衬砌混凝土控裂施工的温湿度测试分析

易自砚，刘兴平，白 雪，田玉奎

(1.同济大学土木工程学院，上海 200092;2.兰渝铁路有限责任公司，甘肃 兰州 730050;3.甘肃建筑职业技术学院建筑工程系，甘肃 兰州 730050;4.中铁二十局集团第四工程有限公司，山东 青岛 266000)

0 引言

国内外衬砌裂缝调查结果表明，二次衬砌混凝土开裂是一种普遍现象。袁勇等［1］认为，裂缝的出现是不可避免的，关键在于如何将早期裂缝控制在可以接受的范围内，而不影响结构自身的使用性能和安全性能。因此，对隧道衬砌早期裂缝控制与防治进行研究显得十分重要。

混凝土干燥收缩受内部湿度变化的影响非常大，湿度变化是干燥收缩的驱动力之一。侯景鹏等［2］指出干燥源于微观孔结构的水分迁移，相对湿度变化恰好体现水分迁移的过程。万在龙等［3］认为温度和收缩变形是混凝土早龄期变形的2种主要形式，且直接影响和决定早期裂缝的生成和发展。黄瑜等［4］、刘招伟等［5］研究表明现代混凝土结构开裂大多发生在早期，因此早龄期混凝土内部温湿度的变化对于监控混凝土结构的开裂具有重要意义。

有关混凝土中水分含量变化的研究，Andrade等［6］测量了室外环境中的成熟混凝土内部相对湿度和温度的变化。Parrott［7］对于暴露在自然环境中混凝土试件内部的相对湿度进行试验，检测上述试验中所采用的混凝土试件是成熟混凝土。但是在现场对隧道衬砌混凝土早期含水量变化的研究却很少。黄瑜等［4］研究了在一般室内环境下混凝土试件内部的早期湿度变化规律，但由于测试环境与结构本身的不同，并不能反映隧道二次衬砌内部湿度与应变的真实情况。刘招伟等［5］测试了某铁路隧道U型边墙混凝土早期温度与应变的关系，并对裂缝的发展区域做了预测。可见以上研究大都是基于室内试验或不受外力的不规则形状混凝土试块，其温湿度、应变变化与实际隧道衬砌混凝土有很大差别。因此，本文以白家坡隧道为工程背景，通过现场测试衬砌混凝土早期温湿度和应变，分析其变化规律，研究其对衬砌混凝土的早期裂缝的影响，提出控制早期裂缝的建议。

1 混凝土多场基本理论

1.1 温度变形理论

混凝土在水化过程中释放出大量的水化热，使得混凝土内部温度上升，然后随着边界上热量的不断散失，其温度又逐渐回落到周围环境的温度，直至趋于平衡。这期间，如果水化热引起的温度膨胀或其后的温度收缩变形在结构的约束作用下，产生拉应力超出了该时刻混凝土的抗拉极限，温度裂缝就不可避免地产生。

本文主要采用以下正交各向异性体内部的三维热传导的微分方程来描述早期混凝土内部温度场分布随龄期的变化情况［8］。

式中:变量T为混凝土内部任意点(x，y，z)温度的函数;kx，ky，kz分别表示材料 x，y，z 3 个方向的热传导率，W/(m·K);c为混凝土的比热，Jr/(kg·K);γ为混凝土的密度，kg/m3。为简化模型，假设kx，ky和kz相等，且为常数。

f(t)为热源方程，表示单位体积水泥水化过程单位时间释放的总热量。

式中:W为单位体积混凝土中的水泥含量，kg/m3;Q0为单位质量该品种水泥水化所释放的总热量，W;m为该品种水泥的水化反应速率，无量刚参数。

初始条件:

边界条件可简化为:

