楊 奎， 張 沛， 楊 敬， 洪 釗

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098；3.中交隧道工程局有限公司，南京 211100）

大體積混凝土通常是指結(jié)構(gòu)尺寸不小于1 m的混凝土［1］.混凝土在澆筑過(guò)程中，水泥水化放熱會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部溫度驟然上升，而混凝土導(dǎo)熱性差，內(nèi)部熱量不易散失，于是在其結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面會(huì)形成溫度梯度.與此同時(shí)，由于外部約束的存在，混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)法自由變形，就會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫，進(jìn)而對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生不利影響［2-3］.為了預(yù)防混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，實(shí)際工程中需采取一定的溫控措施［4-6］.目前已有較多學(xué)者對(duì)混凝土溫度裂縫的預(yù)防措施進(jìn)行了研究.蔣平江等［7］通過(guò)研究指出，采用雙摻技術(shù)優(yōu)化配合比和通水冷卻的方法可有效防控大體積混凝土的溫度裂縫.劉騰［8］從薄壁冷水循環(huán)系統(tǒng)、預(yù)冷拌和水與骨料、液氮冷卻等方面闡述了大體積混凝土溫度裂縫的防治措施.謝江平［9］詳細(xì)闡述了橋梁承臺(tái)大體積混凝土溫度裂縫的預(yù)防措施.林一等［10］分析了大體積混凝土在水化熱作用下的開(kāi)裂機(jī)理，并應(yīng)用Midas軟件模擬大體積混凝土溫度場(chǎng)，探討了混凝土分層澆筑、水管冷卻及邊界條件等因素對(duì)其溫控的影響.

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，具有較大斷面尺寸的水下隧道已成為常見(jiàn)設(shè)計(jì)［11］.由于水下隧道截面形式的特殊性，其施工水化熱特征與承臺(tái)等形狀較為規(guī)整的大體積混凝土明顯不同，其單次澆筑的混凝土體積通常比后者小，但由于其鋼筋密布，冷卻水管降溫法對(duì)其不再適用.水下隧道主體各部件（如頂板、底板、側(cè)墻等）因澆筑厚度、散熱條件的差異，在水化熱問(wèn)題上呈現(xiàn)出一定的獨(dú)立性，其中，澆筑厚度較大的部件表面開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)更大，是溫度控制的重點(diǎn)［12-13］.此外，由于水下隧道的水壓高于地表水壓，因此水下隧道對(duì)結(jié)構(gòu)的抗裂防裂要求更高，除了要避免混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生外，還應(yīng)做好防水設(shè)計(jì).如果水下隧道接縫處防水失效，會(huì)引起隧道滲漏，進(jìn)而影響其運(yùn)營(yíng)安全.大量工程實(shí)踐表明，水下隧道的滲漏主要發(fā)生在其管片接縫處.因此，提高水下隧道接縫處的防水密封性能是目前亟須解決的技術(shù)問(wèn)題之一［14］.

本研究以某個(gè)采用明挖法施工的湖底隧道工程為研究對(duì)象，對(duì)其在施工過(guò)程中的溫度裂縫防控措施及接縫處的防水構(gòu)造進(jìn)行了探討，旨在為同類隧道工程的施工控制和防裂抗裂設(shè)計(jì)提供參考.

1 工程概況

以某個(gè)采用明挖法施工的湖底隧道工程為研究對(duì)象，該工程為341省道無(wú)錫馬山至宜興周鐵段YMA02施工標(biāo)段，全長(zhǎng)4.22 km，其中在無(wú)錫濱湖區(qū)馬山鎮(zhèn)境內(nèi)的長(zhǎng)度為2.828 km，在常州武進(jìn)區(qū)雪堰鎮(zhèn)境內(nèi)的長(zhǎng)度為1.392 km，如圖1所示.工程起點(diǎn)接YMA01施工標(biāo)段設(shè)計(jì)終點(diǎn)，位于一般路基段，里程樁號(hào)為K6+500，向西于隧道口設(shè)置馬山檢查站，之后下穿竺山湖，終點(diǎn)止于該項(xiàng)目所經(jīng)常州境內(nèi)水域中心處，樁號(hào)為Kl0+720，接YMA03施工標(biāo)段設(shè)計(jì)起點(diǎn).

