太湖隧道敞开段侧墙混凝土裂缝控制技术

林清清，蔺威威，谷坤鹏，张君韬，刘思楠

（1.中国交建江苏分公司，江苏 南京 211800；2.中交上海港湾工程设计研究院有限公司，上海 200032）

1 工程概况

苏锡常南部高速公路太湖隧道全长10.79 km，宽43.6 km，是国内最长、最宽的水下隧道。隧道采取围堰明挖现浇的施工工艺，其中，CX-WX2敞开段全长175.5 m，纵向有坡度2.68%，共分为6段（K23+900—K24+075.5），每段之间设置1道变形缝。敞开段隧道由底板、侧墙两部分组成，主要结构断面形式为U形结构（图1）。敞开段整体采用先浇筑底板，后浇筑侧墙的分步浇筑方式进行混凝土施工，侧墙高度最大超过10 m，厚度最大约1.3 m，分段长度约15 m，属于长墙式大体积混凝土结构，而设计要求为清水混凝土，混凝土设计等级为C40，设计使用寿命为100 a，对裂缝控制要求较高。

图1 敞开段隧道典型断面（mm）Fig.1 Typical section of open section of tunnel(mm)

根据长墙收缩应力理论可知[1-3]，混凝土浇筑后，长墙因受温度作用产生收缩变形，且受到底板不同步收缩的约束[4-5]，进而产生裂缝，裂缝多出现在施工缝以上，垂直于长边，间距约1～3 m，宽度可达0.4 mm，多为贯穿裂缝。为控制侧墙裂缝开展，国内外学者展开大量研究，可总结为低温升低收缩混凝土配制、冷却水管通水降温、入模温度控制及分层分段浇筑优化设计等多个技术措施[6-10]。实际而言，工程中采用在新浇筑混凝土中布置水管的方法来降低温度以减少裂缝的效果并不理想。

为此，针对太湖隧道严格的抗裂要求，采用有限元仿真计算等方法，提出基于隧道底板、侧墙和顶板的新型温度场自平衡系统，通过降低上部结构内部温升，提高下部结构温度，综合新老混凝土结合面温度差，补偿不同步收缩的方式来降低结构开裂风险，在施工现场实施应用，并研究控裂效果。

2 新老混凝土温度场自平衡系统设计

2.1 新老混凝土温度场自平衡系统开发

新老混凝土温度场自平衡系统（图2）主要包括连通系统、供水系统、控制系统和自动监测系统等。其工作原理是采用新型水管布设工艺和循环水系统，连通分步浇筑的混凝土，充分利用上部新浇筑混凝土自身产生的水化热，经循环水系统的水循环，加热下部老混凝土，平衡不同步浇筑混凝土的温度场，减小新老混凝土之间的综合温度差异，调节上下部混凝土的弹性模量差异等，大幅度缩小下部混凝土对上部混凝土的约束作用，降低了混凝土不同步收缩和温度应力的影响。

图2 新老混凝土温度场自平衡系统Fig.2 Self-balancing system of temperature field of new and old concrete

2.2 有限元仿真计算

2.2.1有限元建模

按照敞开段标准断面尺寸建立隧道主体结构的三维有限元模型，设计不同的温度场自平衡系统方案，具体指水管间距的布设，图3为其中一种设计方案。水管直径取50 mm，流速取2 m/s，自浇筑混凝土覆盖水管时进行通水，通水周期按72 h考虑。水管对流系数取740 kJ/（m2·h·℃）。

图3 新老混凝土温度场自平衡系统方案（mm）Fig.3 Adopted scheme of self-balancing system of temperature field of new and old concrete（mm）

采用笛卡尔直角坐标系，侧墙与顶板结构采用DC3D8单元类型，共5 043个网格，水管采用DC1D2单元类型，共934个网格。

计算时，大气温度取35℃，不考虑气温随时间变化，墙身混凝土浇筑温度取27.5℃，混凝土绝热温升取指数式，绝热温升取45℃，清水混凝土采用厚WISA模板，表1为具体混凝土热学物理参数取值。

