個(gè)接一個(gè)沉放安裝，形成工程主體。預(yù)制沉管段屬于超大體積混凝土構(gòu)件，造成其產(chǎn)生裂縫的因素是多方面的，例如沉管的管型及尺寸、相鄰混凝土的約束作用、混凝土早期抗裂性能及體積穩(wěn)定性、水化熱及溫度控制等。有害裂縫讓沉管管段的抗?jié)B性能降低，影響混凝土工作性能，因此裂縫控制技術(shù)是沉管隧道是否成功的關(guān)鍵。

佛山市汾江路南延線沉管隧道工程單節(jié)預(yù)制管段最大長(zhǎng)度為 115 m，屬于超長(zhǎng)大體積混凝土構(gòu)件，通過(guò)室內(nèi)綜合性能測(cè)試優(yōu)選出混凝土施工配合、采用水養(yǎng)護(hù)和密封養(yǎng)護(hù)手段讓水泥充分水化、對(duì)沉管內(nèi)部的溫度應(yīng)力變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保沉管內(nèi)部不出現(xiàn)過(guò)大溫度及應(yīng)力、對(duì)產(chǎn)生的裂縫后采取有針對(duì)性的修補(bǔ)等關(guān)鍵技術(shù)控制裂縫，提高沉管段的抗裂性及抗?jié)B性。

1 沉管隧道混凝土配合比

沉管結(jié)構(gòu)屬于大體積混凝土構(gòu)件，在管段的制作、運(yùn)輸、安裝過(guò)程中容易出現(xiàn)裂縫，因此混凝土裂縫需要重點(diǎn)關(guān)注和控制?？碧浇Y(jié)果表明本工程所處的環(huán)境為I-C環(huán)境，氯離子、硫酸鹽濃度較低，屬于普通干濕交替環(huán)境，因此采用高性能的混凝土原材料及高抗裂性配合比用于該工程施工。通過(guò)理論分析和系列實(shí)驗(yàn)對(duì)配合比進(jìn)行了研究，確定控制混凝土產(chǎn)生裂縫的配合比，使其滿足設(shè)計(jì)、施工工藝要求。

1.1 沉管混凝土配合比設(shè)計(jì)原則

1.1.1 基本性能參數(shù)

混凝土的基本性能參數(shù)：抗?jié)B等級(jí)P10，強(qiáng)度等級(jí)C40，容重2.34～2.36 t/m3，塌落度為120～160 mm。

1.1.2 高性能要求

(1)采用級(jí)配良好的集料，避免使用不利于混凝土抗裂性能、耐久性能以及不利于降低混凝土溫升的原材料；

(2)采用低水化熱水泥并控制其用量，使用大摻量?jī)?yōu)質(zhì)粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉等礦物摻合料， 可以降低混凝土產(chǎn)生水化熱，提高其抗氯離子滲透性。

(3)加入高效減水劑，延緩初凝時(shí)間，將水灰比控制在0.45下，增強(qiáng)混凝土自防水能力。

1.2 沉管混凝土配合比

1.2.1 沉管主體混凝土推薦配合比

通過(guò)對(duì)多組混凝土配合比進(jìn)行工作性能、力學(xué)性能、耐久性能的綜合比較，最終采用膠凝材料體系水化放熱總量較低的配合比，混凝土抗壓強(qiáng)度介于55～63 MPa之間，混凝土工作性能均滿足要求。推薦沉管主體混凝土采用表1的配合比。

1.2.2 后澆帶混凝土推薦配合比

后澆帶混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)高于兩側(cè)混凝土一個(gè)等級(jí)，且應(yīng)采用摻膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土澆筑，水中養(yǎng)護(hù)14 d后的限制膨脹率不應(yīng)小于0.015 %。后澆帶混凝土推薦配合比見(jiàn)表2。

2 改善混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)工藝

2.1 混凝土澆筑

為保證混凝土澆筑質(zhì)量，在澆筑過(guò)程中控制下料高度不大于2 m；管段混凝土采取分層澆筑的方式，每層澆筑高度小于30 cm，澆筑時(shí)間間隔不超過(guò)初凝時(shí)間；采用加長(zhǎng)型插入式振搗棒，分層分區(qū)振搗，要求振搗時(shí)做到“不碰模板、不碰鋼筋、不碰預(yù)埋件”。

2.2 混凝土養(yǎng)護(hù)

澆筑完混凝土底板及頂板，完成收水后，覆蓋土工布澆水保濕養(yǎng)護(hù)，待混凝土終凝之后，在板表面蓄水養(yǎng)護(hù)[2]；中隔墻在拆模后覆蓋土工布噴水養(yǎng)護(hù)；在工期允許的情況下，推遲外隔墻的拆模時(shí)間，拆模后繼續(xù)保濕保溫養(yǎng)護(hù)；內(nèi)模拆除后，封閉管段阻止空氣流通，減少內(nèi)孔水分散失，保持管內(nèi)相對(duì)濕度大于85 %以上[3]。

