楊 奎， 張 沛， 楊 敬， 洪 釗

（1.蘇交科集團股份有限公司，南京 210019；2.河海大學土木與交通學院，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構尺寸不小于1 m的混凝土［1］.混凝土在澆筑過程中，水泥水化放熱會導致其內部溫度驟然上升，而混凝土導熱性差，內部熱量不易散失，于是在其結構內外表面會形成溫度梯度.與此同時，由于外部約束的存在，混凝土結構無法自由變形，就會產生溫度應力，當溫度應力超過混凝土的極限抗拉強度時，就可能會出現(xiàn)溫度裂縫，進而對混凝土結構的耐久性產生不利影響［2-3］.為了預防混凝土產生溫度裂縫，實際工程中需采取一定的溫控措施［4-6］.目前已有較多學者對混凝土溫度裂縫的預防措施進行了研究.蔣平江等［7］通過研究指出，采用雙摻技術優(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］詳細闡述了橋梁承臺大體積混凝土溫度裂縫的預防措施.林一等［10］分析了大體積混凝土在水化熱作用下的開裂機理，并應用Midas軟件模擬大體積混凝土溫度場，探討了混凝土分層澆筑、水管冷卻及邊界條件等因素對其溫控的影響.

近年來，隨著我國交通基礎設施建設的飛速發(fā)展，具有較大斷面尺寸的水下隧道已成為常見設計［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，冷卻水管降溫法對其不再適用.水下隧道主體各部件（如頂板、底板、側墻等）因澆筑厚度、散熱條件的差異，在水化熱問題上呈現(xiàn)出一定的獨立性，其中，澆筑厚度較大的部件表面開裂風險更大，是溫度控制的重點［12-13］.此外，由于水下隧道的水壓高于地表水壓，因此水下隧道對結構的抗裂防裂要求更高，除了要避免混凝土溫度裂縫的產生外，還應做好防水設計.如果水下隧道接縫處防水失效，會引起隧道滲漏，進而影響其運營安全.大量工程實踐表明，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問題之一［14］.

本研究以某個采用明挖法施工的湖底隧道工程為研究對象，對其在施工過程中的溫度裂縫防控措施及接縫處的防水構造進行了探討，旨在為同類隧道工程的施工控制和防裂抗裂設計提供參考.

1 工程概況

以某個采用明挖法施工的湖底隧道工程為研究對象，該工程為341省道無錫馬山至宜興周鐵段YMA02施工標段，全長4.22 km，其中在無錫濱湖區(qū)馬山鎮(zhèn)境內的長度為2.828 km，在常州武進區(qū)雪堰鎮(zhèn)境內的長度為1.392 km，如圖1所示.工程起點接YMA01施工標段設計終點，位于一般路基段，里程樁號為K6+500，向西于隧道口設置馬山檢查站，之后下穿竺山湖，終點止于該項目所經常州境內水域中心處，樁號為Kl0+720，接YMA03施工標段設計起點.

圖1 湖底隧道工程鳥瞰圖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、臨時大堤段、湖域段，其中陸域段長1025 m（含路基段480 m、敞開段275 m、暗埋段270 m），臨時大堤段長285 m，湖域段長2910 m.隧道施工采用圍堰明挖法，結構形式為“兩孔道、一管廊”結構.隧道單孔結構凈寬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.暗埋段結構頂板設置折板拱形式，分別采用淺拱、中拱、深拱以適應隧道不同埋深受力需要.淺拱段：頂板厚1.2 m，側墻、底板厚1.3 m，明暗分界處（K6+255～K7+257.2）底板左右兩側各加厚0.55 m，凈高7.35 m；中拱段：頂板厚1.3 m，側墻、底板厚1.4 m，凈高7.85 m；深拱段：頂板厚1.4 m，側墻、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 中拱段湖底隧道結構斷面示意圖（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 嚴格控制原材料質量

