金文良，徐文，劉迪，謝彪

（1.深中通道管理中心，廣東 中山 528400；2.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211103；3.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京 211103）

0 引言

隧道現(xiàn)澆暗埋段混凝土結(jié)構(gòu)通常設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸巨大、施工周期長和施工工藝復(fù)雜，隧道混凝土結(jié)構(gòu)容易因急劇溫度應(yīng)力作用、混凝土自收縮以及不同結(jié)構(gòu)約束情況等原因，致使在混凝土施工階段（尤其是在早期溫降階段）就出現(xiàn)貫穿性收縮裂縫[1-2]。混凝土的裂縫控制是一個系統(tǒng)且復(fù)雜的技術(shù)問題，目前國內(nèi)對于混凝土的裂縫控制研究也頗多，但考慮的方面通常較為單一，無法從全局控裂的角度出發(fā)，從多個方面統(tǒng)籌控制研究。為有效避免隧道大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生，保障工程施工質(zhì)量，本文以深中通道西人工島現(xiàn)澆隧道為研究背景，主要從兩個角度同時進(jìn)行研究：其一是材料角度，通過原材料品質(zhì)控制、混凝土配合比優(yōu)化、建議采用新型功能性材料——水化熱調(diào)控材料等方式進(jìn)行；其二是施工工藝措施優(yōu)化、控制混凝土入模溫度、鋪設(shè)冷卻循環(huán)水管及保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施等方式進(jìn)行，最終形成整套的海工隧道大體積混凝土抗裂技術(shù)方案。

1 工程概況

深中通道項目全長24.03 km，北距虎門大橋約30 km，南距港珠澳大橋38 km，項目東接機荷高速，跨越珠江口，西至中山馬鞍島，與規(guī)劃的中開、東部外環(huán)高速對接，實現(xiàn)在深圳、中山及廣州南沙登陸，是集“橋、島、隧、地下互通”為一體的系統(tǒng)集群工程[3-4]。而西人工島現(xiàn)澆主線隧道長475 m，實現(xiàn)橋、島、隧功能轉(zhuǎn)換。現(xiàn)澆隧道設(shè)計使用年限100 a，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)形式為單箱雙室管廊箱型結(jié)構(gòu)形式，其中頂板厚160 cm、150 cm，底板厚140 cm、150 cm，側(cè)墻厚150～130 cm、100 cm，中隔墻厚度80 cm，橫斷面寬度46.00～74.45 m，典型橫斷面如圖1所示。該工程屬于海工大體積混凝土結(jié)構(gòu)，控裂難度極大。

圖1 典型現(xiàn)澆隧道結(jié)構(gòu)示意圖（cm）Fig.1 Schematic diagram of typical cast-in-situ tunnel structure（cm）

2 混凝土原材料及配合比

現(xiàn)澆隧道大體積混凝土配合比設(shè)計除滿足工作性、設(shè)計強度和耐久性能外，還應(yīng)具有較好的抗裂性和體積穩(wěn)定性，混凝土強度設(shè)計等級為C28d45、C56d50。從混凝土抗裂性能出發(fā)，混凝土應(yīng)具有低溫升、低收縮的性能，配合比設(shè)計思路為采用低水泥用量、大摻量礦物摻合料并輔以具有減縮型及緩凝型聚羧酸高性能減水劑。根據(jù)工程實際情況，最終選用以下原材料：英德海螺水泥P·Ⅱ42.5、鎮(zhèn)江諫壁粉煤灰（F類Ⅰ級）、唐山礦渣粉（S95級）、西江中山（細(xì)度模數(shù)2.6）、江蘇蘇博特減縮緩凝型聚羧酸減水劑和水化熱抑制劑，相關(guān)混凝土原材料控制指標(biāo)如表1所示。

表1 深中通道隧道主體結(jié)構(gòu)混凝土原材料控制要求Table 1 Control requirements for concrete raw materials for main structure of Shenzhen-Zhongshan Link

經(jīng)混凝土配合比驗證，擬采用表2所示的混凝土配合比。

表2 大體積混凝土配合比Table 2 Mass concrete mix ratio

3 大體積混凝土施工控裂措施

現(xiàn)澆隧道大體積混凝土根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，施工控裂措施主要從以下方面進(jìn)行：1）采用半斷面澆筑法（底板、側(cè)墻、中隔墻一體優(yōu)先澆筑，后續(xù)再一次性澆筑頂板），減少縱向施工縫，降低混凝土結(jié)構(gòu)的外約束。2）混凝土溫度控制，混凝土內(nèi)部溫度無論升多高，最終都會降到環(huán)境溫度，溫度降低的過程中，混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，混凝土在受到約束的情況下，溫降收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力值超過混凝土極限抗拉強度，結(jié)構(gòu)就會開裂，因此在實際大體積控裂過程中，常通過嚴(yán)格的溫控措施降低混凝土內(nèi)部最大溫升值、內(nèi)外溫差，避免由混凝土內(nèi)部溫度梯度引起的溫度應(yīng)力作用而導(dǎo)致的開裂。3）保溫保濕養(yǎng)護(hù)，早期保溫保濕養(yǎng)護(hù)工作能相應(yīng)地降低混凝土內(nèi)外溫差及表面塑性收縮裂縫的產(chǎn)生。

