孟慶余,王 旭,霍 飛,謝 彪,王育江,3

(1.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308; 2.高性能土工工程材料國家重點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 211103; 3.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211103)

1 工程概況

海底隧道工程作為一種大埋深、高水壓的隱蔽地下結(jié)構(gòu)工程,受其特殊的工程地質(zhì)、設(shè)計(jì)、施工、原材料及氣候環(huán)境等因素的影響,絕大多數(shù)隧道工程都存在不同程度的病害,其中隧道襯砌結(jié)構(gòu)的開裂滲水問題尤為嚴(yán)重。某海底隧道全長9 781m,穿越丘陵區(qū)、三角洲相沉積平原區(qū)及海灣海積地貌,隧道地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件復(fù)雜,其中海域段隧道區(qū)為強(qiáng)富海水區(qū),因此要求襯砌結(jié)構(gòu)具有良好的剛性自防水性能[1]。隧道結(jié)構(gòu)主要由下部仰拱、初期支護(hù)、防水板和二次襯砌結(jié)構(gòu)組成,整體結(jié)構(gòu)為圓形。其中襯砌混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50,對(duì)應(yīng)厚度為60cm,襯砌半徑約為7m,具體如圖1所示。

圖1 隧道襯砌斷面示意Fig.1 Section of tunnel lining

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及調(diào)研,普通隧道襯砌混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)通常為C30～C40[2-7],本工程海底隧道混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50,強(qiáng)度等級(jí)較高必然存在膠凝材料用量大、絕熱溫升高、收縮大的問題,且該工程施工區(qū)域一年四季溫度普遍較高,最高氣溫甚至超過40℃,混凝土入模溫度難以控制,襯砌結(jié)構(gòu)厚度雖相較于其他大體積混凝土結(jié)構(gòu)而言較小,但也存在溫升高、開裂風(fēng)險(xiǎn)大的可能。其次,施工過程中隧道襯砌早期溫度變形和自收縮受下部仰拱、圍巖等的約束,存在較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)[8-10]。

2 研究?jī)?nèi)容

研究發(fā)現(xiàn)混凝土的開裂往往是多種因素耦合作用的結(jié)果,非單因素或多因素簡(jiǎn)單疊加。目前多因素耦合作用下的混凝土裂縫控制已成為一項(xiàng)重要的研究課題[9,11],本工程襯砌具有強(qiáng)度等級(jí)高、截面尺寸大、先澆仰拱混凝土對(duì)后澆襯砌混凝土約束大等特點(diǎn),整體開裂風(fēng)險(xiǎn)較高。通過多場(chǎng)耦合機(jī)制與模型,對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力場(chǎng)及開裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)和完善襯砌結(jié)構(gòu)混凝土裂縫控制方案。對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力場(chǎng)及開裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估計(jì)算,通過開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)反映襯砌結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)大小,開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)用結(jié)構(gòu)混凝土主拉應(yīng)力與極限抗拉強(qiáng)度之比表示:

η=σ(t)/ft(t)

(1)

式中:σ(t)為t時(shí)刻的混凝土最大拉應(yīng)力(MPa);ft(t)為t時(shí)刻的混凝土抗拉強(qiáng)度(MPa)。

混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判準(zhǔn)則:一般認(rèn)為η>1.0時(shí)混凝土一定會(huì)開裂;考慮材料性能波動(dòng)性,認(rèn)為0.7<η≤1.0時(shí)混凝土存在較大的開裂風(fēng)險(xiǎn);η≤0.7時(shí)混凝土基本不會(huì)開裂,不開裂保證率≥95%。

2.1 仿真模擬計(jì)算工況

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況,考慮襯砌結(jié)構(gòu)部位、施工環(huán)境、混凝土性能、施工措施等因素的影響,對(duì)高強(qiáng)襯砌混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算。工程地處亞熱帶,因此不考慮冬季施工工況,模板類型為鋼模板,襯砌厚度為60cm,其他主要工況如表1所示。

表1 仿真模擬計(jì)算工況Table 1 Simulation calculation conditions

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

基于多場(chǎng)耦合計(jì)算模型,結(jié)合不同工況條件對(duì)高強(qiáng)襯砌混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算分析,歸納了混凝土性能、入模溫度及施工工藝等因素對(duì)襯砌混凝土抗裂性能的影響,如表2所示。

表2 襯砌混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)主要影響因素及影響程度Table 2 Main influencing factors and influencing degree of lining concrete cracking risk

3 襯砌混凝土施工要點(diǎn)