2.3 控制基礎(chǔ)及模板支架

對(duì)管段預(yù)制場(chǎng)的基礎(chǔ)進(jìn)行處理，滿足地基承載力的要求，避免地基不均勻沉降引起裂縫。沉管模板經(jīng)過(guò)專家論證滿足設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)格控制模板及支架的安裝精度，確保管段的制作精度，保證模板支架具有足夠的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性[4]。

3 混凝土溫度監(jiān)控

溫度應(yīng)力是造成大體積混凝土開(kāi)裂的主要原因之一。水泥水化過(guò)程釋放大量水化熱導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的溫度上升，引起混凝土膨脹(或收縮)變形，混凝土結(jié)構(gòu)受到約束會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，若該拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，則會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。因此控制溫度裂縫是預(yù)制混凝土沉管段關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)兩節(jié)以上長(zhǎng)16 m的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段開(kāi)展溫度及應(yīng)力監(jiān)測(cè)，關(guān)注澆筑塊內(nèi)部的溫度變化，從而確定合理的養(yǎng)護(hù)措施，確保工程質(zhì)量。

3.1 傳感器布置

利用MIDAS/Civil軟件完成該結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力等指標(biāo)的有限元分析，提取了溫度、應(yīng)力較大的部位，結(jié)合沉管段的對(duì)稱性，在長(zhǎng)16 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段縱向1/2剖面及A-A剖面上布置溫度及應(yīng)力傳感器， 31個(gè)應(yīng)力傳感器。

3.1.1 溫度傳感器布置

溫度傳感器全部布置在縱向1/2剖面上，總共布置13個(gè)。其中底板溫度傳感器布置于電纜廊道下面中心點(diǎn)及表面點(diǎn)，下倒角內(nèi)側(cè)面、中心、外側(cè)面共5點(diǎn)；頂溫度傳感器布置于電纜廊道上面中心點(diǎn)及表面點(diǎn)，右上倒角中心、外側(cè)點(diǎn)，澆筑界面共5點(diǎn)；另空氣中布置3個(gè)傳感器，界面點(diǎn)布置于距離界面50 mm處。溫度傳感器布置見(jiàn)圖1。

3.1.2 應(yīng)力傳感器布置

縱向1/2剖面上共布置26個(gè)應(yīng)力傳感器，傳感器的布置方向應(yīng)與主拉應(yīng)力方向一致。頂板和底板傳感器的方向?yàn)槌凉軝M截面水平方向(以下簡(jiǎn)稱橫向)，側(cè)墻傳感器的方向?yàn)槌凉茌S線方向(以下簡(jiǎn)稱縱向)，倒角處的傳感器方向與倒角平行。表面點(diǎn)的應(yīng)力傳感器布置于距離表面50 mm處。應(yīng)力傳感器布置圖見(jiàn)圖2、圖3。

A-A剖面共布置9個(gè)縱向應(yīng)力傳感器，縱向每隔1.5 m布置一個(gè)縱向傳感器，在澆筑界面處共布置6個(gè)傳感器，右墻內(nèi)側(cè)面布置4個(gè)縱向傳感器。

3.2 監(jiān)測(cè)頻率

各層傳感器固定以后，需將電纜連接到相應(yīng)的采集器上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、混凝土表面溫度、混凝土內(nèi)部溫度變化。澆筑3 d內(nèi)，采集數(shù)據(jù)的頻率為0.5 h一次；第4 d至7 d齡期，采集數(shù)據(jù)頻率為1 h一次；第8 d至14 d，采集數(shù)據(jù)頻率為3 h一次。根據(jù)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)制度，嚴(yán)格控制混凝土的芯部與表層之間的溫差不超過(guò)20℃，直至混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止。澆筑后90 d內(nèi)應(yīng)監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化情況。5 d內(nèi)，每1 h采集一次數(shù)據(jù)；第6～14 d，每3 h采集一次數(shù)據(jù)；第14～30 d，每6 h采集一次數(shù)據(jù);第30～90 d，每24 h采集一次數(shù)據(jù)。

