大尺度現(xiàn)澆暗埋段隧道裂縫控制關(guān)鍵技術(shù)

谷坤鵬，于銅，陳克偉，王成啟，趙輝，孫洪春

（1.中交上海港灣工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200032；2.中交三航局第二工程有限公司，上海 200122）

大尺度現(xiàn)澆暗埋段隧道裂縫控制關(guān)鍵技術(shù)

谷坤鵬1，于銅1，陳克偉1，王成啟1，趙輝2，孫洪春2

（1.中交上海港灣工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200032；2.中交三航局第二工程有限公司，上海 200122）

港珠澳大橋東人工島現(xiàn)澆暗埋段隧道主體結(jié)構(gòu)最大高度為11.4 m，最大寬度為72.2m，為國內(nèi)外同類工程中結(jié)構(gòu)斷面尺寸最大的管廊箱型大體積混凝土結(jié)構(gòu)，受外海孤島作業(yè)限制，需分段分步澆筑。通過工程調(diào)研、理論計算分析和有限元仿真計算分析對現(xiàn)澆暗埋段隧道的裂縫控制展開研究，提出將施工縫移至側(cè)墻上部，底板和側(cè)墻作為整體一次性澆筑，以及控制分段長度、縮短分步澆筑間隔時間及大體積混凝土溫控等裂縫控制關(guān)鍵技術(shù)，解決了現(xiàn)澆暗埋段隧道關(guān)鍵部位側(cè)墻和底板的裂縫問題。

港珠澳大橋；現(xiàn)澆暗埋段隧道；大體積混凝土；溫度控制；裂縫控制

0 引言

港珠澳大橋是由橋、島、隧組成的跨海交通集群工程，是中國交通建設(shè)史上技術(shù)最復(fù)雜、環(huán)保要求最高、建設(shè)要求及標準最高的工程之一。港珠澳大橋主體工程總長約36.3 km，采用橋隧組合方案，其中采用人工島作為橋隧轉(zhuǎn)換體屬國內(nèi)首創(chuàng)。東人工島靠近香港側(cè)，西側(cè)與沉管隧道銜接，東側(cè)與橋梁銜接，東人工島現(xiàn)澆暗埋段隧道作為跨海沉管隧道和非通航孔橋的連接段。

相對于預(yù)制沉管，現(xiàn)澆暗埋段隧道由于受外海孤島作業(yè)條件限制、豎向需要分步澆筑、環(huán)境不可控、橫向斷面尺寸更大和受地基約束等不利條件，控裂難度更大。按照國內(nèi)外類似構(gòu)件的通常施工方法以及設(shè)計要求[1]，每段暗埋段隧道分兩步或三步澆筑，側(cè)墻均為最后一步澆筑的混凝土，因不同步收縮導(dǎo)致側(cè)墻均產(chǎn)生大量裂縫。為解決暗埋段隧道防裂抗?jié)B關(guān)鍵部位側(cè)墻和底板的裂縫問題，本文通過工程調(diào)研、理論計算和有限元仿真分析等，提出了包括分步分段澆筑工藝、超大尺寸大體積混凝土溫控和施工工藝等系統(tǒng)的裂縫控制關(guān)鍵技術(shù)措施。

1 工程概況及結(jié)構(gòu)特點

港珠澳大橋東人工島現(xiàn)澆暗埋段隧道全長230.719 m，設(shè)計提出了CE1～CE6分段方式，每段之間設(shè)置一道變形縫，單段長度為24.7～54m，單段混凝土澆筑總方量為3 771～12 114.5m3。

暗埋段現(xiàn)澆隧道主體結(jié)構(gòu)為單箱四室和單箱雙室管廊箱型結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級為C45，隧道行車道孔凈寬14.55 m，凈高8.4 m，中管廊凈寬4.25 m，底板厚1.5 m，頂板厚1.3 m，結(jié)構(gòu)框架尺寸最高11.4 m，最寬處達72.2 m，屬于國內(nèi)外同類構(gòu)件中截面尺寸最大的大體積混凝土構(gòu)件。

2 類似工程結(jié)構(gòu)裂縫調(diào)研

對類似分步澆筑的現(xiàn)澆隧道和船閘等工程進行了裂縫情況的實地調(diào)研。調(diào)研結(jié)果表明，類似工程均采用了傳統(tǒng)的分兩步或者分三步澆筑工藝，分步澆筑間隔時間為20～81 d，側(cè)墻為最后一步澆筑；側(cè)墻在施工縫以上位置均產(chǎn)生了大量的豎向裂縫，裂縫多出現(xiàn)在早期，拆模時已有裂縫，裂縫間距一般為1～4 m，裂縫寬度為0.1～0.35 mm。因此，若按傳統(tǒng)的分步澆筑工藝進行澆筑，現(xiàn)澆暗埋段隧道側(cè)墻的開裂風(fēng)險極大。

3 分步分段澆筑工藝研究

3.1 分步澆筑應(yīng)力計算

按傳統(tǒng)的分步澆筑方式，側(cè)墻作為最后一步進行澆筑，根據(jù)長墻收縮應(yīng)力計算理論[2-3]，約束應(yīng)力的兩個主要影響因素為墻體溫降和收縮等效溫差，約束應(yīng)力的大小與墻體溫降和收縮等效溫差成正比。

