蔡 杰

(中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510290)

1 工程概況

某工程沉管段隧道總長492 m，橫截面設計寬30.40 m，高8.70 m，截面面積為264.48 m2，雙向六車道，一共有4個長管節(jié)和1個短管節(jié)，縱向分4段，在南岸獨立干塢內分二次預制，管段之間采用柔性接頭，各管段安裝和最終接頭施工完成后，管段長度組成為(123 m+123 m+123 m+123 m)。由南向北管段編號為E1、E2-1+E2-2(短管節(jié))、E3、E4；其中E1、E3、E4預制長度均為123 m；E2-2為短管節(jié)，長3.5 m，E2-1長度為117 m，E2-2和E3在干塢內預先拉合，形成一體進行浮運沉放；最終接頭設置在E2-1和E2-2之間，長2.5 m，是水中接頭。管段之間采用柔性接頭，各管段安裝及最終接頭施工完成后管段長度組成為(123 m+123 m+123 m+123 m)。

車陂隧道設計采用整體式管節(jié)，結構剛度較大，雖采用全斷面澆筑工藝，但混凝土體積方量大，混凝土水化熱溫升高、收縮大，因此開裂發(fā)生的幾率隨之增大[1]。所以，車陂隧道工程使用全斷面一次性整體澆筑的方式，該工藝曾在港珠澳大橋島隧工程中運用過[2]，其第一次被應用于內河沉管隧道工程中?，F(xiàn)階段，沉管隧道管節(jié)澆筑作業(yè)可以通過分段分層或者全斷面澆筑施工。采用分段分層澆筑方式，兩次新澆混凝土收縮時間不一致，易導致豎向裂縫，而車陂隧道選擇的全斷面澆筑則可消除該裂縫。

2 溫度監(jiān)測與控制技術

2.1 溫控測試與信息化施工

為了保證隧道管段預制施工質量、控制溫度裂縫缺陷出現(xiàn)概率，綜合考慮相關因素后，該沉管隧道工程使用JTM-2型溫度巡回檢測系統(tǒng)，科學編制溫度控制方案，并以此為指導于管段澆筑施工時埋設熱電偶溫度計，實現(xiàn)動態(tài)跟蹤監(jiān)測點溫度，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理與分析，精準掌握評價施工工藝，優(yōu)化施工。采用信息化現(xiàn)場溫度控制系統(tǒng)操作簡單、覆蓋范圍廣，還實現(xiàn)了高精度和高靈敏性的施工監(jiān)控與數(shù)據(jù)收集，提高了管理的信息化與智能化水平。

在底板和頂板倒角處、邊墻這幾個位置處分別預埋內側、外側及中心3個測溫元件，并依據(jù)布點設計方案對預埋件采取固定和保護處理措施，防止后續(xù)混凝土施工時碰撞到預埋件，進而降低預埋件的穩(wěn)定性。立足現(xiàn)場實際，以混凝土水化熱發(fā)展情況為參考，合理調整溫控監(jiān)測與防裂測試的頻率，先將測試間隔時間設置成1 h，再調整至2 h，混凝土溫度梯度降低后調整至4 h，混凝土溫度降低速率降至較低水平后，將測試間隔調至12 h，最后調整至24 h?；炷潦┕?4 d后，檢測人員根據(jù)實際的檢測數(shù)據(jù)確定是否需要繼續(xù)監(jiān)測，一般情況下30 d后混凝土溫度與環(huán)境溫度差距已經(jīng)較小，可終止溫度檢測。

2.2 開裂風險評估

車陂隧道工程沉管混凝土等級為C40P10，單個沉管節(jié)段的尺寸為長×寬×高=16.2 m×30.4 m×8.7 m，采取全斷面連續(xù)式設置后澆帶的澆筑工藝，后澆帶寬度為1.60 m，單個節(jié)段混凝土采用“分層澆筑、一次到頂”的施工工藝。

2.3 沉管開裂風險評估

2.3.1 溫度場模擬計算

按照沉管節(jié)段實際澆筑尺寸建立有限元模型，并劃分網(wǎng)格和進行有限元計算，再依據(jù)有限元計算獲取混凝土澆筑后0～7 d中：①沉管混凝土于不采用冷卻水管的情況下，混凝土中心溫度在54 h達到峰值，具體為67.9℃，內表溫差在66 h達到最大，最大值為24.9℃；②沉管混凝土在采用冷卻水管的情況下，混凝土中心溫度在36 h達到峰值，具體為62.6℃；內表溫差在66 h達到最大，最大值為19.2℃。