圖1 湖底隧道工程鳥(niǎo)瞰圖Fig.1 Aerial view of the under-lake tunnel project

該工程以太湖大堤為界，分為陸域段、臨時(shí)大堤段、湖域段，其中陸域段長(zhǎng)1025 m（含路基段480 m、敞開(kāi)段275 m、暗埋段270 m），臨時(shí)大堤段長(zhǎng)285 m，湖域段長(zhǎng)2910 m.隧道施工采用圍堰明挖法，結(jié)構(gòu)形式為“兩孔道、一管廊”結(jié)構(gòu).隧道單孔結(jié)構(gòu)凈寬17.45 m，中間管廊凈寬5.0 m.中間管廊由橫向鋼筋混凝土隔板分隔為上下兩部分，橫隔板厚0.2 m，中隔墻厚0.6 m.暗埋段結(jié)構(gòu)頂板設(shè)置折板拱形式，分別采用淺拱、中拱、深拱以適應(yīng)隧道不同埋深受力需要.淺拱段：頂板厚1.2 m，側(cè)墻、底板厚1.3 m，明暗分界處（K6+255～K7+257.2）底板左右兩側(cè)各加厚0.55 m，凈高7.35 m；中拱段：頂板厚1.3 m，側(cè)墻、底板厚1.4 m，凈高7.85 m；深拱段：頂板厚1.4 m，側(cè)墻、底板厚1.5 m，凈高8.35 m.作為代表，圖2給出了中拱段的截面示意圖.

圖2 中拱段湖底隧道結(jié)構(gòu)斷面示意圖（單位：mm）Fig.2 Section diagram of the under-lake tunnel in the middle arch section（unit：mm）

2 溫度裂縫的防控措施

2.1 嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量

水泥水化熱是導(dǎo)致混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的主要原因之一［15］.因此，在大體積混凝土工程施工中，要選用水化熱較低、凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)的水泥，以避免在分層澆筑時(shí)出現(xiàn)大量溫度裂縫.此外，在混凝土中加入粉煤灰、減水劑、膨脹劑等外加劑，不僅可以有效降低水泥水化熱，還可以大大提高混凝土的和易性［16］.另一方面，骨料是混凝土最為重要的組成材料之一，其質(zhì)量直接關(guān)系到混凝土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，因此應(yīng)優(yōu)先選擇級(jí)配良好、壓碎值低的骨料生產(chǎn)混凝土.依據(jù)以上選材要點(diǎn)，本研究中的湖底隧道工程在施工過(guò)程中采用水化熱較低的普通硅酸鹽水泥、級(jí)配良好的骨料以及抗裂劑、膨脹劑等多種外加劑制備混凝土，具體成分見(jiàn)表1.

表1 湖底隧道工程采用的混凝土原材料Tab.1 Raw materials of concrete used in the under-lake tunnel project

2.2 合理設(shè)計(jì)混凝土配合比

大體積混凝土配合比的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：①在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度、和易性等物理性能的前提下，適當(dāng)減少水泥用量，如添加摻合料代替水泥以降低水化放熱，或者在混凝土中加入適量的減水劑、膨脹劑、粉煤灰等摻合料.粉煤灰可以在一定程度上延緩并且降低水泥水化熱，大幅度提升混凝土后期強(qiáng)度.添加一些高效減水劑，減少用水量，也可有效減少水泥水化熱.膨脹劑可以有效改善混凝土的自收縮現(xiàn)象［17］；②根據(jù)已有的研究報(bào)道可知：C50強(qiáng)度等級(jí)以上的混凝土絕熱溫升較大，容易產(chǎn)生溫度裂縫，故不宜選用強(qiáng)度等級(jí)較高的混凝土.結(jié)合以上設(shè)計(jì)要點(diǎn)，本研究中的湖底隧道工程施工時(shí)選用了強(qiáng)度等級(jí)為C40、水膠比為0.39的混凝土，其配合比如表2所示.