按照規(guī)范及試驗結(jié)果對相關(guān)參數(shù)進行合理取值[4]，對比計算間隔時間分別為7 d、14 d、21 d和28 d，根據(jù)現(xiàn)場混凝土干縮測試結(jié)果，最終干縮按56 d齡期取257×10-6ε，7 d、14 d、21 d和28 d干縮分別取76×10-6ε、156×10-6ε、210×10-6ε和239×10-6ε，以墻體混凝土澆筑完成后10 d進行混凝土應(yīng)力計算。當(dāng)量溫差取值見表1，現(xiàn)澆暗埋段隧道側(cè)墻的應(yīng)力計算結(jié)果見表2。C45混凝土的抗拉強度取值為1.8MPa。由理論分析計算結(jié)果可知，只有將分步澆筑間隔時間縮短至21 d之內(nèi)，且分段長度小于12.5 m才可能消除側(cè)墻裂縫。因此，按照傳統(tǒng)的分步澆筑工藝，從實際施工角度出發(fā)，通過縮短間隔時間和分段長度解決側(cè)墻裂縫不可行。

表1 不同工況下當(dāng)量溫差取值Tab le 1 Equivalent tem peratured ifference of different working conditions

表2 側(cè)墻混凝土應(yīng)力計算Table 2 Concrete stress calcu lation of sidew all

3.2 豎向分步澆筑工藝改進

為避免側(cè)墻作為后澆筑混凝土受底板的不同步約束應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂縫問題，改進豎向分步澆筑工藝，將施工縫上移至側(cè)墻上方距頂板50 cm處，將側(cè)墻和底板作為分步澆筑第一步一次性澆筑，后續(xù)再澆筑頂板等部位[5]，圖1為改進的豎向分步澆筑工藝示意圖。

圖1 豎向分步澆筑工藝示意圖Fig.1 Ver tical pou ring process construction step by step

3.3 軸向分段長度應(yīng)力計算分析

施工縫位置改變后，側(cè)墻和底板一次澆筑在混凝土墊層上，根據(jù)王鐵夢解析法理論[4]，側(cè)墻長度方向的中部截面受到的水平應(yīng)力與溫降和墻體高度有關(guān)。

根據(jù)暗埋段構(gòu)件特點及相關(guān)規(guī)范進行參數(shù)取值，見表3，計算不同分段長度的混凝土內(nèi)應(yīng)力，計算結(jié)果見表4。由計算結(jié)果可知，當(dāng)分段長度為22.5m時，混凝土內(nèi)應(yīng)力等于混凝土軸心抗拉強度1.80MPa，因此分段澆筑長度在22.5 m以內(nèi)基本安全，無裂縫產(chǎn)生，而當(dāng)分段長度大于22.5 m時，有開裂風(fēng)險。因此應(yīng)降低設(shè)計的分段長度。

表3 應(yīng)力計算基礎(chǔ)參數(shù)取值Table 3 Basic param eter choicesof stresscalculation

表4 最大應(yīng)力計算結(jié)果Table4 Calculation resultsofmaximum stress

3.4 分步、分段澆筑工藝確定

根據(jù)計算結(jié)果及實際情況，將現(xiàn)澆暗埋段隧道共分12段進行混凝土澆筑，單段長度為10.7～ 30 m，其中CE1-1、CE1-2、CE2-1和CE3-1斷面方向分兩步澆筑，其余節(jié)段斷面方向分三步澆筑。分兩步澆筑的工藝為第一步澆筑底板、側(cè)墻和中墻，第二步澆筑頂板；分三步澆筑的工藝為第一步澆筑底板和側(cè)墻，第二步澆筑中墻，第三步澆筑頂板。軸向分段長度、豎向分步澆筑工藝見表5。

表5 軸向分段長度、豎向分步澆筑工藝統(tǒng)計表Table 5 Statistical tab le of axial fractional length and verticalpouring step by step

4 大體積混凝土溫控技術(shù)

4.1 暗埋段溫度場有限元仿真計算及冷卻水管布設(shè)

對大體積混凝土進行有限元仿真計算，計算結(jié)果見圖2，由結(jié)果可知不加冷卻水管混凝土芯部最高溫度約72℃，最高溫度極值大約發(fā)生于第1次混凝土澆筑完成后的48 h左右。進行冷卻水管的布設(shè)，冷卻水管管徑為50 mm的金屬管，冷卻水管布置在底板、頂板、側(cè)墻的1/2h位置，冷卻水管間距為1 m，底部倒角處加密水管間距為0.8m。單根冷卻水管長度不超過200m。

圖2 混凝土澆筑后2 d的溫度分布圖Fig.2 Tem peraturep rofileof concrete pouring after 2 d

4.2 循環(huán)冷卻水降溫系統(tǒng)開發(fā)