3.1 施工作業(yè)優(yōu)化

深中通道現(xiàn)澆隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究成果，隧道工程通常側(cè)墻受約束最強[5-6]，其開裂風(fēng)險最高。為避免結(jié)構(gòu)開裂，通過施工工法優(yōu)化降低外約束作用，采用豎向分2層澆筑的方式進(jìn)行（底板、側(cè)墻和中隔板優(yōu)先一體先澆筑，最后澆筑頂板，間隔時間約30 d），減少縱向施工縫，降低混凝土外約束，以此降低結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險。

3.2 入模溫度控制

根據(jù)已有研究成果表明[6-8]，混凝土入模溫度越高，混凝土結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險也越大，因此在施工時主要采取以下措施來控制混凝土入模溫度：

1）原材料控溫：粉料采用儲罐存貯，外壁鋪設(shè)冷卻水管，砂石料場設(shè)置遮陽棚、料倉口設(shè)置卷簾門、料倉側(cè)面安裝工業(yè)級冷風(fēng)機、遮陽棚頂部布置噴淋系統(tǒng)，原材料降低至規(guī)定溫度方能使用。同時，混凝土拌和過程中，再輔以冷卻水及碎冰拌和降溫。

2）施工運輸控溫：根據(jù)澆筑情況合理調(diào)配罐車卸料次序，避免混凝土因罐車在現(xiàn)場停留時間過長而升溫。同時為減小混凝土在運輸、澆筑過程中溫度的上升（由環(huán)境溫度及泵管摩擦影響），在罐車罐體上包裹保溫布。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在夏季高溫環(huán)境，混凝土運輸與泵送過程中混凝土最大溫升5.1℃；在冬季，混凝土運輸與泵送過程中混凝土最大溫升0.8℃。因此，高溫季節(jié)施工時，應(yīng)加快運輸和澆筑速度，同時在已澆筑區(qū)域用帆布遮陽，并根據(jù)硬化情況使用冷風(fēng)機或曬水降溫。

3）入?；炷翜囟戎笜?biāo)控制：對于日平均氣溫大于10℃時，混凝土入模溫度需小于日平均氣溫加8℃且小于28℃；當(dāng)日平均氣溫小于10℃時，混凝土入模溫度需不高于日平均氣溫加8℃。

3.3 冷卻水管通水工藝

對于冷卻水管已有較多研究成果[9]，根據(jù)前期成果并結(jié)合工程實際情況考慮，隧道內(nèi)冷卻水管采取如下布置：結(jié)構(gòu)內(nèi)采用外徑40 mm，厚2～3 mm的鐵管作為循環(huán)冷卻水管，水管累計長度不超過150 m，板結(jié)構(gòu)冷卻水管厚度方向布置2層，上下間距40 cm，水管排距80 cm，交錯布置。墻結(jié)構(gòu)厚度方向布置1排冷卻水管，層距80 cm，冷卻水管相關(guān)控制指標(biāo)如表3所示。

表3 關(guān)鍵溫控指標(biāo)Table 3 Key temperature control indicators

3.4 混凝土養(yǎng)護(hù)

隧道混凝土應(yīng)保證全過程養(yǎng)護(hù)，防止拆模后的塑性收縮及干燥收縮裂縫的產(chǎn)生，具體來說包括拆模前養(yǎng)護(hù)及拆模后養(yǎng)護(hù)。其中混凝土拆模時間應(yīng)結(jié)合混凝土內(nèi)表溫度及混凝土表面與大氣溫差決定，根據(jù)現(xiàn)場情況定制合理拆模時機，且頂板拆模前，還需提前對同條件養(yǎng)護(hù)試塊進(jìn)行抗壓強度測試，滿足要求方可拆模。

1）拆模前：對于大面積板式結(jié)構(gòu)混凝土澆筑完畢初凝前，采用噴霧養(yǎng)護(hù)，待混凝土終凝后灑水、覆蓋養(yǎng)護(hù)；對于有條件蓄水養(yǎng)護(hù)的，如側(cè)墻結(jié)構(gòu)在拆模前進(jìn)行蓄水養(yǎng)護(hù)，這樣可有效避免混凝土早期塑性收縮開裂。

2）拆模后：拆模后立即對混凝土表面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在混凝土表面覆蓋或粘貼篷布、棉絮或其他有保溫效果的材料，宜控制混凝土表面散熱系數(shù)不高于20 kJ/（m2·h·℃），養(yǎng)護(hù)水的溫度與混凝土表面溫度之差不宜超過15℃，且保溫保濕過程不宜少于14 d，控制結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差（溫差應(yīng)力），避免由于混凝土里表及與環(huán)境溫差過大而形成溫度裂縫，同時也減少干燥收縮裂縫。