式中:T0为现浇混凝土结构的初始温度，在缺乏量测数据或其他理论计算依据时，可以取为混凝土的浇筑温度。

假定温度变形线性相关于温差变化，温度应变可表示为

式中α为温度膨胀系数。我国《混凝土结构设计规范》中规定:当温度在0℃到100℃范围内时，混凝土线膨胀系数可采用 1 ×10－5/℃［9］。

1.2 收缩变形理论

由湿度引起的收缩主要包括塑性收缩和干缩。塑性收缩是指混凝土在凝结之前，表面因失水较快而产生的收缩，主要是因为混凝土在终凝前混凝土表面失水较快，造成毛细管中产生较大的负压而使混凝土体积急剧收缩，当混凝土的强度又无法抵抗其本身的收缩，则会产生龟裂。干缩是由于混凝土内、外水分蒸发程度不同，在内外湿度梯度的作用下混凝土内外湿度差异所致的不协调干缩变形会导致应力的产生。对于普通混凝土，失水引起的干缩变形是早期收缩的主要形式。本文以混凝土早期内部宏观湿度扩散分布模型为基础来分析早期干缩变形随龄期的发展。

宏观湿度扩散模型主要采用以下微分控制方程［8］:

式中:Dx，Dy和Dz为扩散系数;T为温度值;kh和kT为影响参数，分别反映水化过程和温度变化对于湿度的影响;h为相对湿度分布。

式(7)为非线性方程，需迭代求解。

初始条件:

边界条件:

边界扩散系数采用修正后的Menzel方程:

式中:v为平均风速;A为经验系数。

简化考虑，认为各向扩散系数相等，都可以表示为D(h)。采用欧洲规范CEB－FIP［10］的建议公式，在恒温条件下，湿度扩散系数可表示为混凝土内部孔结构的相对湿度h(1≥h≥0)的函数，即

式中:D1为D(h)的最大值，此时h=1.0;α=D0/D1，D0为D(h)的最小值，此时h=0.0;hc为D(h)=0.5D1时的相对湿度;n为常数。计算过程中，α，hc和n可分别取为0.05，0.80和15。D1也可采用下式确定:

式中:D1.0=3.6 ×10－6m2/h;fcko=10.0 MPa。特征抗压强度fck可以通过平均抗压强度fcm来估计，例如，fck=fcm– 8.0。

文献［11］认为，当湿度在0.6～1.0范围内变化时可以假定收缩应变增量Δεsh与湿度增量Δh成正比。

式中αsh为干缩系数，通常可近似取为1.5×10－3。

2 工程概况

白家坡隧道位于甘肃省榆中县境内方家泉村与白家坡之间，全长3 098 m，穿行于黄河河谷及黄土梁、峁区，地势上隧道进口低，洞身出口高，地形起伏大，隧道最小埋深约35 m，最大埋深300 m。

疲劳载荷试验主要是为了验证联轴器在正常运行情况下的疲劳载荷承载能力。联轴器在正常运行过程中，除了受扭矩载荷作用外，还需要受齿轮箱输出轴和发电机输入轴的径向位移和轴向位移载荷的作用。在联轴器疲劳试验时，除了施加扭矩载荷外，还需要在联轴器试验台上施加径向位移和轴向位移。联轴器极限载荷试验参数如表2所示。联轴器完成极限疲劳测试后，需对联轴器进行检查，主要检查项目与极限载荷试验的检查项目相同。

2.1 工程及水文地质

本段涉及地层主要为:第四系全新统冲积砂质黄土、细圆砾土;第四系上更新统风积砂质黄土、细圆砾土;第三系泥岩、砂岩、砾岩;震旦系混合岩;构造岩。工点范围内地质构造不发育，未发现有明显的地质构造形迹。隧道洞身段大部分为普通土、硬土以及软石，稍湿为主，处于中密至密实状态，工程地质条件较差。

根据调查及勘探，隧道洞身通过地段岩体较为破碎，地下水不丰富。隧道洞身地段单位涌水量＜1 m3/(d·m)，围岩的富水程度为弱富水区。

根据水质分析报告，地下水水化学类型为Cl·SO4-Na·Mg·Ca型 水，Cl－含 量 947.9 mg/L，SO24－含量630.2 mg/L，所以地下水对混凝土具氯盐侵蚀性，环境作用等级为L2，具硫酸盐侵蚀性，环境作用等级为H2。

