隧道大體積混凝土襯砌的溫度控制

蔣平江，柳 偉，焦長洲

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000;2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌 330013;3.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518035)

大體積混凝土指的是長寬高尺寸均大于1 m的混凝土。大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫的產(chǎn)生，主要是由于混凝土凝結(jié)硬化過程中，水泥的水化熱在其內(nèi)部和表面間形成溫度梯度而產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，當(dāng)混凝土內(nèi)部應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時，即產(chǎn)生裂縫［1］。該類裂縫一般發(fā)展較大并形成貫穿性裂縫，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用和耐久性，甚至危及結(jié)構(gòu)的安全。

隧道設(shè)計一般取1 m隧道進(jìn)行框架內(nèi)力計算，而對溫度應(yīng)力則不進(jìn)行詳細(xì)計算，只是采用構(gòu)造配筋，因此常導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)溫度裂縫，從而工程界有“無隧不裂”的說法［2］。隨著大體積混凝土在隧道工程中的廣泛應(yīng)用，對其溫度裂縫進(jìn)行有效預(yù)防和控制成為工程技術(shù)界長期關(guān)注和研究的重要課題。

1 工程概況

深圳北站新區(qū)大道K0+425～K1+220標(biāo)段為明挖隧道，隧道長795 m，主體結(jié)構(gòu)厚度多為1.3～1.8 m，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)分段施工，分層澆筑，每段施工長度為20 m，先澆筑底板，后澆筑側(cè)墻及頂板。

溫度控制要點:①內(nèi)表溫差控制。由于混凝土凝固過程中，內(nèi)表溫差產(chǎn)生溫度應(yīng)力，這種溫度應(yīng)力與混凝土的體積成正比，對于大體積混凝土，內(nèi)表溫差控制顯得尤為重要。②表層氣溫差控制。在施工階段，氣溫的變化，特別是溫度驟降，表層混凝土急劇收縮，而內(nèi)部混凝土仍處于高溫狀態(tài)，限制表面混凝土收縮，導(dǎo)致產(chǎn)生表面裂縫。③主體結(jié)構(gòu)分層澆筑，隧道底板澆筑和側(cè)墻及頂板澆筑存在明顯的時間差，在底板混凝土的溫度變化趨于穩(wěn)定時才澆筑側(cè)墻及頂板，連接處容易產(chǎn)生裂縫。

2 溫度控制措施

2.1 嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量［3-4］

1)水泥:選用水化熱較低的水泥，并盡可能減少水泥用量和用水量，盡量避免使用早強(qiáng)水泥。經(jīng)比選，采用日本“小野田”牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

2)細(xì)骨料:采用級配良好且含泥量少、細(xì)顆粒少的中砂和中粗砂，因其孔隙率小，總表面積小，這樣混凝土的用水量和水泥的用量就可以減少，水化熱降低，裂縫減少。同時，在滿足和易性的情況下，應(yīng)采用較小的砂率。采用Ⅱ區(qū)中砂，含泥量控制在2%以內(nèi)，產(chǎn)地為安托山和越眾。

3)粗骨料:改善粗骨料級配，使其空隙率減至最少;適當(dāng)減少粗骨料最大粒徑，降低粗細(xì)骨料的粒徑梯度。盡量選擇使用線膨脹系數(shù)較小的粗骨料，同時嚴(yán)格控制骨料的含堿量。在可泵送的情況下，選用粒徑5～20 mm連續(xù)級配碎石，含泥量控制在1%以內(nèi)，以減少混凝土收縮變形，產(chǎn)地為安托山和越眾。

4)除了按有關(guān)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)檢驗原材料的常規(guī)指標(biāo)外，對影響體積穩(wěn)定性的有關(guān)指標(biāo)也要嚴(yán)格檢驗，如:水泥的體積安定性、水泥中 Na2O、K2O的含量及C3A含量;砂石材料有害雜質(zhì)(黏土、硫化物、硫酸鹽及水膨脹的礦物等)的含量、堅固性、粗細(xì)程度等。