在充分考慮構(gòu)件特點、流量和溫控要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計了冷卻水循環(huán)控制系統(tǒng)，主要由蓄水桶、水泵、分水器、流量控制器、進出水口及水管等組成。每套控制系統(tǒng)采用多個蓄水桶，并相互連通，總水量不低于50 m3，水泵量程大小根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，分水器為鐵制圓形桶，體積為0.3～1.0m3，每個分水器連接多個出水口，每個出水口設(shè)置1個流量控制器，流量可調(diào)范圍為0～10m3/h。

5 現(xiàn)澆暗埋段隧道澆筑施工及控裂效果

5.1 澆筑施工

東人工島現(xiàn)澆暗埋段隧道自2014年6月進行首段混凝土澆筑至2015年6月完成所有暗埋段的澆筑施工。單次澆筑混凝土方量為267～4 250 m3，單次澆筑持續(xù)最長時間達60 h，共計51 639 m3混凝土。豎向采用分兩步澆筑時，第一步澆筑底板、側(cè)墻和中墻時即搭設(shè)滿堂支架，采用PVC管作為下料管，模板及支架見圖3，第二步澆筑頂板。豎向采用分三步澆筑時，第一步澆筑底板和側(cè)墻時側(cè)墻模板采用斜撐方式，第二步澆筑中墻時搭設(shè)滿堂支架，第三步澆筑頂板。相對于分兩步澆筑，分三步澆筑可降低第一步澆筑時由于搭設(shè)滿堂支架給底板澆筑帶來的施工難度。

圖3 分兩步澆筑第一步澆筑時模板及滿堂支架Fig.3 Formwork and full fram ing for first step of two steps pou ring

5.2 裂縫控制情況

通過對暗埋段隧道的裂縫監(jiān)測，對于分段長度為10.7～15.9 m的節(jié)段，第一步澆筑的底板和側(cè)墻均無裂縫產(chǎn)生；對于分段長度為25.5～30 m的節(jié)段，第一步澆筑的底板和側(cè)墻除CE2-3每面?zhèn)葔Ξa(chǎn)生1～3條無害裂縫外，其他均無裂縫；對于分兩步澆筑或者分三步澆筑的所有節(jié)段，第二步澆筑或第三步澆筑的中墻和頂板均有裂縫產(chǎn)生，裂縫間隔一般為2～4 m，裂縫寬度一般為0.10～ 0.25mm，長度一般為0～3m，裂縫得到了有效控制，外觀效果見圖4。

圖4 現(xiàn)澆暗埋段隧道外觀效果圖Fig.4 Appearance effectpicturesof cast-in-situ buried tunnel

6 結(jié)語

1）研究提出混凝土施工縫上移，將側(cè)墻和底板作為分步澆筑第一步一次性澆筑，并通過控制分段長度、縮短澆筑間隔時間和控制大體積混凝土溫度等技術(shù)措施，以消除側(cè)墻和底板等關(guān)鍵部位的混凝土裂縫。

2）開發(fā)了適用于超大斷面混凝土結(jié)構(gòu)的可調(diào)節(jié)冷卻水流量和溫度的水循環(huán)降溫系統(tǒng)，有效控制了暗埋段隧道底板、側(cè)墻和頂板大體積混凝土的內(nèi)外溫差產(chǎn)生的裂縫。

3）研究結(jié)果在港珠澳大橋東人工島現(xiàn)澆暗埋段隧道工程中得到了應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明，通過將施工縫上移至頂板腋下50 cm、控制分段長度10.7～30 m、控制大體積混凝土內(nèi)部最高溫度不超過70℃和縮短澆筑間隔時間最短至30 d以內(nèi)，有效解決了現(xiàn)澆暗埋段隧道側(cè)墻和底板等關(guān)鍵部位的混凝土裂縫問題。

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Key technology of crack control for large-scale cast-in-situ buried tunnel

GUKun-peng1,YU Tong1,CHENKe-wei1,WANGCheng-qi1,ZHAOHui2,SUNHong-chun2
（1.CCCCShanghaiHarbour Engineering Design and Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai200032,China；
2.No.2EngineeringCo.,Ltd.ofCCCCThird Harbour Engineering Co.,Ltd.,Shanghai200122,China）

Themaximum heightof 11.4m,themaximum width of 72.2m of cast-in-situ buried tunnelmain structure of east artificial island of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,which is the largest structure section size of pipe gallery box of mass concrete structure for the domestic and foreign similar engineering,and restricted by sea island operation,to section and pouring step by step.According to the project research,theoretical calculation analysis and finite element simulation analysis, we researched on the crack control technology of cast-in-situ buried tunnel,put forward some key technologies for crack control,such asmoving the construction joint to the top of the side wall,making the floor and side wallasa whole for one-time pouring,and controlling the section length,shortening the step-by-step pouring time interval,and temperature control ofmass concrete,which can solved the key parts'cracking problemsof sidewalland floor in the cast-in-situ buried tunnel.

Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge;cast-in-situ buried tunnel；mass concrete；temperature control； crack control

U655.56；U455.4

A

2095-7874（2015）11-0004-04

10.7640/zggw js201511002

2015-10-12

2015-10-16

谷坤鵬（1982— ），男，河南商丘市人，碩士，高級工程師，工程材料專業(yè)。E-mail：58249216@qq.com