2.3.2 自約束應力評估

基于澆筑的混凝土內表溫差的模擬結果來明確混凝土各齡期的彈性模量和抗拉強度，對內表溫差導致的混凝土自約束應力展開計算，最后計算得到各齡期自約束應力的抗裂安全系數(shù)Kz。無冷卻水管情況下，混凝土澆筑后自約束應力抗裂安全系數(shù)都>1.15，因此，由自約束應力導致的混凝土開裂風險較低。通過有限元模擬計算結果可知，隧道沉管混凝土澆筑后受自約束應力和外約束應力影響而產(chǎn)生的溫度裂縫及收縮裂縫概率較小。根據(jù)溫度模擬計算結果來看，不設置冷卻水管的情況下，沉管內部最高溫度達67.9℃，在布設冷卻水管的情況下，沉管的內部最高溫度為62.6℃，均滿足≤70℃的指標要求，沉管混凝土內表溫差也均符合≤25℃指標的要求。采用冷卻水管可使混凝土內部最高溫度下降約5℃～6℃。

分析開裂風險評估的結果可知，在不布設冷卻水管時沉管混凝土開裂風險比較低；在設置冷卻水管后沉管開裂風險依然較小。綜合來說，采用冷卻水管對降低沉管混凝土的開裂作用有限。因此，可考慮取消冷卻水管。

根據(jù)模擬計算結果來看，混凝土入模溫度為30℃時，在不布置冷卻水管的情況，沉管的內部最高溫度、內表溫差均滿足規(guī)范要求；分析開裂風險評估的結果可知，在此工況下混凝土的開裂風險仍不高。因此，可將入模溫度從設計規(guī)定的不超過28℃放寬至不宜超過30℃。

根據(jù)大量的實體構件溫度監(jiān)測及裂縫控制效果來看，混凝土內部的最高溫度高并不可怕，內表溫差也不是造成構件開裂的主要因素，干燥收縮及溫降過程中構件受到約束導致的外約束應力過大才是導致構件開裂的主要原因。因此，應主要從減小外約束應力、提升混凝土抗拉強度方面入手，提出控裂措施。

2.4 溫控效果分析

混凝土絕熱溫升按照式(1)計算：

(1)

式中，Tt為混凝土齡期為t時的絕熱溫升，℃；W為混凝土的膠凝材料用量；Q為膠凝材料水化熱總量，Q=k1·k2·Q0，Q0可按照3 d和7 d水化熱數(shù)據(jù)求得，具體可依照式(2)計算；c為混凝土的比熱，取0.96 kJ/(kg·℃)；ρ為混凝土容重，取2 370 kg/m3；m為與水泥品種、澆筑溫度等有關的系數(shù)，取1.46 d-1，可根據(jù)式(3)計算；t為混凝土齡期，d。

(2)

m=(k1+k2-1)(AλWc+B)

(3)

式中，k1為粉煤灰摻量對應的水化熱調整系數(shù)；k2為礦粉摻量對應的水化熱調整系數(shù)；A、B為與混凝土施工入模溫度有關的系數(shù)，根據(jù)表1取內差值；如果入模溫度<10℃或>30℃時，按10℃或30℃選??；λ為修正系數(shù)；Wc為單方硅酸鹽水泥用量。

表1 不同入模溫度對m的影響度

常見P·Ⅱ42.5R水泥水化熱總量Q0=330.0 kJ/kg，作為有限元模擬計算用值。當膠凝材料總用量達到400 kg/m3，取摻合料水化熱調整系數(shù)k1=0.95和k2=0.922 5來計算，得到混凝土的膠凝材料水化熱總量287.93 kJ/kg。

3 隧道沉管典型施工段裂縫控制措施

采用大體積混凝土的模型試驗，實時監(jiān)測入模溫度、混凝土中心溫度、表面溫度、內表溫差、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，明確沉管混凝土結構中溫度應力場的分布情況，便于制定裂縫控制措施。試驗研究的目的如下。

1)驗證試驗室優(yōu)選的高抗裂沉管混凝土配合比的工作性能、力學性能、耐久性能及體積穩(wěn)定性，檢驗混凝土的施工性能。

2)監(jiān)測模型施工期的溫度和應變，為進行車陂沉管混凝土結構有限元仿真分析參數(shù)選取和溫度控制指標的確定提供參考。

3)通過模型試驗的施工總結混凝土結構的溫度控制措施，為車陂隧道沉管混凝土的溫度控制積累經(jīng)驗。

4)檢驗模板涂刷脫模劑比例及混凝土外觀情況。

5)檢驗各施工班組的準備和配合情況。

在模型試驗研究基礎上，結合模擬計算結果和工程實際，提出主體沉管混凝土的溫度控制指標、溫度控制措施、混凝土澆筑工藝、養(yǎng)護工藝等。

3.1 沉管配合比及原材料性能

1)水泥：P·Ⅱ42.5R，華潤水泥(平南)有限公司，表觀密度3 120 kg/m3，比表面積375 m2/kg，初凝和終凝時間分別是139、209 min，3 d和28 d抗壓強度分別為33.2、53.2 MPa。