3.1 混凝土性能研究

3.1.1混凝土原材料控制

混凝土原材料性能直接影響混凝土配合比,基于抗裂性考慮,混凝土主要原材料性能需嚴(yán)格控制。

1)水泥選用硅酸鹽水泥P·Ⅱ42.5,其性能符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的有關(guān)規(guī)定,且水泥比表面積≤350m2/kg,堿含量≤0.60%,C3A≤8.0%,較高比表面積、堿含量及C3A不利于降低混凝土放熱速率及減小收縮變形。

2)粉煤灰選用I級(jí)粉煤灰,其性能符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求,不得采用磨細(xì)粉煤灰,優(yōu)質(zhì)粉煤灰對(duì)于降低水泥用量及保障混凝土和易性具有重要作用。

3)礦渣粉符合GB/T 18046—2000《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》中規(guī)定S95級(jí)及以上的要求,比表面積宜不大于450m2/kg,過細(xì)的礦粉不利于混凝土溫度收縮與自收縮控制。

4)骨料應(yīng)選用級(jí)配合理、粒形良好、質(zhì)地堅(jiān)固、線膨脹系數(shù)小的潔凈碎石,其性能符合GB/T 14685—2010《建設(shè)用卵石、碎石》,松散堆積空隙率不宜超過45%。宜選用級(jí)配合理、質(zhì)地均勻堅(jiān)固、吸水率低、空隙率小的潔凈天然II區(qū)河砂或江砂,不得使用海砂、山砂及風(fēng)化嚴(yán)重的多孔砂,其性能符合GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》,含泥量不宜超過2.0%。

另外,基于降低混凝土絕熱溫升和自收縮的考慮,配合比中考慮摻入一定量的抗裂功能材料,選用具有水泥水化溫升抑制、復(fù)合微膨脹功能組分的功能材料,水化熱降低率應(yīng)符合JC/T 26081—2021《混凝土水化溫升抑制劑》的要求,限制膨脹率應(yīng)符合T/CECS 10082—2020《混凝土用鈣鎂復(fù)合膨脹劑》的要求。

3.1.2低溫升、低收縮抗裂混凝土配合比設(shè)計(jì)

從混凝土材料角度,通過配合比優(yōu)化可對(duì)混凝土溫度及變形性能進(jìn)行調(diào)控,但僅通過簡(jiǎn)單配合比參數(shù)調(diào)整的調(diào)控效果有限。因此,在配合比參數(shù)優(yōu)化的同時(shí),通過在混凝土中摻入具有水泥水化溫升抑制、復(fù)合微膨脹功能組分的抗裂功能材料實(shí)現(xiàn)混凝土溫度-變形的雙重調(diào)控:①利用水化溫升抑制組分調(diào)控水泥水化進(jìn)程,通過降低水泥水化加速期的放熱速率,實(shí)現(xiàn)在一定散熱條件下混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的調(diào)控[9,12];②利用不同膨脹性能的膨脹組分實(shí)現(xiàn)分階段、全過程混凝土收縮補(bǔ)償,特別是降低實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土溫降階段收縮的調(diào)控行為,可有效解決傳統(tǒng)膨脹補(bǔ)償收縮技術(shù)與實(shí)體混凝土溫度計(jì)收縮變形歷程不匹配的問題[13-14]?；诖?本研究提出基于大摻量雙摻礦物摻合料(粉煤灰、礦粉雙摻)和抗裂功能材料的低溫升、高抗裂的混凝土配合比方案。結(jié)合前期大量室內(nèi)研究結(jié)果,在滿足設(shè)計(jì)、施工等性能的前提下,對(duì)比了基準(zhǔn)與抗裂混凝土配合比的絕熱溫升及自生體積變形性能,混凝土配合比如表3所示。

表3 C50襯砌混凝土配合比

1)混凝土絕熱溫升 試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,抗裂混凝土7d絕熱溫升值為46.6℃,與基準(zhǔn)混凝土相比降低近5.0℃,且混凝土早期絕熱溫升明顯降低,有利于降低實(shí)體結(jié)構(gòu)的溫峰值,從而降低結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 混凝土絕熱溫升數(shù)據(jù)Fig.2 Data of adiabatic temperature rise of concrete

2)混凝土自身體積變形 自收縮可表征混凝土早期自生體積變形發(fā)展趨勢(shì),控制混凝土自收縮的發(fā)展能減少實(shí)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的收縮裂縫,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,基準(zhǔn)混凝土自生體積變形自澆筑成型呈持續(xù)收縮狀態(tài),而抗裂混凝土呈持續(xù)膨脹狀態(tài),14d齡期混凝土自收縮分別為-141.6με, 160.4με。

圖3 自生體積變形(常溫條件)Fig.3 Autogenous volume deformation (at ambient temperature)