3.5 實體監(jiān)測結(jié)果

考慮到施工工藝復(fù)雜性以及實際施工環(huán)境，有必要對現(xiàn)澆隧道大體積混凝土進(jìn)行溫度測試，根據(jù)工程經(jīng)驗以及相關(guān)計算分析結(jié)果，隧道底板、邊墻及頂板交界處中心溫度通常相對較高，應(yīng)力容易集中在縱向分層的施工縫處，故本文選取該部位進(jìn)行溫度監(jiān)測，從而指導(dǎo)及提升相應(yīng)抗裂措施，溫度監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

圖2 典型斷面溫度監(jiān)測曲線Fig.2 Temperature monitoring curve of typical section

從實體結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測來看，混凝土最高溫度滿足不大于70℃、內(nèi)外溫差不大于15℃等指標(biāo)的要求，主要指標(biāo)滿足控制要求。但實體結(jié)構(gòu)從入模溫度至最大溫峰值用時約27 h，且溫降速率為4.2℃/d，總體數(shù)據(jù)指標(biāo)滿足要求，雖拆模后未發(fā)現(xiàn)有害裂縫，但實體仍然存在溫升、溫降速率過快的問題，增大開裂風(fēng)險，因此在混凝土溫度歷程控制方面還具有進(jìn)一步提升的空間。

3.6 水化熱抑制劑構(gòu)件實驗

從實體監(jiān)測結(jié)果來看，總體溫度數(shù)據(jù)滿足要求，但存在溫升及溫降速率較快的問題。常規(guī)施工工藝很難進(jìn)一步優(yōu)化，因此通過摻入一定量水化熱抑制劑調(diào)控混凝土水化放熱歷程。在施工單位拌合站分別生產(chǎn)基準(zhǔn)混凝土、提高了1倍用量緩凝劑的基準(zhǔn)混凝土、及摻水化熱抑制劑的基準(zhǔn)混凝土進(jìn)行1 m3試塊（尺寸1 m×1 m×1 m）溫度歷程對比實驗，控制其入模溫度≤28℃，木模覆蓋保溫養(yǎng)護(hù)，無冷卻水管工況，監(jiān)測結(jié)果見圖3。

通過圖3中心溫度歷程曲線結(jié)果可知，在保持入模溫度基本相近的情況下，普通混凝土溫升速率最快，在21.6 h達(dá)到最大溫峰值57.2℃，大摻量緩凝劑的基準(zhǔn)混凝土構(gòu)件在33.6 h達(dá)到最大溫峰值57.6℃，而摻水化熱抑制劑混凝土構(gòu)件在38.4 h達(dá)到溫峰值54.2℃。從曲線形態(tài)分析，緩凝劑僅具有延長水泥誘導(dǎo)期和推遲溫峰的作用，對于水泥水化加速期放熱速率基本無影響，雖到達(dá)溫峰的時間延長，但峰值變化不大，而摻水化熱抑制劑的溫升曲線更緩，有效降低水泥水化加速期放熱速率，使熱量在盡量長的時間內(nèi)緩慢釋放，在散熱條件良好的條件下（如通冷卻水管），水化熱抑制劑的應(yīng)用能很好地解決溫升速率快及溫峰值高等問題，且對混凝土28 d強度基本無影響，總體上為完善大體積控裂方案提供一種新思路。

圖3 構(gòu)件溫度曲線Fig.3 Component temperature curve

4 結(jié)語

本文從混凝土配合比設(shè)計、施工工藝、溫控技術(shù)措施、養(yǎng)護(hù)措施以及新型功能型材料等方面研究隧道大體積混凝土裂縫的控制，為同類工程提供思路。

1）為滿足大體積混凝土抗裂防滲的要求，隧道主體結(jié)構(gòu)配合比采用低膠凝材料、大摻量雙摻礦物摻合料的技術(shù)，膠凝材料總量為418 kg/m3，水泥用量為188 kg/m3，其中粉煤灰、礦粉分別占總膠凝材料的25%及30%。

2）通過采用半斷面分層澆筑工藝、控制混凝土入模溫度、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化和強化拆模前后保溫保濕養(yǎng)護(hù)等措施可有效降低結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險，綜合應(yīng)用后，基本能控制結(jié)構(gòu)有害裂縫的產(chǎn)生。但通過溫控數(shù)據(jù)分析，主體結(jié)構(gòu)大體積混凝土還存在溫升及溫降速率較快的問題，溫控措施還具有從功能材料方面進(jìn)一步優(yōu)化提升的空間。

3）水化熱抑制劑能有效降低水泥水化加速期放熱速率，溫升曲線更緩，能充分利用結(jié)構(gòu)散熱性能進(jìn)一步降低混凝土最大溫峰值，降低溫度裂縫風(fēng)險。