表2 湖底隧道工程采用的C40混凝土配合比Tab.2 C40 concrete mixing proportion used in the under-lake tunnel project

2.3 嚴(yán)格控制施工工藝

2.3.1 嚴(yán)格控制混凝土的入模溫度

混凝土的入模溫度是成品混凝土溫度變化的初始值，初始值越高，則混凝土放熱量達(dá)到峰值時(shí)其內(nèi)部最高溫度就會(huì)越高，產(chǎn)生的裂縫也就越嚴(yán)重.混凝土的入模溫度主要和各類原材料的初始溫度有關(guān)，因此原材料應(yīng)盡量置于室內(nèi)，確實(shí)無(wú)法放置于室內(nèi)的可以選擇在室外用薄膜覆蓋，以免陽(yáng)光直曬［18］.表3列出了本研究中的湖底隧道工程在施工過(guò)程中所采用的混凝土入模溫度檢測(cè)值.由表3可以看出：4月中下旬混凝土入模溫度最高；冬季（2020年11月20日至2021年1月14日）平均入模溫度比春季（2021年3月2日至2021年4月21日）低4℃.由此可見(jiàn)，環(huán)境溫度的變化會(huì)直接影響到混凝土的入模溫度，因此夏季施工時(shí)要采取一定的措施以便對(duì)混凝土的入模溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制.本研究中的湖底隧道工程在夏季施工時(shí)會(huì)使用料倉(cāng)內(nèi)冷水機(jī)組和制冰機(jī)組對(duì)碎石和水進(jìn)行降溫（如圖3和圖4所示），從而達(dá)到控制出料溫度的目的.冬季施工時(shí)，混凝土入模溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致水泥水化緩慢，影響混凝土強(qiáng)度，因此也應(yīng)予以重視.本研究中的湖底隧道工程在冬季施工時(shí)會(huì)對(duì)儲(chǔ)存水進(jìn)行加熱或通過(guò)覆膜保溫的方法來(lái)確保混凝土的入模溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

圖3 拌和站冷水機(jī)設(shè)備Fig.3 Liquid chiller equipment of mixing station

圖4 拌和站制冰機(jī)設(shè)備Fig.4 Ice-making equipment of mixing station

表3 湖底隧道工程施工時(shí)的混凝土入模溫度Tab.3 Concrete pouring temperature during construction of the under-lake tunnel project

2.3.2 混凝土分層分段澆筑

本研究中的湖底隧道工程采用跳倉(cāng)法進(jìn)行施工，即在施工過(guò)程中一邊前進(jìn)，一邊加高，逐步向前方推進(jìn)并且形成明顯的臺(tái)階，這種施工方式有助于合理劃分結(jié)構(gòu)物、分層分段澆筑混凝土，從而可避免大體積混凝土在施工初期產(chǎn)生溫度裂縫.跳倉(cāng)法施工采用四倉(cāng)流水作業(yè)（圖5），其主要工序如下：第一倉(cāng)在主體結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行土方回填；第二倉(cāng)進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工；第三倉(cāng)進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工和土方開(kāi)挖；第四倉(cāng)進(jìn)行倉(cāng)內(nèi)抽水和清淤施工；當(dāng)?shù)谝粋}(cāng)回填完成后，將其鋼板樁圍堰拔出，再重復(fù)利用到第五倉(cāng)，此時(shí)便形成新的四倉(cāng)流水作業(yè)，如此往復(fù)循環(huán).

圖5 四倉(cāng)流水作業(yè)示意圖Fig.5 Schematic diagram of four warehouse flow operation

2.3.3 混凝土養(yǎng)護(hù)

澆筑后應(yīng)及時(shí)對(duì)大體積混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)［19］：在混凝土澆筑后到初凝前這段時(shí)間，應(yīng)對(duì)混凝土表面進(jìn)行抹壓收漿，以便把混凝土表面初期產(chǎn)生的裂縫清除抹平；在混凝土終凝拆模后應(yīng)及時(shí)覆蓋，并在覆膜上灑水對(duì)其養(yǎng)護(hù)，以保持混凝土表面濕潤(rùn).目前，國(guó)內(nèi)外隧道襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)主要采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、氣霧養(yǎng)護(hù)、噴水和涂膜等方式［20］.因?yàn)椴煌竟?jié)的環(huán)境溫度不同，所以對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)方式因季節(jié)而異.本研究中的湖底隧道工程在施工時(shí)對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)方式如下：在春夏季主要利用水能量養(yǎng)護(hù)膜+保溫棉的方法對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；在秋冬季則主要利用土工布灑水的方法對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù).