根據(jù)室內(nèi)熱力學(xué)結(jié)果,從抗裂性角度來看,通過抗裂配合比方案能有效降低混凝土絕熱溫升值及自生體積變形,相較于基準(zhǔn)配合比,抗裂配合比有利于提高結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性能。

3.2 混凝土生產(chǎn)與運(yùn)輸

1)混凝土生產(chǎn) 混凝土拌合站有2條生產(chǎn)線,每盤混凝土攪拌時(shí)間≥120s,每條生產(chǎn)線實(shí)際產(chǎn)能為30～40m3/h,2條線同時(shí)生產(chǎn)時(shí)總產(chǎn)能為55～80m3/h,滿足澆筑時(shí)混凝土的供應(yīng)需求。

2)混凝土運(yùn)輸 采用混凝土攪拌車,攪拌車的攪拌罐應(yīng)有保溫或隔熱措施。運(yùn)輸時(shí)間不宜大于120min,坍落度損失應(yīng)控制在允許值內(nèi),以保證混凝土入模坍落度及其灌注的連續(xù)性。同時(shí),混凝土運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)直至澆筑前,當(dāng)出現(xiàn)坍落度損失過大不滿足要求時(shí),可通過二次添加適量減水劑并在攪拌車中快速攪拌不少于3min的方式進(jìn)行調(diào)整,嚴(yán)禁直接加水,如不能恢復(fù)工作性能,不得澆筑入模。

3.3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1溫控措施

1)根據(jù)施工季節(jié)及氣溫的不同,混凝土入模溫度控制分為高溫季節(jié)(通常指當(dāng)年4—11月,≤30℃)和其他季節(jié)(通常指12月至次年3月,≤28℃),必要時(shí)加入適當(dāng)冰塊或冰水拌合降溫,盡量選擇在氣溫較低的時(shí)段澆筑,避開白天高溫天氣。

2)骨料提前進(jìn)場(chǎng)入庫儲(chǔ)存,在砂石遮陽棚的基礎(chǔ)上,可采取灑水或霧炮機(jī)對(duì)料場(chǎng)內(nèi)的砂石料進(jìn)行噴水或噴霧降溫,建議選用冷水降溫,每日2～3次。

3)在水泥廠專罐儲(chǔ)存的基礎(chǔ)上,對(duì)進(jìn)站高溫粉料進(jìn)行提前儲(chǔ)存,并設(shè)置中間倉儲(chǔ)存倒運(yùn),同時(shí)在儲(chǔ)罐表面涂刷隔熱涂層材料。

4)澆筑混凝土?xí)r,為保障混凝土入模溫度滿足要求,需在澆筑時(shí)派專人對(duì)混凝土入模溫度進(jìn)行定時(shí)跟蹤記錄并及時(shí)反饋。

3.3.2抗裂構(gòu)造措施

1)隧道襯砌結(jié)構(gòu)由于受外約束極大,一次性澆筑長度越長,則開裂風(fēng)險(xiǎn)越高,因此基于控裂考慮,在施工允許范圍內(nèi)降低一次性澆筑長度能有效減小外約束,有利于裂縫控制,因此采取一次性澆筑長度為12m。

2)在隧道初支與襯砌之間設(shè)置防水板,一方面用于阻擋海水侵蝕,另一方面又能有效減小初支結(jié)構(gòu)與襯砌結(jié)構(gòu)之間的約束,有利于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫控制。

3.3.3實(shí)體溫度-應(yīng)變監(jiān)測(cè)措施

對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土收縮變形、溫度等性能進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè),可對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性進(jìn)行有效評(píng)估,同時(shí)能指導(dǎo)精細(xì)化施工(如拆模時(shí)間、保溫措施等),最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、材料、施工等的閉環(huán)控制。測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示,分別為襯砌長度方向1/2距施工縫0.5m處、襯砌長度方向1/2距施工縫2.0m處、距襯砌混凝土表面5cm處。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Layout of monitoring points

3.4 襯砌混凝土澆筑與振搗

1)混凝土襯砌澆筑采用全斷面一次成型法施工,混凝土澆筑應(yīng)保持連續(xù)性,如因故中止且超過允許的間歇時(shí)間,應(yīng)按施工縫處理。

2)對(duì)混凝土拌合物的坍落度進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定值應(yīng)按(200±20)mm進(jìn)行控制,混凝土泵送的坍落度不宜過大,以避免離析或泌水。

3)混凝土使用附著式和插入式振搗器振搗,振搗時(shí)間以混凝土不再顯著下沉、不出氣泡,并開始泛漿為準(zhǔn)。振搗器距模板的垂直距離應(yīng)大于振搗器有效半徑的1/2,并不得觸動(dòng)鋼筋、預(yù)埋件及監(jiān)測(cè)設(shè)備。

