深中通道西人工島現(xiàn)澆隧道大體積混凝土控裂技術(shù)

徐波，王德亮，劉帥，鄭偉濤

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

深中通道西人工島現(xiàn)澆隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，混凝土外觀質(zhì)量要求高，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命100 a，耐久性要求較高。單次混凝土澆筑體量大，且現(xiàn)場施工處于外海深基坑內(nèi)，作業(yè)環(huán)境苛刻。結(jié)構(gòu)后期長期處于海洋環(huán)境中，抗?jié)B及防水性能要求高，因此對大體積混凝土控裂技術(shù)提出了較高的要求。

根據(jù)本工程實際情況，采取理論論證與現(xiàn)場典型施工相結(jié)合的方法，通過對混凝土分段澆筑、混凝土配合比及智能溫控的研究與實施，形成了完備的外海人工島大體積混凝土現(xiàn)澆隧道控裂技術(shù)。

1 工程概況

深中通道西人工島現(xiàn)澆隧道分為暗埋段與敞開段，其中暗埋段隧道全長175 m，分為4段（CW1—CW4），每個結(jié)構(gòu)段間設(shè)置1道變形縫，單段長度為30～60 m，西人工島現(xiàn)澆暗埋段平面布置見圖1。

隧道結(jié)構(gòu)采用單箱雙室管廊箱型的結(jié)構(gòu)形式，混凝土強度等級為C50（56 d），頂?shù)装搴?40～160 cm，側(cè)墻厚130～150 cm，中隔墻厚度80 cm，橫斷面為漸變結(jié)構(gòu)，寬46～74.45 m?，F(xiàn)澆隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖2。

圖1 深中通道西人工島現(xiàn)澆暗埋段隧道平面布置圖（cm）Fig.1 Layout of cast-in-situ buried tunnel in the west artificial island of Shenzhen-Zhongshan Link(cm)

圖2 現(xiàn)澆隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（cm）Fig.2 Standard section of cast-in-situ tunnel(cm)

2 控裂技術(shù)研究

2.1 分段分層澆筑工藝

西人工島現(xiàn)澆隧道采用明挖法施工，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸龐大，施工作業(yè)空間有限，整體一次性澆筑成型難以實施，且質(zhì)量控制存在較大難度。為此，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力、防水要求及現(xiàn)場實際施工條件，采用分段分層澆筑方式。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，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)[1]，運用有限元軟件模擬分析，計算不同分段長度的混凝土溫度應(yīng)力，結(jié)果見表1。根據(jù)理論計算可知縱向分段長度縮短對結(jié)構(gòu)控裂相對更為有利，因此確定按照縱向15 m進行分段。與此同時，按照跳倉法進行隧道結(jié)構(gòu)段施工，統(tǒng)籌結(jié)構(gòu)控裂及模板工藝。

表1 不同分段長度的混凝土溫度應(yīng)力計算結(jié)果Table 1 Calculation results of temperature stress of concrete with different section length

結(jié)合類似工程現(xiàn)澆暗埋段隧道分層澆筑工藝經(jīng)驗[1]及有限元模擬分析，分別對不同的分層方案進行分析，具體分層方式有：

1）底板、墻體及頂板分3次進行澆筑。

2）底板一次澆筑，中墻第2次澆筑，側(cè)墻與頂板整體澆筑。

3）底板與側(cè)墻整體澆筑，頂板二次澆筑。

有限元分析計算結(jié)果表明，采用底板與側(cè)墻整體澆筑，有利于降低墻身開裂風(fēng)險。同時，墻身的薄壁柔性特性，對頂板的約束作用相較較小。為此，擬定對水平施工縫設(shè)在隧道結(jié)構(gòu)頂板加腋下方50 cm處，墻體與底板一次澆筑成型的分層工藝。水平施工縫設(shè)置方式見圖3。

圖3 現(xiàn)澆隧道豎向分層施工示意圖Fig.3 Diagram of vertical stratification construction of cast-in-situ tunnel

2.2 混凝土配合比優(yōu)化

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)該具有較好的抗裂性和體積穩(wěn)定性。為保證混凝土的施工質(zhì)量，針對降低混凝土水化熱及提升混凝土早期抗拉性能，對配合比進行優(yōu)化。其中，對不同比例組合礦物摻合料水化熱進行測試，篩選水化熱較低、工作性好及后期干縮較小的膠凝材料組合，部分組合測試結(jié)果如表2所示，最終擬定的配合比見表3。同時，選擇骨料粒徑5～25 mm的反擊破碎石[2-3]提升混凝土的抗拉強度，降低早期開裂風(fēng)險。

表2 不同摻合料下的膠凝體系水化熱試驗結(jié)果Table 2 Experimental results of hydration heat of cementitious system with different admixtures

表3 混凝土配合比優(yōu)化Table 3 Optimization of concrete mix ratio kg·m-3

2.3 溫控措施

2.3.1 混凝土入模溫度控制

各項原材料均對混凝土出機溫度有影響，混凝土入模溫度在條件允許的情況下應(yīng)盡可能的降低。為有效控制混凝土出機溫度，采取了一系列溫控技術(shù)措施。

1）拌合站設(shè)置制冰機及冷水機

西人工島上安裝2臺3 m3自動計量拌和站，并配套1臺制冰機及儲冰庫，選用2臺冷水機。制冰機在高溫季節(jié)可保證按照60 kg/m3加冰量向拌合物中摻入碎冰，冷水機組可確保拌合用水水溫為4～5℃。