水泥水化熱是導致混凝土溫度裂縫產生的主要原因之一［15］.因此，在大體積混凝土工程施工中，要選用水化熱較低、凝結時間較長的水泥，以避免在分層澆筑時出現(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，其質量直接關系到混凝土的強度和穩(wěn)定性，因此應優(yōu)先選擇級配良好、壓碎值低的骨料生產混凝土.依據(jù)以上選材要點，本研究中的湖底隧道工程在施工過程中采用水化熱較低的普通硅酸鹽水泥、級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 合理設計混凝土配合比

大體積混凝土配合比的設計要點如下：①在滿足設計強度、和易性等物理性能的前提下，適當減少水泥用量，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)已有的研究報道可知：C50強度等級以上的混凝土絕熱溫升較大，容易產生溫度裂縫，故不宜選用強度等級較高的混凝土.結合以上設計要點，本研究中的湖底隧道工程施工時選用了強度等級為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 嚴格控制施工工藝

2.3.1 嚴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，則混凝土放熱量達到峰值時其內部最高溫度就會越高，產生的裂縫也就越嚴重.混凝土的入模溫度主要和各類原材料的初始溫度有關，因此原材料應盡量置于室內，確實無法放置于室內的可以選擇在室外用薄膜覆蓋，以免陽光直曬［18］.表3列出了本研究中的湖底隧道工程在施工過程中所采用的混凝土入模溫度檢測值.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，環(huán)境溫度的變化會直接影響到混凝土的入模溫度，因此夏季施工時要采取一定的措施以便對混凝土的入模溫度進行嚴格控制.本研究中的湖底隧道工程在夏季施工時會使用料倉內冷水機組和制冰機組對碎石和水進行降溫（如圖3和圖4所示），從而達到控制出料溫度的目的.冬季施工時，混凝土入模溫度過低會導致水泥水化緩慢，影響混凝土強度，因此也應予以重視.本研究中的湖底隧道工程在冬季施工時會對儲存水進行加熱或通過覆膜保溫的方法來確?；炷恋娜肽囟冗_到設計要求.

圖3 拌和站冷水機設備Fig.3 Liquid chiller equipment of mixing station

圖4 拌和站制冰機設備Fig.4 Ice-making equipment of mixing station

表3 湖底隧道工程施工時的混凝土入模溫度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法進行施工，即在施工過程中一邊前進，一邊加高，逐步向前方推進并且形成明顯的臺階，這種施工方式有助于合理劃分結構物、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生溫度裂縫.跳倉法施工采用四倉流水作業(yè)（圖5），其主要工序如下：第一倉在主體結構施工完成后進行土方回填；第二倉進行主體結構施工；第三倉進行圍護結構施工和土方開挖；第四倉進行倉內抽水和清淤施工；當?shù)谝粋}回填完成后，將其鋼板樁圍堰拔出，再重復利用到第五倉，此時便形成新的四倉流水作業(yè)，如此往復循環(huán).

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

2.3.3 混凝土養(yǎng)護

澆筑后應及時對大體積混凝土進行養(yǎng)護［19］：在混凝土澆筑后到初凝前這段時間，應對混凝土表面進行抹壓收漿，以便把混凝土表面初期產生的裂縫清除抹平；在混凝土終凝拆模后應及時覆蓋，并在覆膜上灑水對其養(yǎng)護，以保持混凝土表面濕潤.目前，國內外隧道襯砌混凝土養(yǎng)護主要采用標準養(yǎng)護、氣霧養(yǎng)護、噴水和涂膜等方式［20］.因為不同季節(jié)的環(huán)境溫度不同，所以對混凝土的養(yǎng)護方式因季節(jié)而異.本研究中的湖底隧道工程在施工時對混凝土的養(yǎng)護方式如下：在春夏季主要利用水能量養(yǎng)護膜+保溫棉的方法對混凝土進行養(yǎng)護；在秋冬季則主要利用土工布灑水的方法對混凝土進行養(yǎng)護.

2.4 實時溫度監(jiān)控

利用預埋的溫度探頭對暗埋段隧道結構進行溫度監(jiān)測，監(jiān)測位置為隧道頂板、底板、側墻混凝土的中心及內外表面，測點布設位置如圖6所示.溫度監(jiān)測時間為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始，每隔2 h讀數(shù)一次，連續(xù)監(jiān)測10 d，結果如圖7所示.

