深中通道隧道侧墙大体积混凝土裂缝控制技术

刘迪，徐文，谢彪，郑彬，宦文娟

（1.深中通道管理中心，广东 中山 528400；2.东南大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 211103；3.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 211103；4.苏州工业园区建设工程质量检测咨询服务有限公司，江苏 苏州 215024）

大体积混凝土裂缝控制一直是困扰工程界的技术问题，自混凝土材料问世以来，混凝土的裂缝问题就一直存在，但相较于20世纪，近些年混凝土的裂缝问题却愈发严重[1-4]。这可能是现代混凝土的发展方向逐渐向大流态和高早强等发展，为适应现代混凝土发展趋势，从混凝土原材料角度分析，水泥越磨越细、水泥矿物相C3A含量越来越高、超细掺合料以及高效减水剂使用，除此之外，近些年混凝土原材料愈来愈差也是原因之一[5-7]。当然，造成混凝土开裂的原因是非常复杂的，除了混凝土原材料因素外，环境因素、施工质量以及工程结构形式等也是造成混凝土开裂的原因。

根据GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》规定，大体积混凝土的施工应注意温度控制，应对混凝土浇筑的温度、温度应力及收缩应力进行计算，制定相应控制指标及温控技术措施。同时，结构设计中应采取减少大体积混凝土外部约束的技术措施，混凝土导热性差且具有热胀冷缩的性质，胶凝材料水化放热导致热量在混凝土结构内部聚集，产生内外温差，温度高膨胀变形大，因此远离中心位置体积变形相对中心部位变形减小，造成内外体积变化不同步，使结构在约束下产生收缩应力[2-3，8-10]，当外约束作用产生的收缩应力超过阈值，混凝土就会开裂，这种约束作用受结构形式影响很大[2，11-13]。

1 工程概况

本文以深圳至中山跨海通道（简称深中通道）现浇隧道主体结构为工程背景，暗埋段隧道全长175 m，为单箱双室管廊箱型结构形式，顶板厚150 cm，底板厚150 cm，侧墙厚130~150 cm，横断面46.00~74.84 m不等，高10.7 m，混凝土设计强度为C28d45、C56d50，抗渗等级P10，混凝土坍落度（200±20）mm，单个隧道节段的混凝土方量约3000 m3，属于典型大体积混凝土，裂缝控制难度极大。同时，本工程主体结构混凝土强度等级高、结构复杂、外海环境施工、抗裂防水要求严苛且绝大多数处于高温季节施工，因此裂缝控制难度也进一步增大。本文基于多场耦合抗裂性评估方法，从混凝土抗裂性设计、低温升低收缩高抗裂混凝土制备及施工工艺等多方面研究提出海工大体积混凝土裂缝控制技术，并应用于工程。

2 隧道大体积混凝土裂缝控制方案设计

2.1 多因素耦合抗裂性评估方法

混凝土受先浇结构及自身基体约束，在浇筑后会由于温度收缩、自收缩及干燥收缩等体积变形在混凝土结构内部产生收缩应力，当收缩应力超过混凝土的瞬时极限抗裂强度时，混凝土就会开裂。本隧道工程基于“水化-温度-湿度-约束”多场耦合抗裂性评估理论研究方法，以开裂风险系数评估结构抗裂性，开裂风险系数η采用结构混凝土主拉应力与极限抗拉强度之比表示，具体定义为：

式中：σ（t）——t时刻的混凝土最大拉应力，MPa；

f（t）——t时刻的混凝土抗拉强度，MPa。

混凝土开裂风险评判准则：一般认为η＞1.0时混凝土一定会开裂；考虑材料性能波动性，认为0.7＜η＜1.0时混凝土存在较大的开裂风险；η＜0.7时混凝土基本不会开裂。

2.2 开裂风险评估

对于隧道工程侧墙混凝土结构，其收缩变形主要发生于硬化阶段，温度收缩占主导，叠加自收缩变形，相较于底板混凝土，侧墙混凝土受到来自于先浇底板和吊模段老混凝土的外约束，且散热条件差，容易经历急剧的温升温降，因而更容易开裂，且一般在拆模前或者拆模后极短的时间内开裂，裂缝基本垂直且间距规整分布，大多数为贯穿裂缝。具体到深中通道工程隧道侧墙结构，考虑施工季节普遍为高温季节，评估模拟了2种入模温度（28、35℃），墙体厚度分别为0.7、1.0、1.5 m工况下的侧墙开裂风险，侧墙结构混凝土开裂风险评估计算结果如图1、图2所示。

