基于跳倉法施工的深基坑大體積混凝土裂縫控制技術(shù)

周曉剛

(江陰市交通運輸綜合行政執(zhí)法大隊)

0 引言

隨著地下工程的發(fā)展，建造了大量的大型地下商場、停車場、大空間和超深度地鐵站、超規(guī)格長度市政隧道等，這些地下工程結(jié)構(gòu)為了克服水土壓力，需要施工大面積、超厚度的大體積混凝土[1]。在一次連續(xù)整體施工時，大體積混凝土固化過程中，水化反應(yīng)不斷產(chǎn)生和積累熱量，內(nèi)外溫差差異作用下使得混凝土的膨脹收縮不一致，進而導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生，給地下工程結(jié)構(gòu)的防滲造成威脅。因此采用科學(xué)合理的施工工法和有效的防裂措施是有效確保大體積混凝土順利施工的關(guān)鍵[2]。

1 工程概況

某隧道工程采用明挖順作法施工，隧道全長約2.4km，其中暗埋段長1880m，南、北側(cè)敞開段長分別為255m和280m；該工程占地面積約8.64萬m2，底板總面積約8200m2，隧道主體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)厚度為900～1700mm 不等，側(cè)墻厚度900～1600mm；隧道基坑開挖深度約15.21m，開挖寬度約29.74～49.94mm，變形縫設(shè)置36m一道。

在隧道施工中，由于隧道施工縫的存在，導(dǎo)致以下幾個施工難題：①主體結(jié)構(gòu)橫向施工縫（環(huán)向施工縫），根據(jù)實際工況設(shè)置，一般不超過20m，基礎(chǔ)及側(cè)墻配筋較密集，施工縫留置時間較長，混凝土面鑿毛、鋼筋除銹、界面處理等難度較大，致使隧道側(cè)墻施工縫處的滲漏水的現(xiàn)象時有發(fā)生；②施工縫處容易有泥土、流水等進入該界面，后期如果清理不干凈直接影響施工質(zhì)量；③施工縫增加了防水施工質(zhì)量的難度，增加滲漏隱患[3]。

為控制隧道混凝土結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展和減少施工縫引起隧道側(cè)墻滲漏現(xiàn)象，項目隧道底板及側(cè)墻結(jié)構(gòu)采用了跳倉法工藝施工和外摻氧化鎂膨脹劑等措施，目前隧道已回填完成1.2km，降水停止將近1年，現(xiàn)場結(jié)構(gòu)自防水效果較為理想。

2 氧化鎂膨脹劑在大體積混凝土中的性能試驗

氧化鎂膨脹劑可使混凝土在固化的過程中產(chǎn)生一定的微膨脹性，有效改善混凝土的極限抗拉強度和抗?jié)B能力；同時工程應(yīng)用實例也表明，外摻輕燒氧化鎂時，混凝土的極限拉伸值可從133×10-6增長至142×10-6，且混凝土的齡期越長其抗裂性能也越好，因此在大體積混凝土施工中，加入氧化鎂膨脹劑可以改善混凝土的抗裂性能。此外，李承木教授[4]將齡期10 年和12 年的氧化鎂混凝土抗壓強度與其1 年空白強度比較，發(fā)現(xiàn)混凝土強度僅分別降低了3.1%和4.7%，說明外摻氧化鎂基本不會影響混凝土的安定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；經(jīng)長科院進行的氧化鎂試驗表明[5]，氧化鎂混凝土的彈性模量隨齡期的增加而增大，外摻氧化鎂的混凝土抗壓彈模與未摻氧化鎂混凝土基本相當(dāng)；大量的碳化性能試驗結(jié)果表明[6-8]，經(jīng)過28d連續(xù)碳化，混凝土中摻入30%粉煤灰后，外摻輕燒氧化鎂混凝土的碳化深度比未摻氧化鎂的混凝土減小34.3%，前者能夠明顯地影響混凝土的碳化進程，保持混凝土優(yōu)良的工作性能。綜上所述，摻入氧化鎂膨脹劑可以有效提高混凝土的抗壓強度、彈性模量、抗裂性能、抗?jié)B性能等，因此在其使用性能上有必要展開進一步的研究，以適用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂控制。

為了更好地研究氧化鎂膨脹劑的使用性能，采用室內(nèi)試驗的方法對大體積混凝土中氧化鎂膨脹劑的發(fā)展規(guī)律進行研究。在現(xiàn)有使用較為廣泛的氧化鎂膨脹劑中，主要有R 型氧化鎂膨脹劑、M 型氧化鎂膨脹劑和S 型氧化鎂膨脹劑，其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 氧化鎂膨脹劑的主要性能指標(biāo)