2.2 優(yōu)化混凝土配合比［3］

大體積混凝土配合比設(shè)計中主要考慮降低水化熱，減小混凝土的絕熱溫升。

1)在保證強(qiáng)度與耐久性的同時盡量降低單位水泥用量、用水量及坍落度、砂率，其中水泥用量與大體積混凝土的最高溫升有直接聯(lián)系，降低水泥用量是最有效的溫控措施。

2)采用“雙摻技術(shù)”，混凝土內(nèi)可摻用適量(約10%)的微膨脹劑(WEA)替代水泥，可起到降低水泥用量，減少水化熱的作用，同時混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力可以抵消一部分混凝土的收縮應(yīng)力。此外，還可添加適量緩凝型外加劑，延緩水化熱釋放時間，減少內(nèi)外溫差。

3)摻粉煤灰?；炷羶?nèi)摻用適量的活性材料(粉煤灰)以代替水泥用量，粉煤灰可以使混凝土水化熱在一定程度上延緩釋放，降低水化熱，增加混凝土的和易性，而且能夠大幅度提高混凝土后期強(qiáng)度。

綜合以上考慮及要求確定，施工配合比為水泥1∶砂2.74∶石子3.59∶水0.52∶摻合料0.327 6∶外加劑0.030 6，水灰比為0.41。

2.3 采用冷卻水管降溫

合理布設(shè)冷卻水管，通過冷卻水循環(huán)能有效地帶走熱量，將各層混凝土最大內(nèi)表溫差控制在25℃以內(nèi)，防止溫度裂縫的產(chǎn)生。冷卻水管采用φ32 mm鍍鋅鋼管，底板橫向布置2排、側(cè)墻豎向布置3排、頂板橫向布置3排，間距均為1 m。待混凝土澆筑到各層冷卻水管高程后開始通水冷卻。為及時掌握混凝土內(nèi)部溫升與表面溫度的變化值，在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)埋設(shè)若干個測溫點，每個測溫點埋設(shè)測溫管。冷卻水管和測溫管布置見圖1。

圖1 冷卻水管和測溫管布置(單位:mm)

通水冷卻方案:①在混凝土初凝時由專人負(fù)責(zé)依次開啟系統(tǒng)的各個循環(huán)，往冷卻管內(nèi)注入抽取的地下水;②第一天采用最大通水量，以帶走更多的熱量;③次日根據(jù)測溫情況調(diào)節(jié)水流量，當(dāng)內(nèi)部溫度與入水溫度相差 ＜20℃，加大入水量，當(dāng)溫差在 20℃ ～25℃，則減小入水量;④當(dāng)出水口水溫趨于穩(wěn)定或混凝土內(nèi)外溫差＜5℃，停止冷卻;⑤使用完后的冷卻水管內(nèi)壓注與混凝土強(qiáng)度等級相同的水泥砂漿。

2.4 加強(qiáng)施工質(zhì)量控制

2.4.1 控制混凝土的入模溫度

降低混凝土的澆筑溫度對控制混凝土裂縫非常重要，相同的混凝土，入模溫度高的溫峰值要比入模低的大許多［5-6］，本工程控制混凝土的入模溫度最大不超過28℃。為此，①原材料要入庫存放，不能入庫的要進(jìn)行覆蓋，降低材料的溫度;②盡量降低拌合水的溫度，存儲地下水的水箱用海綿麻袋覆蓋保溫;③加快混凝土的運(yùn)輸和入倉速度，減少此過程的溫度回升。

2.4.2 混凝土分層澆筑

1)要分層連續(xù)澆筑，采用斜面分層法澆筑，每層的厚度一般按振搗作用半徑1.25倍考慮，并≤0.3 m。由兩邊向中間澆筑，斜面坡度為混凝土振搗時自然流淌形成的坡度，以保證能夠振搗密實。混凝土的澆筑應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，間歇時間盡量縮短，并不超過混凝土的初凝時間，即次層混凝土應(yīng)在前層混凝土初凝前澆筑完成，保證無層間冷縫發(fā)生。

