补偿收缩混凝土在明挖暗埋隧道矩形框架结构中的应用研究

杨 涛

（浙江温州沈海高速公路有限公司，浙江温州 325002）

补偿收缩混凝土在明挖暗埋隧道矩形框架结构中的应用研究

杨 涛

（浙江温州沈海高速公路有限公司，浙江温州 325002）

为解决矩形框架结构的明挖暗埋隧道中混凝土结构裂缝和渗漏水问题，提出采用补偿收缩混凝土来提高结构抗裂性能的思路，介绍了补偿收缩混凝土矩形框架结构内力和变形计算方法和其配合比设计.对依托工程的计算结果显示，采用补偿收缩混凝土后，隧道结构的弯矩减小、轴力提高、偏心矩减小，抗裂性能明显提高.

补偿收缩混凝土；明挖暗埋隧道；矩形框架；抗裂

公路越江隧道、城市道路和轨道交通工程等大量采用矩形框架结构的明挖暗埋隧道，与此同时，以混凝土结构裂缝及渗漏水为代表的病害问题日益凸显.一方面，明挖暗埋矩形框架结构较之山岭隧道拱形结构的受力较为不利，尤其是顶板跨中弯矩小、轴向力小，呈大偏心的压弯构件；另一方面，由于温度和收缩应力作用、运营车辆的循环荷载作用，以及混凝土的原材料、环境、设计和施工质量等因素导致裂缝作为一种顽症与隧道结构如影随形.研究表明［1］，隧道结构产生的裂缝属于荷载引起的结构性裂缝约占20％；属于变形变化引起的非结构性裂缝则高达80％左右，其中以收缩裂缝为主导.尽管国内工程技术人员针对隧道裂缝这一顽症开展了相关的研究，包括裂缝的成因、防止措施［2］、裂缝间距和宽度计算［3］、带裂缝的衬砌结构安全评估［4］、跟踪监测［5］等，也取得了一定的成果，但是尚不能从根本上根治这一顽症.

补偿收缩混凝土被认为是优质的抗裂防渗混凝土，该技术已经在房屋建筑领域普及推广，成绩显著，早在1992年建设部就颁布了《UEA补偿收缩混凝土防水工法》（YJGF22-92）［6］.例如北京亚运会奥林匹克体育中心田径场看台和高架平台，约3万多平方米，由于采用UEA防水混凝土经20年考验无渗水；2008年北京奥运会的国家体育场、国家游泳中心、北京奥林匹克公园国家会议中心、中心区地下交通联系通道和中国科学技术新馆等奥运工程地下结构都采用了补偿收缩混凝土［7］.补偿收缩混凝土技术在房屋建筑领域的成功应用，为该技术在交通隧道领域的推广应用提供了理论基础和有益借鉴.

利用隧道结构周边良好的约束条件以及补偿收缩混凝土能增加结构自应力的性能特点，本文以浙江省宁海县G228国道西店湾明挖暗埋隧道为研究背景，提出在明挖暗埋隧道中采用补偿收缩混凝土来提高结构抗裂性能的思路.研究采用荷载-结构法进行明挖暗埋隧道结构计算分析时考虑限制膨胀率的方法，通过定量分析四车道隧道矩形框架结构的内应力，验证补偿收缩混凝土的结构抗裂性能.最后，从施工技术角度介绍补偿收缩混凝土的配合比设计方法.

1 补偿收缩混凝土矩形框架结构的计算方法

混凝土在硬化过程中会产生自收缩、温差收缩和干缩，在钢筋等限制下便产生收缩拉应力，当其超过混凝土的抗拉强度时，就会产生开裂.补偿收缩混凝土在硬化过程产生适度体积膨胀，在钢筋等限制下，膨胀使钢筋受拉，反过来混凝土受压，称之自应力.根据美国和日本有关规范以及我国的研究［7-8］，这一自应力范围为0.2 - 1.0 MPa，这是补偿收缩混凝土的基本特征.

1.1 结构计算方法及弹性抗力的考虑

明挖暗埋法建造的隧道通常应采用考虑地层抗性抗力的荷载-结构法计算.所谓地层抗力，即隧道因其变形受到地层约束而产生的一种被动荷载，是地层对隧道结构的反作用力.所谓荷载-结构法，即认为隧道回填后地层的作用主要是对隧道结构产生荷载，隧道结构应能安全可靠地承受覆土、地面超载等荷载的作用.采用荷载-结构法计算隧道结构的内力和变形时，应通过考虑弹性抗力来体现地层、基坑围护结构对隧道结构变形的约束作用.

弹性抗力的大小及分布，对回填密实的侧墙、底板构件可采用局部变形理论，按下式计算确定.