2.4 實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控

利用預(yù)埋的溫度探頭對(duì)暗埋段隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)位置為隧道頂板、底板、側(cè)墻混凝土的中心及內(nèi)外表面，測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置如圖6所示.溫度監(jiān)測(cè)時(shí)間為2020年11月14日14：00至2020年11月24日14：00，日平均氣溫在15℃左右.從混凝土澆筑完成開(kāi)始，每隔2 h讀數(shù)一次，連續(xù)監(jiān)測(cè)10 d，結(jié)果如圖7所示.

圖6 溫度測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of the layout of temperature measuring points

從圖7可以看出，隨著混凝土齡期的發(fā)展，隧道頂板、底板、側(cè)墻的溫度均先上升后下降，具有一般大體積混凝土水化熱溫度場(chǎng)的典型特征.隧道頂板中心、側(cè)墻中心和底板中心的溫度均是在混凝土澆筑后30 h左右達(dá)到峰值，其最高溫度分別為47.7℃（頂板中心）、49.6℃（側(cè)墻中心）、46.4℃（底板中心）.由于各部位內(nèi)表面處于隧道內(nèi)部，空氣流動(dòng)性不佳，散熱較差，故各部位內(nèi)表面測(cè)點(diǎn)的溫度均顯著高于各部位外表面測(cè)點(diǎn)的溫度.鑒于此，隧道各部位內(nèi)表溫差應(yīng)取其中心溫度與外表面溫度的差值作為參考.經(jīng)測(cè)算，隧道頂板、側(cè)墻和底板的最大內(nèi)表溫差分別為31.2℃、33.0℃和32.9℃.由此可見(jiàn)，采用前述溫控措施后，隧道各部位最高溫度和最大內(nèi)表溫差均可滿足施工要求.

圖7 暗埋段隧道結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)曲線Fig.7 Temperature monitoring curve of tunnel structure in the buried section

3 防水措施

本研究中的湖底隧道工程總體防水等級(jí)為二級(jí)，即不允許漏水，結(jié)構(gòu)表面可有少量濕漬，總濕漬面積不大于總防水面積的2/1000，任意100 m2防水面積上的濕漬不超過(guò)3處，單個(gè)濕漬的最大面積不大于0.2 m2，平均滲漏量不大于0.05 L/（m2·d），任意100 m2防水面積滲漏量不大于0.15 L/（m2·d）.隧道局部機(jī)電設(shè)備集中的區(qū)域防水等級(jí)應(yīng)為一級(jí)，即不允許滲水，結(jié)構(gòu)表面無(wú)濕漬.故本研究中的湖底隧道工程擬采用結(jié)構(gòu)自防水和接縫防水兩種措施來(lái)實(shí)現(xiàn)上述防水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).

3.1 結(jié)構(gòu)自防水

結(jié)構(gòu)自防水主要是通過(guò)調(diào)整混凝土配合比或者在混凝土中摻入外加劑等方法來(lái)提高隧道結(jié)構(gòu)大體積混凝土自身的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性和密實(shí)性，主要措施有控制水灰比、控制水泥用量、控制砂率、控制灰砂比、控制坍落度等.此外，改善施工組織流程，優(yōu)化混凝土的澆筑、養(yǎng)護(hù)工序也可以使混凝土自身的防水性能得以提升［21］.

本研究中的湖底隧道工程采用的防水混凝土為具有低水膠比的高性能混凝土，可滿足結(jié)構(gòu)安全、耐久、抗裂、抗?jié)B的要求（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等級(jí)為C40、裂縫寬度≤0.2 mm、抗?jié)B等級(jí)為P8）.

3.2 接縫防水

本研究中的湖底隧道工程按照地理位置可以劃分為標(biāo)準(zhǔn)段、敞開(kāi)段、暗埋段，因?yàn)榘德穸蜗噍^于標(biāo)準(zhǔn)段和敞開(kāi)段更具有特殊性，所以在此主要介紹處于暗埋段的接縫防水措施.