2)混凝土自由下落高度超過2 m時，應(yīng)采用串筒或溜槽下落，以保證混凝土拌合物不發(fā)生離析現(xiàn)象。

3)及時清除混凝土澆筑過程中匯集的表面泌水，如在澆筑過程中遇到降雨，應(yīng)用彩條布遮蓋大體積混凝土上空。

2.4.3 混凝土表面處理

1)混凝土施工完畢后，在初凝之前對混凝土表面抹壓收漿，以清除混凝土表面早期產(chǎn)生的塑性裂縫。

2)混凝土表面用麻袋覆蓋并灑水進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)。側(cè)模外掛麻袋保溫，根據(jù)測溫結(jié)果指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)工作，將降溫速度控制在2℃/d，養(yǎng)護(hù)時間14 d。

3)澆水次數(shù)以保持混凝土在整個養(yǎng)護(hù)期間內(nèi)處于濕潤狀態(tài)為度。當(dāng)氣溫較低時，覆蓋麻袋保溫保濕養(yǎng)生，氣溫較高時，采用灑水養(yǎng)護(hù)。這樣既可控制混凝土表面溫度與內(nèi)部溫度或氣溫的差值，防止混凝土開裂。同時，還可以有效地防止混凝土表面發(fā)生龜裂。

4)混凝土養(yǎng)護(hù)至其強(qiáng)度達(dá)到1.2 MPa以上方可在其上行人。

2.4.4 實時溫度監(jiān)控

專人負(fù)責(zé)定時對大氣溫度、混凝土表面溫度、測溫點溫度進(jìn)行監(jiān)測。第1～5 d每2 h測溫1次，第6 d后每4 h測溫1次，測至溫度穩(wěn)定為止。測點溫度監(jiān)測結(jié)果見表1。從溫度監(jiān)測結(jié)果來看，本工程溫度裂縫預(yù)防措施達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

表1 溫度監(jiān)測值 ℃

3 結(jié)語

對屬于大體積混凝土的市政隧道這一類比較特殊的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，其施工中的溫度控制具有一定的特殊性，而相關(guān)的研究較少［7］。因此，針對大體積混凝土隧道的溫度控制顯得尤為重要。實踐證明，通過對其原材料進(jìn)行嚴(yán)格控制、采用“雙摻技術(shù)”優(yōu)化配合比、應(yīng)用通水冷卻方法帶走水化產(chǎn)生的熱量;采用溫度監(jiān)控技術(shù)準(zhǔn)確掌握混凝土內(nèi)外溫度變化情況并調(diào)節(jié)通水量、加強(qiáng)對施工的質(zhì)量控制等措施，能夠有效地控制混凝土內(nèi)部的絕熱溫升，避免和減少了混凝土裂縫的產(chǎn)生，保證了混凝土質(zhì)量。當(dāng)然，采用了上述措施以后，增加了工程造價，宜研究建立施工成本優(yōu)化模型，盡量降低施工成本。

［1］覃荷瑛，趙艷林，邢心魁.某寒區(qū)隧道裂縫成因與防治［J］.混凝土，2010，246(4):128-129.

［2］杜曉玲，趙世忠.大體積混凝土隧道裂縫分析及軟件開發(fā)［J］.施工技術(shù)，2010，39(5):22-25.

［3］周解慧.超長混凝土結(jié)構(gòu)整體澆筑施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2010(6):126-129.

［4］田慧生.高寒地區(qū)混凝土構(gòu)筑物裂縫成因及預(yù)防［J］.混凝土，2005，192(10):66-69.

［5］于旭東，葉碩.西堠門大橋南錨碇大體積混凝土溫度控制［J］.世界橋梁，2007(3):72-75.

［6］高明德.大體積混凝土施工工藝及質(zhì)量控制［J］.鐵道建筑，2007(3):98-99.

［7］盧曉.市政隧道大體積混凝土裂縫的控制研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2007.