3.3 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

沉管預(yù)制不同階段混凝土溫度控制指標(biāo)應(yīng)符合下列要求：

(1)混凝土攪拌生產(chǎn)階段，混凝土出機(jī)溫度控制標(biāo)準(zhǔn):高溫季節(jié)≤28℃；低溫季節(jié)≤23℃。

(2)混凝土澆筑階段，混凝土澆筑溫度控制標(biāo)準(zhǔn)：高溫季節(jié)≤30℃；低溫季節(jié)≤25℃。

(3)養(yǎng)護(hù)階段，混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

(4)高溫季節(jié)是溫度控制的重點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)原材料攪拌前溫度的監(jiān)測(cè)和控制，各種混凝土原材料進(jìn)場(chǎng)前及攪拌前的溫度控制指標(biāo)見(jiàn)表4。

3.4 預(yù)控措施

(1)混凝土內(nèi)部最高溫度超過(guò)要求，采取鋪設(shè)冷卻水管、降低混凝土澆筑溫度等措施。

(2)混凝土內(nèi)表溫差、表面與環(huán)境溫差、降溫速率等指標(biāo)過(guò)大，采取保溫措施。

(3)混凝土在0～14 d內(nèi)出現(xiàn)的應(yīng)力，通常與混凝土的溫度相關(guān)，分析溫度監(jiān)控信息后采取相應(yīng)的措施。在14 d后出現(xiàn)的應(yīng)力，一般與混凝土內(nèi)部的約束及混凝土的收縮有關(guān)。對(duì)有限元模型進(jìn)行分析得知，14 d后容易在頂板分層澆筑界面處出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，應(yīng)考慮以下措施：將分層澆筑的時(shí)間間隔縮短至15 d；將底板側(cè)墻的養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)至拆除頂板側(cè)墻養(yǎng)護(hù)措施時(shí)，減小底板和頂板收縮不同步導(dǎo)致的約束應(yīng)力；必要時(shí)可在頂板混凝土中摻入減縮劑，減少頂板的收縮量；必要時(shí)可在分層澆筑的界面設(shè)置兩層油氈夾滑石粉或二油一氈等滑動(dòng)層體系，同時(shí)做好界面的防水措施。

4 管段裂縫檢測(cè)及修補(bǔ)

雖然采取了一系列裂縫控制措施，但是管段裂縫是不可避免的，出現(xiàn)裂縫后，檢測(cè)裂縫的寬度，裂縫發(fā)展情況以及變形等情況，結(jié)合各方面因素查找出開(kāi)裂的原因，正確判斷其危害程度，采取有針對(duì)性的補(bǔ)救措施。

4.1 裂縫檢測(cè)

檢測(cè)混凝土裂縫的方法有：直接和間接觀察法、無(wú)損檢測(cè)法以及取芯測(cè)試法。檢測(cè)方法及控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

4.2 裂縫修補(bǔ)方法

(1)表面封閉法：利用裂縫的毛細(xì)作用吸收低黏度且滲透性良好的修補(bǔ)膠液，封閉裂縫通道，此方法適用于寬度w≤0.2 mm的微細(xì)獨(dú)立裂縫和網(wǎng)狀裂縫。

(2)注射法：先將裂縫周邊進(jìn)行密封，采用低黏度、高強(qiáng)度的裂縫補(bǔ)膠液，借助一定的壓力將其注入裂縫腔內(nèi)。此方法適用于0.1 mm≤w≤1.5 mm靜止的獨(dú)立裂縫、貫穿性裂縫。

(3)壓力注漿法：利用較高壓力快速將注漿料壓入裂縫腔內(nèi)，此法適用于大體積混凝土貫穿性裂縫、嚴(yán)重蜂窩狀及深而蜿蜒的裂縫。

(4)填充密封法：在構(gòu)件表面沿裂縫走向騎縫鑿出槽深和槽寬分別不小于20 mm和15 mm的U形溝槽，然后用改性環(huán)氧樹(shù)脂或彈性填縫材料充填，并粘貼纖維復(fù)合材以封閉其表面，此法適用于處理w>0.5 mm的裂縫[7]。

5 結(jié)論

沉管隧道裂縫控制技術(shù)可總結(jié)如下：

(1)選擇合理的混凝土配合比，降低超大體積混凝土水化產(chǎn)生的熱量，提高結(jié)構(gòu)的抗裂性。

(2)改善混凝土的澆筑和養(yǎng)護(hù)技術(shù)使水泥充分水化，采用分段分層澆筑有利于熱量散發(fā)，提高混凝土施工質(zhì)量，控制裂縫產(chǎn)生。

(3)監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部溫度，降低混凝土內(nèi)外溫差，減小熱量引起溫度膨脹(或收縮)變形，減少溫度裂縫的產(chǎn)生。

(4)混凝土結(jié)構(gòu)不可避免會(huì)產(chǎn)生裂縫，對(duì)產(chǎn)生的裂縫采取補(bǔ)救性措施，保證結(jié)構(gòu)耐久性。

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孫斌(1971～)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。

TU755.6+7

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[定稿日期]2017-04-16