式中σ表示弹性抗力的强度；k表示地层弹性抗力系数，即基床系数，以本隧道为例，根据地勘报告其地层弹性抗力系数k取30 MPa/m；δ表示隧道朝向地层变形值，由于隧道结构与周边土体之间不可能产生拉应力，因此当变形朝向隧道时取为零.

荷载-结构法的计算步骤为：

1）根据隧道的结构特点，可以按照平面应变问题截取单位宽度（1 m）的结构，然后采用梁单元建立结构构件模型，赋予材料、截面等参数；

2）根据隧道的变形特征，可以认为地层抗力只存在与侧墙和底板，于是在侧墙及底板处添加只能承受压力的弹簧用以模拟地层弹性抗力；

3）根据隧道结构在生命周期中可能出现的荷载情况施加荷载并定义荷载组合，然后进入后台计算过程；

4）在软件图形平台中查看各种内力及变形计算结果，具体可采用Sap 84、Midas Civil等通用结构分析软件.

1.2 补偿收缩混凝土限制膨胀率的考虑

尽管《补偿收缩混凝土应用技术规程》（JGJ/T178-2009）［8］中没有对交通隧道结构采用补偿收缩混凝土的限制膨胀率提出要求，但是隧道衬砌结构与墙体的受力特征相似，因此可以参照规程中对墙体结构的限制膨胀率的要求取值，即取为0.02％.当采用荷载-结构法进行隧道结构受力分析时，可以通过设置温升荷载的方式来等效模拟限制膨胀率的作用.

以依托隧道为例，其顶板厚度为80 cm、侧墙厚度为90 cm、底板厚度100 cm，水平主筋按经济配筋率1.0％配筋，与限制膨胀率测定试件的配筋率0.785％接近，因此，可以按照0.02％的限制膨胀率来设定温度荷载.另一方面，混凝土的热膨胀系数为0.001％，0.02％的限制膨胀率即等效于施加20度的温度荷载.

1.3 依托隧道计算结果

浙江省宁海县G228国道西店湾明挖隧道为四车道一级公路隧道，几何线形与净空按80 km/h设计，断面采用两孔一管廊的形式，为了改善顶板的受力，两侧采用折板方式，行车管廊的总基本宽度为10.25 m，行车道限界净高为5.0 m.

按照上述计算原理，在微机结构分析通用程序Sap 84中建立了荷载-结构法计算模型（图1），并按照杆系有限元原理进行结构计算，地层弹簧单元采用迭代法作变形控制分析，以判断出抗力区的确切范围.

以顶板为例，算得的跨中轴力净增加值为151 kN，即压应力增加0.216 MPa，跨中负弯矩约58 kN·m，拱肩负弯矩约136 kN·m，侧墙弯矩约177 kN·m（图2）.

在不采用补偿收缩混凝土时，顶板跨中所受弯矩为643 kN·m，轴力为236 kN（图3），偏心距为2 725 mm，为大偏心构件，顶板底部需配置11根Φ22（HRB335）才能满足裂缝宽度不大于0.20 mm的要求.

若采用补偿收缩混凝土时，其顶板跨中弯矩减小为585 kN·m，轴力增加为386 kN（图4），偏心距减小为1 516 mm，若维持环向配筋率不变，此时裂缝宽度计算值仅0.11 mm；若按0.20 mm的裂缝控制宽度，则每延米所需Φ22（HRB335）钢筋减少为9根，配筋率可减少18％.

同时，顶板负弯矩区、侧墙、底板的受力都有不同程度的改善，当维持普通混凝土结构相同的配筋率时，可以明显地改善结构的抗裂性能.

图1 隧道平面计算模型

图2 补偿收缩混凝土结构轴力和弯矩净增加值（轴力单位kN， 弯矩单位kN·m）

图3 采用普通混凝土的典型断面轴力和弯矩值（轴力单位kN， 弯矩单位kN·m）

图4 采用补偿收缩混凝土的典型断面轴力和弯矩值（轴力单位kN， 弯矩单位kN·m）

2 补偿收缩混凝土的配合比设计

补充收缩混凝土的性能指标通过混凝土的配合比来实现.目前常用的膨胀剂有硫铝酸钙类、硫铝酸钙-氧化钙和氧化钙类三类，应用较多的有铝酸钙类的CSA硫膨胀剂、UEA膨胀剂，硫铝酸钙-氧化钙类的HCSA高性能混凝土膨胀剂，以及以HCSA为主要成分并掺加塑性膨胀组分、防渗减缩组分的HEA膨胀剂.其中UEA膨胀剂不含钠盐，不会引起混凝土的碱骨料反应，膨胀性能稳定，强度持续上升，故其应用最为成熟.