本研究中選用與工程實際使用相符合的R 型氧化鎂膨脹劑進行試驗，制作混凝土試塊進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護360d，加入氧化鎂膨脹劑后研究混凝土的膨脹發(fā)展規(guī)律。為了更好地定量分析，在試驗中設(shè)置了不同的氧化鎂膨脹劑摻入量，分別為0%、4%、6%、8%和10%，同時所有的試塊都經(jīng)歷了4 種不同的養(yǎng)護溫度，分別為20℃、40℃、60℃和80℃，以研究大體積混凝土在不同的水化熱條件下的膨脹發(fā)展規(guī)律。不同養(yǎng)護溫度和不同氧化鎂摻量條件下，混凝土試塊的膨脹曲線測試結(jié)果如圖1～圖4所示。

從圖1～圖4 中可以看出，在相同的養(yǎng)護溫度條件下，不同的氧化鎂膨脹劑摻量的混凝土膨脹發(fā)展規(guī)律較為一致，膨脹率先呈非線性增加后逐步趨于平穩(wěn)；相比于不摻和氧化鎂膨脹劑，摻和氧化鎂膨脹劑的混凝土的膨脹率顯著增加，且隨著氧化鎂膨脹劑的增加，混凝土的最終膨脹率也不斷增加，有效地改善了混凝土的抗裂能力，而增加混凝土的養(yǎng)護時間對于氧化鎂混凝土的最終膨脹率改善不顯著，但是可以提高氧化鎂混凝土的膨脹速率，隨著養(yǎng)護溫度的增加，鎂質(zhì)膨脹材料膨脹反應(yīng)速率也逐步增加，因此可以更快地達到最終膨脹率。結(jié)合實際混凝土養(yǎng)護溫度，調(diào)整摻量就可以設(shè)計不同的膨脹量和膨脹反應(yīng)歷程。其膨脹性能與鈣質(zhì)膨脹劑相當(dāng)，且其膨脹反應(yīng)需水量較小，適宜于夏季混凝土和大體積混凝土施工。

圖1 養(yǎng)護溫度為20℃時摻量混凝土膨脹曲線

圖2 養(yǎng)護溫度為40℃時摻量混凝土膨脹曲線

圖3 養(yǎng)護溫度為60℃時摻量混凝土膨脹曲線

圖4 養(yǎng)護溫度為80℃時摻量混凝土膨脹曲線

3 跳倉法施工在深基坑大體積混凝土裂縫控制中應(yīng)用

3.1 跳倉法施工的基本原理

目前，地下工程技術(shù)發(fā)展迅速，地下工程結(jié)構(gòu)也逐步向超長、超寬和超厚的方向發(fā)展，這些大體積和超規(guī)格長度的結(jié)構(gòu)在施工過程中如果整體一次性澆筑，極難控制混凝土內(nèi)部的溫度，造成混凝土內(nèi)外部裂縫分布不均，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，影響地下結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能。跳倉法施工工藝是解決混凝土開裂的有效途徑之一，這是因為混凝土在施工5～10d 期間，其工作性能不穩(wěn)定，未徹底凝固，跳倉法利用該期間混凝土內(nèi)應(yīng)力釋放出來的“抗與放”特性，采用隔一段澆一段分倉措施，且相鄰兩段澆筑間隔時間不小于7d，避免了混凝土初期的溫差和干燥，達到控制裂縫開展的目的。

3.2 深基坑大體積混凝土跳倉法施工工藝

為了控制本工程隧道大體積混凝土施工時的裂縫開展，采用跳倉法施工時，主要施工控制技術(shù)如下：①科學(xué)劃分“跳倉塊”，采取綜合施工管理措施，有效控制混凝土早期裂縫及減少滲漏水現(xiàn)象；②隧道側(cè)墻增加小直徑帶肋，在主鋼筋外側(cè)布設(shè)鋼筋網(wǎng)片，以改善表面混凝土的抗裂性能；③隧道側(cè)墻選擇低水化熱水泥，增加氧化鎂，減少混凝土收縮變形；④形成流水施工，縮短隧道底板及側(cè)墻施工間隙（即縮短第一次與第二次混凝土施工間隔），減少對后期施工的側(cè)墻砼約束裂縫。