3.2.1 施工縫防水

本研究中的湖底隧道工程暗埋段的環(huán)向施工縫采用中埋式鋼邊橡膠止水帶兜繞成環(huán)，并結(jié)合預(yù)埋式注漿管作為防水措施；縱向水平施工縫采用反應(yīng)性丁基橡膠膩?zhàn)愉摪逯顾畮?，并結(jié)合預(yù)埋式注漿管作為防水措施.施工縫表面鑿毛并清理干凈，涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料.施工縫防水的構(gòu)造圖如圖8所示，構(gòu)造詳圖如圖9所示.

圖8 施工縫防水構(gòu)造圖Fig.8 Waterproof structure diagram of construction joint

圖9 施工縫防水構(gòu)造詳圖（單位：mm）Fig.9 Detailed drawing of construction joint waterproof structure（unit：mm）

采用中埋式鋼邊橡膠止水帶基本能夠滿足結(jié)構(gòu)施工縫處的防水要求，只要在施工縫表面和止水帶接頭處理工藝上嚴(yán)格按照規(guī)范要求施作即可提高施工縫處防水效果.水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料遇水后將會(huì)不斷產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成的結(jié)晶體不斷生長(zhǎng)并填充混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔隙，可以有效防止混凝土滲水，將其應(yīng)用于施工縫中可以極大提高混凝土的密實(shí)性，大大提高混凝土的防水性能.

3.2.2 變形縫防水

本研究中的湖底隧道工程暗埋段底板、側(cè)墻變形縫迎水面設(shè)置外貼式橡膠止水帶，頂板變形縫迎水面采用低模量聚氨酯密封膠嵌縫，變形縫內(nèi)設(shè)置一道中埋式鋼邊橡膠止水帶兜繞成環(huán)，同時(shí)在鋼邊橡膠止水帶兩側(cè)各預(yù)埋一道注漿管，在變形縫背水面設(shè)置一道內(nèi)裝可卸式止水帶兜繞成環(huán)，在變形縫迎水面設(shè)置一道寬度為1 m的卷材或涂料加強(qiáng)層.由于低模量聚氨酯密封膠具有優(yōu)良的拉伸強(qiáng)度、彈性、耐磨性、耐油性、耐寒性和可漆性，故本研究中的湖底隧道工程利用其對(duì)變形縫防水進(jìn)行嵌縫處理.變形縫防水的構(gòu)造圖如圖10所示，構(gòu)造詳圖如圖11所示.

圖10 變形縫防水構(gòu)造圖Fig.10 Waterproof structure diagram of deformation joint

圖11 變形縫防水構(gòu)造詳圖（單位：mm）Fig.11 Detailed drawing of deformation joint waterproof structure（unit：mm）

4 結(jié)論

混凝土溫度裂縫的防控一直以來(lái)都是工程施工中的技術(shù)難題之一，而水下隧道對(duì)結(jié)構(gòu)的抗裂防裂要求更高，除了要避免溫度裂縫的產(chǎn)生外，還應(yīng)做好防水設(shè)計(jì).以某在建湖底隧道工程為例，對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)澆筑時(shí)的溫控措施進(jìn)行了評(píng)估，同時(shí)針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的防水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)給出了結(jié)構(gòu)自防水及接縫防水的具體做法，得出結(jié)論如下：

1）通過(guò)優(yōu)選原材料、優(yōu)化混凝土配合比、嚴(yán)控混凝土入模溫度、分層分段澆筑混凝土及合理養(yǎng)護(hù)混凝土等一系列措施可有效降低隧道結(jié)構(gòu)施工時(shí)的水化熱溫升及內(nèi)表溫差，進(jìn)而可有效緩解由溫度應(yīng)力引起的混凝土開(kāi)裂.

2）水下隧道對(duì)結(jié)構(gòu)的防水等級(jí)要求較高，而隧道的滲漏多發(fā)生于管片接縫處，除應(yīng)采用低水膠比的防水混凝土外，施工縫及變形縫的防水設(shè)計(jì)也尤為重要.實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)不同接縫的特點(diǎn)選用不同類型的止水帶，并結(jié)合預(yù)埋式注漿管作為防水措施.變形縫迎水面采用低模量聚氨酯密封膠嵌縫，并設(shè)置卷材或涂料作為加強(qiáng)層，可極大提高隧道接縫處的防水密封性，有效減少滲漏的發(fā)生.