图1 隧道工程主体结构不同厚度侧墙混凝土的温度历程

图2 侧墙混凝土开裂风险系数

由图1可见，侧墙结构混凝土厚度越大，其温峰值越高，内外温差也会进一步增大，由此带来了侧墙混凝土中心及表面开裂风险变大。由图2可见，固定侧墙厚度为1.5 m时，降低入模温度可显著降低其开裂风险，浇筑长度亦可显著增加，入模温度与浇筑长度存在一定的幂次关系，根据计算结果可以推断不同入模温度下一次性最大分段浇筑长度，或已知浇筑长度的情况下，入模温度降低到阈值时可保证不开裂。

3 低温升、低收缩混凝土的制备及相关指标控制

3.1 原材料选择及混凝土配合比设计

混凝土浇筑后易产生由较大内外温差而诱发的温度裂缝，降低混凝土放热量是一种有效减小内外温差的方法。通过优选原材料及设计合理配合比是降低混凝土放热量最直接的方法。基于侧墙混凝土结构抗裂性评估，原材料在满足相关标准规范的前提下质量控制要求及优选原材料的主要检测指标如下：

水泥：英德海螺P·Ⅱ42.5水泥，C3A含量≤6.0%，碱含量≤0.6%，比表面积≤350 m2/kg，C3A以及碱含量过高或者水泥过细都会增大收缩、加快放热速率，水泥的矿物组成见表1；粉煤灰：谏壁F类Ⅰ级粉煤灰，符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求；矿粉：唐山S95级矿渣粉，比表面积≤500 m2/kg；减水剂：江苏苏博特减缩型高性能聚羧酸减水剂，减水率27.3%，固含量20%，掺量以溶液计；砂：赣江Ⅱ区中砂，细度模数2.6，含泥量小于2.0%；碎石：5~25 mm连续级配，粒形良好、质地坚硬、线膨胀系数小的洁净碎石；拌合水：自来水。

表1 水泥的矿物组成

本工程地处海洋环境，混凝土需要考虑抗氯离子渗透性，同时更重要的是混凝土结构刚性自防水性能，属于典型的海工大体积混凝土控裂工程。该海工大体积混凝土结构设计强度为C28d45、C56d50，因此混凝土设计原则为低温升、低收缩，混凝土初始坍落度（200±20）mm，初凝时间为18~20 h。

3.2 大体积混凝土抗裂性指标

根据多场耦合评估计算方法，本工程一次性分段浇筑长度不宜超过20.0 m，同时依据GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》、JTS 202—2011《水运工程混凝土施工规范》及JTG/TF 50—2011《公路桥涵施工技术规范》等现行规范，并结合现场实际情况，提出大体积混凝土抗裂指标，抗裂指标相较于现阶段相关抗裂规程和规范更加严格，具体如表2所示。

表2 混凝土抗裂性能指标

经综合考量，通过低水泥用量、大掺量矿物掺合料降低混凝土温升值，优化配合比及使用减缩型高性能聚羧酸减水剂降低混凝土收缩值，低温升、低收缩混凝土设计配合比见表3，混凝土的绝热温升及自生体积变形分别见图3、图4。

表3 低温升、低收缩混凝土配合比 kg/m3

图3 混凝土的绝热温升

图4 混凝土的自生体积变形

由图3可见，混凝土7 d绝热温升值为45℃，1 d与7 d混凝土绝热温升比值为40%，且7 d及28 d自生体积变形值分别为-35 με和-84 με，符合表3低温升、低收缩的设计指标要求。

4 隧道侧墙大体积混凝土控裂措施

4.1 施工工艺措施

深中通道隧道结构复杂、尺寸庞大且结构渐变，外海施工作业条件复杂，且隧道类工程侧墙受约束最强，开裂风险最高，因此为降低混凝土结构外约束作用，对原设计图纸施工缝位置进行优化，缩短纵向分段浇筑长度（浇筑长度不超过20 m），采用竖向分2层浇筑的方式进行[底板+侧墙一体浇筑，最后浇筑顶板，如图5（a）所示]，替代常规竖向分3层浇筑[底板、侧墙、顶板依次浇筑，如图5（b）所示]方式，减少侧墙间的水平施工缝，消除侧墙混凝土硬化后受底板的约束作用。

图5 竖向分层施工示意

4.2 隧道大体积混凝土冷却水管工艺措施

现场采用大体积混凝土智能温控系统，在结构中设置了冷却循环水系统，冷却循环水通过热交换带走热量，以实现大体积混凝土内部控温、减少混凝土内表温差、减小降温收缩的目的[13]。智能温控系统主要通过“现场温度信息采集”、“数据阈值处理”、“冷却循环水智能控制”结合温度监测系统3方面进行控制，具体控制指令如表4所示。