4)采取逐窗放料、逐窗振搗方式。臺(tái)車澆筑窗口分上、中、下3層左右對(duì)稱布置,每層每側(cè)設(shè)置4個(gè)窗口,層與層間交錯(cuò)布置;料斗內(nèi)順線路方向采用焊接鋼板將料斗左右等分,實(shí)現(xiàn)兩側(cè)均勻分料;二次襯砌從下到上、左右對(duì)稱逐窗澆筑,逐窗振搗,直至拱頂擋頭模板最高處混凝土漿液外溢判定澆筑飽滿后暫停,待10min混凝土自然沉落后,最后進(jìn)行少量的帶壓澆筑。

3.5 襯砌混凝土拆模與養(yǎng)護(hù)

1)拆模時(shí)間 澆筑完成后3d拆模,拆模時(shí)間不宜過早,避免混凝土溫度較高時(shí)拆模表面快速失水及內(nèi)外溫差過大等導(dǎo)致的開裂。

2)拆模后養(yǎng)護(hù) 本工程C50混凝土配合比中礦物摻合料較高,拆模后需進(jìn)行14d保濕養(yǎng)護(hù),以提升混凝土性能,尤其是表層混凝土的抗裂性和耐久性。拆模后表面應(yīng)進(jìn)行噴淋和灑水等養(yǎng)護(hù)措施,使混凝土表面保持濕潤狀態(tài),養(yǎng)護(hù)水溫度與混凝土表面溫度之差應(yīng)≤15℃。

4 實(shí)施效果對(duì)比

從混凝土澆筑開始,對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集,對(duì)比了基準(zhǔn)段和抗裂段隧道襯砌實(shí)體結(jié)構(gòu)中心溫度及應(yīng)變歷程。均在高溫季節(jié)施工,入模溫度控制為28℃,兩組襯砌段溫度、應(yīng)變歷程對(duì)比監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)體結(jié)構(gòu)溫度-變形監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of monitoring results of temperature and deformation of solid structure

由圖5可知,抗裂段相對(duì)于基準(zhǔn)段,其到達(dá)溫峰時(shí)間延長約16h,溫峰值降低5.8℃,溫升最大值降幅達(dá)18.4%;抗裂段溫升階段與基準(zhǔn)段相比膨脹變形增幅達(dá)1倍以上,襯砌由于受仰拱強(qiáng)約束可在膨脹狀態(tài)下儲(chǔ)存更多的膨脹預(yù)壓應(yīng)力,且在溫降過程中,抗裂段混凝土溫降收縮變形顯著降低,基準(zhǔn)段溫降變形速率為-15.3με/℃,而抗裂段溫降變形速率為-10.7με/℃,降幅達(dá)30%,有利于減小長度方向上受仰拱強(qiáng)約束的水平向收縮拉應(yīng)力,總體抗裂段混凝土溫升值顯著降低且溫降階段收縮較小,綜合實(shí)施后,能有效減少高強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)非荷載裂縫的出現(xiàn)。

隧道襯砌結(jié)構(gòu)澆筑結(jié)束3d后拆模,現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)襯砌外表進(jìn)行了持續(xù)觀測(cè),結(jié)果表明,基準(zhǔn)段拆模后在襯砌左右兩側(cè)中間位置各發(fā)現(xiàn)一條起于施工縫的環(huán)向裂縫,而按照裂縫控制技術(shù)實(shí)施的抗裂段做到了完全不開裂,現(xiàn)場(chǎng)情況與計(jì)算結(jié)果相符,充分證明了控裂思路和技術(shù)方案的正確性。

5 結(jié)語

1)針對(duì)C50高強(qiáng)隧道襯砌混凝土的結(jié)構(gòu)形式和工況特點(diǎn),通過計(jì)算與試驗(yàn)論述了原材料、配合比優(yōu)化、一次性澆筑長度、入模溫度、拆模時(shí)間及保濕養(yǎng)護(hù)等措施工藝對(duì)結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響,提出了合理的C50隧道襯砌抗裂技術(shù)施工設(shè)計(jì)工藝。

2)對(duì)比抗裂混凝土與基準(zhǔn)混凝土實(shí)體溫度-應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用抗裂段襯砌中心溫度從澆筑到溫峰的時(shí)間相較基準(zhǔn)段延長約16h,最大溫升值顯著降低達(dá)18.4%;抗裂段混凝土溫升階段變形增大幅度近1倍,且溫降階段收縮顯著降低達(dá)30%,變形調(diào)控效果十分顯著。拆模后進(jìn)行持續(xù)跟蹤,基準(zhǔn)段出現(xiàn)開裂,而抗裂段未出現(xiàn)開裂,解決了C50高強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)早期開裂難題,保障了工程建設(shè)質(zhì)量及服役壽命。