2）粉料原材料溫控措施

為降低粉料溫度，配置備用大型儲料倉，確保粉料提前進場，現(xiàn)場擱置降溫。同時在粉料罐設(shè)置環(huán)形冷卻水管，安裝低霧噴頭，并與冷水機組冷卻水聯(lián)通?；炷翝仓俺掷m(xù)噴淋冷水于罐體表面，利用蒸發(fā)吸熱持續(xù)降溫。

3）骨料溫度控制措施

設(shè)置遮陽的砂石料倉，料倉頂部安裝噴淋系統(tǒng)。在拌合站料倉開口部位設(shè)置升降式卷簾門，并在拌合站側(cè)面安裝工業(yè)級冷風(fēng)機。

4）混凝土原材料溫度監(jiān)測系統(tǒng)

拌合站利用信息化手段及監(jiān)測芯片對混凝土原材料溫度及出機溫度進行全過程監(jiān)測，確保數(shù)據(jù)具有全過程可追溯性。

5）控制混凝土運輸溫升

為減小混凝土在運輸、澆筑過程中溫度的上升，在罐車罐體上包裹保溫布，并灑水降溫。施工過程中混凝土出機與入模溫度如表4所示。

表4 混凝土平均出機及入模溫度Table 4 Average temperature of the concrete out of machine and into mold ℃

2.3.2 混凝土內(nèi)部溫度控制

施工前期通過有限元建模對多種循環(huán)冷卻水管布置方案進行開裂風(fēng)險分析，擬定水管布置間距及層距。有限元模型見圖4。在結(jié)構(gòu)中設(shè)置冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，結(jié)合溫度監(jiān)測系統(tǒng)，可起到降低混凝土內(nèi)部最高溫度，從而達到降低混凝土內(nèi)表溫差、減小降溫收縮的目的[4]。

圖4 有限元模擬分析Fig.4 Finite element simulation analysis

2.3.3 大體積混凝土智能溫控系統(tǒng)的應(yīng)用

大體積混凝土智能溫控系統(tǒng)主要包括：現(xiàn)場溫度信息實時顯示、溫控技術(shù)措施提示、冷卻循環(huán)水智能控制3部分功能。在混凝土澆筑前安裝溫度傳感器，開始澆筑時，無線采集器開始采集各個溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，由無線數(shù)據(jù)中繼器匯總，儲存到云服務(wù)器中，溫度數(shù)據(jù)可實時查看。

混凝土結(jié)構(gòu)的各溫度監(jiān)測點顯示的溫度信息主要有：混凝土內(nèi)部最高溫度、混凝土表面溫度、混凝土內(nèi)表溫差、混凝土表面與環(huán)境溫差、混凝土與冷卻水最大溫差、降溫速率，共6個溫度指示[5]。同時，通過編制溫度預(yù)警及溫控技術(shù)措施提示程序模塊，并預(yù)先設(shè)定溫度控制指標(biāo)，對云服務(wù)器中混凝土各溫度監(jiān)測點的溫度數(shù)據(jù)進行檢索、分析、判斷，對于超出溫控指標(biāo)的溫度監(jiān)測點發(fā)出預(yù)警信息，并提示應(yīng)采取的溫度控制技術(shù)措施[5]。

2.3.4 混凝土拆模及養(yǎng)護

混凝土側(cè)墻模板拆模前，結(jié)合混凝土內(nèi)表溫差及混凝土表面與大氣溫差監(jiān)測情況，確定合理的拆模時機，夏季布置噴淋水管，進行噴淋養(yǎng)護，冬季溫度較低時覆蓋保溫棉進行保溫，及時覆蓋保溫養(yǎng)護是控裂的有效措施[6-8]。

2.3.5 混凝土溫控及裂縫觀測情況

通過上述措施，混凝土的入模溫度、溫峰及溫升值均得到良好控制。同時根據(jù)后期裂縫觀測，僅局部出現(xiàn)個別不規(guī)則長度較短表層裂縫，無明顯有害裂縫發(fā)生，裂縫控制效果顯著。

3 結(jié)語

1）現(xiàn)澆隧道結(jié)構(gòu)進行分段分層澆筑，并采用跳倉澆筑的工藝，是結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)尺寸及大體積混凝土控裂需求所制定的總體施工工藝，在施工過程中，有效縮短了施工工期，便于形成作業(yè)流水，同時在一定程度上縮短了分次澆筑的時間間隔，有效保證了隧道結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，提高了施工工效。

2）進行大體積混凝土溫度應(yīng)力有限元模擬計算，并通過計算結(jié)果制定科學(xué)合理的循環(huán)冷卻方案，降低混凝土水化熱溫峰及內(nèi)外溫差。優(yōu)化循環(huán)冷卻水管布設(shè)，滿足抗裂安全性需求，并兼顧現(xiàn)場可實施性。安裝信息化混凝土溫度監(jiān)測系統(tǒng)及智能化循環(huán)水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)大體積混凝土溫度控制需求，動態(tài)控制冷卻循環(huán)水流量、流速及流向，有效避免了由人工進行溫控的各種弊端和不足，提高了裂縫控制的效率，是大體積混凝土溫控技術(shù)發(fā)展方向。

3）利用系統(tǒng)化的控裂方案，實現(xiàn)了現(xiàn)澆隧道既定控裂目標(biāo)，保證了隧道結(jié)構(gòu)自防水目標(biāo)實現(xiàn)，為沉管對接創(chuàng)造了良好條件。

4）通過對現(xiàn)澆隧道大體積混凝土控裂技術(shù)的研究，總結(jié)出一套完備的外海人工島大體積現(xiàn)澆隧道控裂技術(shù)，達到了預(yù)期的控裂效果，確保了混凝土施工質(zhì)量，也為后續(xù)類似工程提供借鑒。