表4 关键温控及控制指标

4.3 大体积混凝土拆模及养护

充分、及时且合理的养护措施是确保混凝土不开裂的必要条件。现代混凝土早期开裂与混凝土早期养护不充分有很大关系，混凝土温降过程中后不及时保温，导致混凝土温降速率加快，内外温差增大。同时在没保湿措施情况下，混凝土表面水分蒸发速率也较快，这些都是可能导致混凝土开裂的原因[6-7]。因此，混凝土养护的原则是：通过加强混凝土外保温，降低混凝土内表温差；通过加强混凝土保湿养护，减少混凝土收缩引起的表面应力。混凝土拆模前侧面带模养护，上表面收面后覆盖塑料薄膜，初凝后顶面蓄水养护，拆模后及时覆盖养护布以及洒水养护。养护用水采用冷却水管出水，水温与混凝土表面温度之差应小于15℃，根据现场情况合理延长养护时间。合理安排拆模时间，混凝土拆模时间应按照龄期及实测温度进行双控，其一，混凝土结构浇筑完成5 d后方可拆模，5 d之内不松模、不拆模；其二，拆模时需确认混凝土内表温差小于15℃、混凝土表面温度与环境温度之差小于15℃，应避免在夜间或气温骤降期间拆模，拆模时间应选择一天中较高温度的时间段，且做到变拆模边覆盖进行保温保湿养护。

混凝土的保温保湿养护方案具体为：混凝土侧墙拆模时间由混凝土内表温差及混凝土表面与大气温差监测情况确定，拆模后使用带膜土工布和喷淋系统进行保温保湿养护，侧墙保温保湿养护如图6所示。

图6 侧墙混凝土保温保湿养护

5 实体结构工程应用

混凝土基本处于夏季高温季节浇筑，平均气温为35℃。通过检测混凝土入模温度严格控制在28℃以内，入模坍落度为（200±10）mm，采用分层浇筑振捣工艺，底板及侧墙总体浇筑顺序由两侧向中间推进。但为快速形成墙体施工条件，先在侧墙倒角底口部位进行布料，待混凝土扩散至侧墙侧墙底部时，开始在侧墙内进行布料，侧墙与底板混凝土交替施工。同时对侧墙不同部位混凝土进行实时温度监测，选取3个温控特征点进行分析，3个温控点分别位于侧墙中心、侧墙底部中心以及距离混凝土侧表5 cm处，混凝土温度监测结果如图7所示，关键控制指标如表5所示。

图7 侧墙混凝土温度监测结果

表5 隧道主体结构控裂性能指标

由图7及表5可见，混凝土入模温度约27℃，温峰出现时间为2.0 d，墙体高度中心处最高温峰值为62.5℃，绝对温升值为35.5℃，绝对温升值略高于表2抗裂性控制指标要求，后期施工可进一步优化冷却水管温降措施。由于混凝土外侧表温度因木模板保温性较好受环境影响小，且在拆模后采用覆盖带膜土工布进行养护，在整个过程中混凝土内外温差始终不超过15℃，且中心及侧表平均温降速率分别为2.5、2.1℃/d，整体混凝土平均温降速率不超过3.0℃/d，温控措施实施效果明显。隧道主体结构大体积侧墙从2020年5月26日浇筑完成，至2020年12月1号进行跟踪观察，未观察到贯穿性收缩裂缝，大体积混凝土控裂效果良好。

6 结语

隧道大体积混凝土裂缝控制对于施工来说至关重要，基于多因素耦合抗裂性评估方法，混凝土抗裂性关键控制指标，从材料到施工工艺全过程的进行裂缝控制。

（1）采用多因素耦合抗裂性方法评估了不同入模温度（28、35℃）以及不同厚度结构侧墙的开裂风险系数，结果表明，开裂风险系数与入模温度及侧墙厚度呈正相关。即相同浇筑长度下，入模温度越高、结构尺寸厚度越大，则混凝土开裂风险越高。

（2）结合评估结果及现行相关国家标准规范，提出了混凝土抗裂性关键控制指标及低温升、低收缩混凝土的制备和应用，混凝土性能测试结果表明，通过使用低水泥用量、大掺量矿物掺合料及减缩型高性能聚羧酸减水剂，制备的混凝土性能符合低温升、低收缩要求，7 d绝热温升值为45℃、1 d与7 d混凝土绝热温升比值为40%且7 d及28 d自生体积变形值分别为-35 με和-84 με。

（3）采用低温升、低收缩混凝土并结合优化施工工艺（纵向分2层浇筑及埋设冷却水管）、合理保温保湿及通过实时温度监测等措施协同控裂。混凝土入模温度约27℃，峰值温度为62.5℃，绝对温升值为35.5℃，温降速率≤3.0℃/d，里表温差≤15℃，该隧道大体积混凝土各项温控指标基本满足控制指标要求，混凝土拆模至今未发现有害裂缝，控裂效果明显，取得较好的施工质量及经济技术效益，为今后同类工程提供相关参考经验。