2.2 隧道结构设计

测试断面为Ⅳ级围岩，衬砌断面如图1所示。初期支护参数如表1所示。

隧道二次衬砌结构支护参数:拱圈为45 cm厚混凝土，仰拱为50 cm厚混凝土，均为C35混凝土。仰拱填充为C20混凝土。

2.3 二次衬砌施工组织

衬砌混凝土浇筑时，在洞外混凝土拌合站集中按配合比生产混凝土，由混凝土运输车将混凝土运送至浇筑地点，混凝土输送泵泵送入模，附着式振动器配合插入式振捣器振捣。

二次衬砌是在初期支护完成后，根据量测数据分析结果确定二次衬砌施工时间，并合理地安排各工序平行作业，同时要经专职测量技术人员校准并经质检工程师和监理工程师检验合格后方可进行模筑混凝土浇筑。主要施工内容包括施工准备、台车就位及模板安装、混凝土浇筑、拆模和养生等。具体工艺流程见图2。

图1 Ⅳ级围岩复合式衬砌断面图Fig.1 Composite lining of gradeⅣ rock

表1 初期支护参数表Table 1 Parameters of primary support

图2 二次衬砌施工工艺流程图Fig.2 Flowchart of construction of secondary lining

3 现场测试方案

现场测试选定DK8+174.000处断面为测试断面，如图3所示。该断面为Ⅳ级围岩，采用台阶法。

图3 监测断面位置示意图Fig.3 Position of monitoring section

3.1 布置方案

图4 振弦式混凝土应变计与温湿度测点位置Fig.4 Position of vibrating wire strain gauge and temperature and humidity

图5 振弦式混凝土应变计现场布置形式Fig.5 Vibrating wire strain gauge

温湿度测点布置方案如图4所示，根据现场条件，在隧道两侧二次衬砌混凝土断面处各布置2个温湿度测点。具体测点布置方法是将PVC管穿孔(见图6(b))，目的是为了保证管内的空气湿度与混凝土湿度能够充分交换，并趋于一致。安装的时候，预植在衬砌台车侧面，并将穿孔的PVC管固定，以免脱落而导致预设测定位置变动。

混凝土温湿度测试测点孔外观如图6(a)所示。图6(c)与图6(d)分别为现场混凝土应变、温湿度的测试图。

3.2 设备选型

应变测试选用16－XR－4051型振弦式混凝土应变计，该应变计采用振弦式弹性梁结构，适用于长期埋设在混凝土结构的梁、桩、桩基、支撑、挡土墙、水工建筑物、衬砌、墩与底角及基岩中，监测其应力与应变。感应器数据采集采用JY－YT－DSY－406型频率读数仪，该读数仪支持多种温度传感器的测量，通过设置能直接显示出所测到的物理量，连接通讯电缆可把采集到的实时数据或历史数据上传到计算机，以便对数据进行进一步处理。

温湿度数据采集采用VAISALA HM型手持式温湿度仪表。HM为混凝土干燥提供精确的测量，本次采用HMI41显示表头和HMP44温湿度探头，非常适合混凝土湿度测量。

4 主要测试数据及分析

图7(a)为施工期温度随龄期的变化情况，由图7(a)可知:隧道内衬砌混凝土浇筑的第1天量测所得温度已经达到或者超过了混凝土水化过程中的最高温度。此后，衬砌混凝土温度在现场量测的24 d，温度逐渐降低，并在第10天之后温度开始趋于平稳。在该时间段内，二次衬砌混凝土表面(隧道内部环境温度)温度一直较为平稳。

因此混凝土温度随龄期的变化规律可以分为3个阶段:1)温度上升阶段(发生在混凝土浇筑第1天内);2)温度下降阶段;3)与环境温度相同阶段。

施工期混凝土温度随时间升高、降低到与环境温度相同，其主要原因包括以下几个方面:1)混凝土浇筑完成后，水泥的水化过程尚在持续中，释放大量的水化热使混凝土内部温度上升;2)随着时间增长，水泥的水化程度逐渐减弱;3)透过与外界的热交换，其温度逐渐与周边环境的温度趋于平衡。