2)粉煤灰：廣州運宏粉煤灰綜合開發(fā)有限公司，表觀密度2 200 kg/m3，F(xiàn)類Ⅱ級粉煤灰，45 μm方孔篩篩余26.2%，需水量比100%。

3)礦粉：鞍鋼S95礦渣粉，表觀密度2 870 kg/m3。

4)砂：東江中砂，表觀密度2 660 kg/m3，含泥量0.6%，泥塊含量0.2%，細度模數(shù)2.8。

5)碎石：5～10 mm,廣東省惠州市博羅金業(yè)石場，表觀密度2 720 kg/m3；5～25 mm,惠州博羅金業(yè)石場，表觀密度2 650 kg/m3，針片狀含量4%，壓碎指標值5%，含泥量0.8%，泥塊含量0.1%。

6)外加劑：蘇博特緩凝型聚羧酸減水劑，密度為1 043 kg/m3，堿含量2.3%，含固量14.5%，減水率27%(摻量2%)，氯離子含量0.008%，pH為5.3。

7)水：飲用水。

配制混凝土時，在符合混凝土強度及其性能的基礎上應減少水泥和膠材用量。宜選用緩凝型混凝土，其28 d收縮率比≤90%，具體緩凝時間應根據(jù)使用環(huán)境、施工條件、原材料性能通過試驗確定。

3.2 施工工藝

3.2.1 溫度傳感器布置和溫度控制方法

1)溫度傳感器布置。溫度傳感器溫度采集頻率。根據(jù)溫控方案在施工場地設置埋入式溫度傳感器，接入溫度采集儀，實現(xiàn)溫度監(jiān)控內外部效度統(tǒng)一，每小時采集一次溫度數(shù)據(jù)。

2)溫度控制方法。保證入?；炷恋臏囟炔桓哂?0℃。靈活應用溫度監(jiān)控、循環(huán)冷卻系統(tǒng)與加強混凝土入模溫度控制多種手段，控制混凝土最高溫度，避免其超出70℃的最高溫度允許范圍。收集溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，精確計算混凝土的內表溫差，具體可采取減小內部最高溫度、采用外部保溫養(yǎng)護手段來管控，防止內表溫差>25℃。

3.2.2 混凝土施工

1)混凝土的施工準備與養(yǎng)護：做好混凝土澆筑作業(yè)的準備工作，檢查模板是否存在縫隙與雜物，涂抹脫模劑以便后續(xù)脫模，回收模板。混凝土結構的養(yǎng)護方式為保水養(yǎng)護膜濕潤后+土工布覆蓋緊貼灑水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間在14 d以上。

2)下料：沉管混凝土下料從中間開始逐漸向兩端推進，采用分層澆筑混凝土的施工工藝，確保每層混凝土澆筑沉管混凝土下料澆筑的高度約為500 m，以混凝土下料澆筑施工規(guī)范為指導實施作業(yè)。若混凝土的下料高度>2 m應安裝下料導流管，從下料導流管勻速下料，以確保漿體與石料保持一致，規(guī)避蜂窩麻面施工缺陷?；炷琳駬v以振搗棒為主，振搗方式為逐點振搗，檢查振搗質量，防止出現(xiàn)漏振與過振的現(xiàn)象。

3)澆筑方式：參考構件特點控制澆筑高度與澆筑方式，沉管的澆筑方式為全斷面整體式，混凝土采用一次現(xiàn)澆到頂，并根據(jù)澆筑高度與混凝土凝結的時間調整澆筑速度，以免出現(xiàn)因分層澆筑混凝土產(chǎn)生的環(huán)向裂縫。

4)坍落度：混凝土澆筑作業(yè)實施至表面層后，需要主動控制混凝土的坍落度，保證保持在設計規(guī)范值范圍內。同時，在混凝土初凝后及時養(yǎng)護，降低塑性裂縫的出現(xiàn)概率。

4 結 語

實施全斷面整體式的澆筑方式，沉管混凝土受到的約束應力相對較小，但可能受到不均勻收縮、溫度應力等因素的影響而產(chǎn)生裂縫缺陷。因而，技術人員要靈活應用各項施工技術與施工工藝，確保管段各部位的混凝土澆筑質量，同時加大混凝土養(yǎng)護力度，以此提升沉管大體積混凝土的溫度控制與抗裂防滲性能，保證隧道工程的建設質量。

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