圖6 溫度測點布設位置示意圖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的典型特征.隧道頂板中心、側墻中心和底板中心的溫度均是在混凝土澆筑后30 h左右達到峰值，其最高溫度分別為47.7℃（頂板中心）、49.6℃（側墻中心）、46.4℃（底板中心）.由于各部位內表面處于隧道內部，空氣流動性不佳，散熱較差，故各部位內表面測點的溫度均顯著高于各部位外表面測點的溫度.鑒于此，隧道各部位內表溫差應取其中心溫度與外表面溫度的差值作為參考.經測算，隧道頂板、側墻和底板的最大內表溫差分別為31.2℃、33.0℃和32.9℃.由此可見，采用前述溫控措施后，隧道各部位最高溫度和最大內表溫差均可滿足施工要求.

圖7 暗埋段隧道結構溫度監(jiān)測曲線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為二級，即不允許漏水，結構表面可有少量濕漬，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3處，單個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）.隧道局部機電設備集中的區(qū)域防水等級應為一級，即不允許滲水，結構表面無濕漬.故本研究中的湖底隧道工程擬采用結構自防水和接縫防水兩種措施來實現(xiàn)上述防水設計標準.

3.1 結構自防水

結構自防水主要是通過調整混凝土配合比或者在混凝土中摻入外加劑等方法來提高隧道結構大體積混凝土自身的抗壓強度、抗?jié)B性和密實性，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，可滿足結構安全、耐久、抗裂、抗?jié)B的要求（鋼筋混凝土結構強度等級為C40、裂縫寬度≤0.2 mm、抗?jié)B等級為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準段、敞開段、暗埋段，因為暗埋段相較于標準段和敞開段更具有特殊性，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)，并結合預埋式注漿管作為防水措施；縱向水平施工縫采用反應性丁基橡膠膩子鋼板止水帶，并結合預埋式注漿管作為防水措施.施工縫表面鑿毛并清理干凈，涂刷水泥基滲透結晶型防水涂料.施工縫防水的構造圖如圖8所示，構造詳圖如圖9所示.

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

圖9 施工縫防水構造詳圖（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構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.水泥基滲透結晶型防水涂料遇水后將會不斷產生化學反應，生成的結晶體不斷生長并填充混凝土內部的毛細孔隙，可以有效防止混凝土滲水，將其應用于施工縫中可以極大提高混凝土的密實性，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、側墻變形縫迎水面設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，變形縫內設置一道中埋式鋼邊橡膠止水帶兜繞成環(huán)，同時在鋼邊橡膠止水帶兩側各預埋一道注漿管，在變形縫背水面設置一道內裝可卸式止水帶兜繞成環(huán)，在變形縫迎水面設置一道寬度為1 m的卷材或涂料加強層.由于低模量聚氨酯密封膠具有優(yōu)良的拉伸強度、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變形縫防水進行嵌縫處理.變形縫防水的構造圖如圖10所示，構造詳圖如圖11所示.

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

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

4 結論

混凝土溫度裂縫的防控一直以來都是工程施工中的技術難題之一，而水下隧道對結構的抗裂防裂要求更高，除了要避免溫度裂縫的產生外，還應做好防水設計.以某在建湖底隧道工程為例，對隧道主體結構澆筑時的溫控措施進行了評估，同時針對隧道結構的防水設計標準給出了結構自防水及接縫防水的具體做法，得出結論如下：

1）通過優(yōu)選原材料、優(yōu)化混凝土配合比、嚴控混凝土入模溫度、分層分段澆筑混凝土及合理養(yǎng)護混凝土等一系列措施可有效降低隧道結構施工時的水化熱溫升及內表溫差，進而可有效緩解由溫度應力引起的混凝土開裂.

2）水下隧道對結構的防水等級要求較高，而隧道的滲漏多發(fā)生于管片接縫處，除應采用低水膠比的防水混凝土外，施工縫及變形縫的防水設計也尤為重要.實際工程中應根據(jù)不同接縫的特點選用不同類型的止水帶，并結合預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，并設置卷材或涂料作為加強層，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.