图7(b)为现场测试衬砌混凝土内外湿度变化情况。从图7(b)可以看出:衬砌混凝土相对湿度(RH)由近100%随龄期的增长逐渐降低，而且变化速度呈前快后慢的趋势，反映了混凝土在施工期基本性能形成的特征。

混凝土内部相对湿度(RH)随浇筑龄期而减小，主要原因包括以下2个方面:1)混凝土中水泥水化消耗部分水分;2)混凝土内部部分水分向空气中扩散而导致水分减少。相对湿度随龄期减小的速度还与混凝土初期的含水量(水灰比，W/C)有关。根据相对湿度的定义，当混凝土内部含有自由液态水时相对湿度接近100%。在混凝土浇注初期，混凝土孔隙内含有较多的自由液态水，随着龄期的增长，孔隙内液态水逐渐减少，相对湿度也开始呈下降趋势，低于100%。因此，上述混凝土相对湿度的下降持续时间将受混凝土内原有水的含量影响。

图6 现场测试图片Fig.6 Pictures of field test

图8为隧道衬砌混凝土在浇筑完成后的24 d内其自身性能随龄期的变化曲线。由图8可知混凝土应变随时间变化在左右边墙、左右拱腰和左右拱顶的混凝土施工期发生应变在变化趋势上呈现基本一致的态势，大致可以分为3个阶段:1)应变产生及增长阶段;2)应变降低阶段;3)应变平稳阶段。

同时从量值上可以初步看出:1)边墙衬砌混凝土的应变，呈压应变态势;2)拱顶的衬砌混凝土呈拉应变态势;3)拱腰的衬砌混凝土呈过度态势;4)衬砌混凝土施工期最大拉应变出现在拱顶位置。这种量值上的应变态势主要与隧道结构有关。

从图7和图8可以看出，应变增长主要发生在温湿度变化较大的阶段。从6月27日开始，衬砌内温湿度逐渐趋于平稳状态，此时混凝土应变也开始趋于平稳。根据新奥法的施工理念，初期支护才是隧道受力的主要结构，二次衬砌只是安全储备，二次衬砌的施工在围岩基本稳定后才能施作。因此可以认为，二次衬砌混凝土在施工期的应变变化除与隧道结构有关外主要与混凝土早期的温湿度变化相关。而从测试结果，混凝土内表温差达24℃，最大湿度变化为38%，这是混凝土早期裂缝产生的重要原因。

5 结论与建议

1)早期混凝土内部温度随龄期的变化规律为:上升阶段、下降阶段、与环境温度趋于平衡阶段。其湿度的变化规律为:湿度饱和期和随后的逐渐降低阶段。其应变的变化规律为:应变产生及增长阶段、应变降低阶段、应变平稳阶段。从量值上应变表现为:边墙部位的压应变态势、拱顶部位的拉应变态势、拱腰部位的过渡态势。

2)混凝土早期裂缝的控制应以早期温湿度的控制为主。因此控制混凝土的水灰比、加强隧道衬砌早期养护以及采用低热水泥等降低水化热的产生是防止和减少衬砌混凝土早期裂缝的有效措施。

3)隧道衬砌混凝土的拱顶以及拱腰部位在施工期表现为拉应变，这是衬砌混凝土裂缝控制的关键。

4)根据新奥法的施工理念，初期支护才是隧道受力的主要结构，二次衬砌只是安全储备，因此二次衬砌的施工尽可能在围岩基本稳定后施作也可以在很大程度上改善二次衬砌混凝土的受力性能。

［1］ 袁勇.混凝土结构早期裂缝控制［M］.北京:科学出版社，2004:2 －3.

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［3］ 万在龙，袁勇.混凝土早期温度和收缩变形的数值模拟［C］//韩大建，魏德敏.计算机在土木工程中的应用:第十届全国工程设计计算机应用学术会议论文集.广州:华南理工大学出版社，2000:350 －353.(WAN Zailong，YUAN Yong.The numerical simulation of the early concrete temperature and shrinkage［C］//HAN Dajian，WEI Demin.Proceedings of tenth national engineering design and application of computer application.Guangzhou:South China University of Technology Press，2000:350 －353.(in Chinese))

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