在依托隧道中，掺加UEA膨胀剂配置补偿收缩矩形隧道结构混凝土，其配合比试验方案流程如下：

为水泥28 d实测抗压强度，标号425的水泥取为42.5 MPa；

3）根据坍落度、碎石最大粒径及减水剂减水率选取用水量0wm为175 kg；

5）确定砂率为βs=44％；

6）采用绝对体积法计算砂、石用量；

7）掺粉煤灰、矿渣、膨胀剂后水泥用量：mc0=mb0［1-0.1（矿渣替换量）-0.2（粉煤灰替换量）-0.1（膨胀剂掺量）］；

8）S95级高炉粒化矿渣用量（等量取代10％）：mz=mb0×0.1；

9）Ⅱ级低钙粉煤灰（F类）用量（等量取代20％）：mf=mb0×0.2；

10）UEA膨胀剂用量（等量取代10％）：mp=mb0×0.1；

11）减水剂用量（掺量为胶凝材料1.0％）.

根据配合比试验，确定隧道结构C40补偿收缩混凝土的基准配合比如表1所示，实测的混凝土坍落度为135 mm，表观密度为2 378 kg/m3.

表1 隧道结构C40补偿收缩混凝土基准配合比

3 结 语

隧道结构裂缝是目前隧道结构中的最为普遍的病害，不仅关系到混凝土结构的外观，也严重影响到结构的安全性.考虑到隧道结构周边地层尤其是围护结构能提供良好的周边约束条件，采用补偿收缩混凝土来增加大跨度明挖暗埋隧道结构自应力从而提高抗裂性能的措施.

补偿收缩混凝土的隧道矩形结构内力和变形计算可以采用荷载-结构法，并通过布置只压弹簧的方式来考虑地层和围护结构的弹性抗力；根据限制膨胀率与热膨胀系数之间的关系，通过设置温度荷载来考虑混凝土膨胀效果.

通过对依托隧道的计算分析，定量获得了四车道明挖暗埋隧道矩形框架的内应力.结果显示，采用补偿收缩混凝土后，隧道结构的弯矩减小、轴力提高、偏心矩减小，抗裂性能明显提高.

补偿收缩混凝土技术在明挖暗埋法隧道矩形框架结构中的应用实践为改善隧道结构裂缝这一顽症提供了解决思路，可以为其它类似隧道提供有益的借鉴.

［1］ 王铁梦. 工程结构裂缝控制［M］. 北京： 中国建筑工业出版社， 1999： 6.

［2］ 林怀钏. 隧道2次衬砌混凝土裂缝产生原因和防治措施［J］. 公路交通技术， 2010（2）： 116-118， 124.

［3］ 荣耀， 许锡宾， 蔡晓鸿. 基于弹性地基梁法的隧道衬砌裂缝间距和宽度的计算［J］. 重庆建筑大学学报， 2006，28（5）： 23-26.

［4］ 王华牢， 刘学增， 李宁. 纵向裂缝隧道衬砌结构的安全评价与加固研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2010， 29（1）：2651-2656.

［5］ 叶飞， 何川， 夏永旭. 公路隧道衬砌裂缝的跟踪监测与分析研究［J］. 土木工程学报， 2010， 43（7）： 97-104.

［6］ 建设部. UEA补偿收缩混凝土防水工法： YJGF22-92 ［S］. 北京： 中国建筑工业出版社， 1992： 1.

［7］ 刘绪光， 游宝坤.《补偿收缩混凝土应用技术规程》的意义［J］. 膨胀剂与膨胀混凝土， 2010（2）： 3-6.

［8］ 住房和城乡建设部. 补偿收缩混凝土应用技术规程： JGJ/T178-2009 ［S］. 北京： 中国建筑工业出版社， 2009： 5.

［9］ 住房和城乡建设部. 普通混凝土配合比设计规程： JGJ55-2011 ［S］. 北京： 中国建筑工业出版社， 2009： 6.

The Study on the Application of Expansive Concrete in the Rectangular Frame Structure of Cut and Cover Tunnel

YANG Tao
（Wenzhou Shenyang-Haikou Expressway Co. Ltd.， Wenzhou， China 325002）

To solve the problems of concrete structure crack and leakage in rectangular frame structure of cut and cover tunnel， the idea to improve the anti-cracking ability in structure by means of shrinkage compensating concrete technology is adopted. Then， the structure internal force and deformation calculation method for shrinkage compensating concrete rectangular frame and the design of mixture ratio are introduced. The support construction calculation results show that the bending moment of tunnel structure is decreased，the axial force is enhanced， the eccentricity is minimized and the anti-crack property is obviously improved by the application of shrinkage compensating concrete.

Shrinkage Compensating Concrete； Cut and Cover Tunnel； Rectangular Frame； Anti-crack

TU92

A

1674-3563（2016）03-0049-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2016.03.008 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

（编辑：封毅）

2016-01-30

浙江省交通运输厅科研计划项目（201603）；温州市公益性科技计划项目（G20140038）

杨涛（1977- ），男，博士研究生，高级工程师，研究方向：公路桥梁和隧道病害处治及养护技术