跳倉法施工的總體工藝流程如圖5 所示。具體的施工操作要點分別為分倉劃分、分倉澆筑順序確定、大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工及溫度控制、施工縫處理。

圖5 跳倉法施工的工藝流程圖

在分倉劃分時，利用“抗放兼施”的原理，先將超長混凝土結(jié)構(gòu)根據(jù)現(xiàn)場工況合理大小分倉，倉的縱向邊長在20m 左右。分倉時需要考慮的因素有分倉縫設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)剪力最小處，對結(jié)構(gòu)影響最小；在大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工及溫度控制時，分倉澆筑順序的確定原則主要為相鄰倉施工間隔大于7d；根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整分倉澆筑順序?；炷翝仓埃?guī)范布設(shè)測溫芯片，隨時跟蹤檢測砼體內(nèi)溫差，及時采取措施，保證溫控達到預(yù)期目的；混凝土澆筑完成，規(guī)范測溫時間及測溫記錄；掌握環(huán)境溫度；掌握混凝土的入模溫度；分倉施工完成后，對施工縫進行處理，具體為在施工縫處設(shè)置止水鋼板并支模嚴(yán)密，防止漏漿。

3.3 大體積混凝土跳倉法施工中的其他抗裂措施

大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的主要原因有水泥用量大、活性高，水化熱大，含水量高；構(gòu)造配筋率小、間距大；養(yǎng)護不及時，混凝土暴露面大；環(huán)境及混凝土溫度高，風(fēng)速大；未形成流水施工，前期澆筑混凝土約束后期澆筑的混凝土應(yīng)力變形；混凝土早期塑性收縮較重要，其它收縮還有：混凝土自生收縮、碳化收縮（大氣中CO2和混凝土水化物形成CaCO3）和混凝土干燥收縮（潮濕膨脹）。

因此在大體積混凝土跳倉法施工中，主要采取了以下幾個其他裂縫控制措施：

⑴優(yōu)化設(shè)計

由于設(shè)計軟件基本假定、設(shè)計參數(shù)等脫離現(xiàn)場實際，造成定量甚至定性的誤差；合理配置側(cè)墻構(gòu)造配筋或另行增加抗裂鋼筋網(wǎng)，保護層控制為25mm。

⑵跳倉分塊

分塊澆筑長寬盡可能控制在20m 以內(nèi)，采用跳倉澆筑，確保分段混凝土獨立收縮變形而不影響整個結(jié)構(gòu)收縮開裂。

⑶優(yōu)選配合比

底板及側(cè)墻混凝士采用60d 至90d 齡期，采用水化熱低和凝結(jié)時間長的水泥，適當(dāng)摻入氧化鎂，降低側(cè)墻混凝土溫縮應(yīng)力；坍落度宜控制在140～180mm 以內(nèi)，水膠比不大于0.5，澆灌速度不宜過快，混凝土自由落差符合規(guī)范要求。

⑷混凝土澆筑

加強管理嚴(yán)禁冷縫出現(xiàn)，混凝土澆灌后約2 小時進行二次振搗；混凝土施工前，根據(jù)天氣情況等做好周密的施工計劃方案，加強過程監(jiān)督及振搗質(zhì)量。加大施工力量，縮短底板和側(cè)墻施工間隔時間小于7d，減小隧道底板對側(cè)墻混凝土的變形約束；

⑸側(cè)墻混凝土養(yǎng)護

混凝土澆筑完成后，8～12 小時內(nèi)開始帶模噴淋水或噴霧保濕養(yǎng)護。延長拆模時間，模板拆除后及時覆蓋專用養(yǎng)生薄膜及棉被覆蓋。

4 結(jié)論

⑴在相同的養(yǎng)護溫度條件下，不同的氧化鎂膨脹劑摻量的混凝土膨脹發(fā)展規(guī)律較為一致，膨脹率先呈非線性增加后逐步趨于平穩(wěn)；相比于不摻和氧化鎂膨脹劑，摻和氧化鎂膨脹劑的混凝土的膨脹率顯著增加，有效地改善了混凝土的抗裂能力，隨著養(yǎng)護溫度的增加，鎂質(zhì)膨脹材料膨脹反應(yīng)速率也逐步增加，因此可以更快地達到最終膨脹率；

⑵基于跳倉法施工時，采用隔一段澆一段分倉措施，有效降低了隧道混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫開展，目前隧道已回填完成1.2km，降水停止將近1年，現(xiàn)場結(jié)構(gòu)無裂縫出現(xiàn)，自防水效果較為理想。