表1 混凝土热学物理参数Table 1 Thermo-physical parameters of concrete

2.2.2水管布设采取方案

通过对不同水管布设方案的多次仿真计算，采用变间距的方案进行侧墙水管布设（图3），即从墙体上部至下部分3层依次加密水管，第1层为1.5 m以下区域至墙体底部，水管水平方向和竖直方向间距为30 cm；第2层为高度1.5～2.5 m，水管水平方向和竖直方向间距为50 cm，第3层为2.5 m以上，只布设1根水管。底板除最下层最左侧水管间距55 cm外，其他水管水平方向和竖直方向间距皆为30 cm。通水方案为蓄水池中的水通过分流器进入入口1，抵消侧墙混凝土结构内部的温升，从出口1进入入口2，从出口2进入蓄水池，形成一个回路。

2.2.3仿真计算结果分析

图4为温度场仿真云图，由图4可看出，不采取布设水管的方式，左侧侧墙最高温峰为57.2℃，出现时间为1.5 d，采用新老混凝土温度场自平衡系统的右侧侧墙布设水管间距80 cm、50 cm、30 cm的温峰值分别为54.4℃、50.2℃、46.0℃，分别降低了2.8℃、7.0℃、11.2℃，内表温差最大约为10℃，同时底板混凝土由于侧墙水管的流通加热得到了升温，底板与侧墙结合面间温差显著降低，满足控裂基本要求，可进行现场实施应用，下文将温度历程数据与实测值进行对比研究分析。

图4 温度场仿真云图Fig.4 Simulation cloud diagram of temperature field

3 综合温度控制技术措施

以太湖隧道其中一段敞开段侧墙结构现场实施为例，对综合温度控制技术措施进行描述，给出温度、应变、裂缝监测数据并进行研究分析。

3.1 低热低收缩混凝土配制

利用大掺量矿物掺合料和缓凝型高效减水剂的混凝土配制技术进行低热、低收缩高性能混凝土的配制。采用的混凝土原材料主要包括P.O42.5低碱水泥、II级粉煤灰、S95级矿粉及缓凝型减水剂等。设计混凝土单方胶凝材料用量为400 kg/m3，粉煤灰掺量为10%，矿粉掺量为30%，水胶比为0.36，具体配合比参数见表2。

表2 混凝土配合比参数Table 2 Design mix ratio of concrete

3.2 混凝土入模温度控制

1）混凝土原材料降温：采用2台冷水机（分别为5 m3/h和10 m3/h）和制冰机（加冰量60 kg/m3）降低拌合用水的温度；使用洒水车或喷淋系统进行喷水或喷雾对料仓内的粗细骨料降温预冷；对于水泥及其他粉状胶凝材料，在料仓进料管外包可循环的水管；并且在料仓搭设封闭式遮阳棚。

2）运输过程的降温：采用隔热布包裹混凝土输运罐车及泵管等运输设备，并喷洒冷水对罐体及泵管进行降温。

3）其他措施：在浇筑混凝土前采用浇水冷却钢筋、模板，进行通风等措施。

3.3 水管施工控制

1）按照设计方案安装布设水管，布设时，要与钢筋骨架或支撑桁架固定牢靠，同时要与承台主钢筋错开，当局部管段错开有困难时，适当移动位置。

2）水管使用前进行压水试验，防止管道漏水、阻水。每层水管被混凝土覆盖并振捣完毕，在该层水管内通水。

3）控制冷却系统进出口水流量为1～2 m3/h，通水时间为72 h左右。

4）停止通水后，及时对水管进行压浆封堵。压浆材料采用同强度等级的水泥砂浆，砂浆硬化后，切割或拆除混凝土结构外部用于冷却的所有管道和配件。

3.4 混凝土浇筑、拆模和养护

下午16:00点开始浇筑，次日凌晨06:00完成混凝土浇筑，浇筑分层厚度范围控制在（500±50）mm。浇筑完成后，覆盖土工布洒水，并在外层覆盖塑料薄膜减少水分蒸发，3 d后拆模，拆模后定期洒水，顶面采用蓄水养护，覆盖洒水养护时间持续14 d。

4 裂缝控制效果分析

4.1 原材料温度和混凝土浇筑温度

混凝土原材料温度见表3，使用制冰机和冷水机大幅度降低了搅拌用水的温度，水温测试结果为5.6℃，其他降温措施均得到了良好的控制，混凝土出机温度测试结果为25.4℃，浇筑温度为27.5℃，控制效果满足技术指标。

表3 混凝土原材料温度Table 3 Concrete raw material temperature℃

4.2 侧墙混凝土温度值对比分析

侧墙混凝土通水降温过程中，外置循环水池的初始水温约为15℃，对不同水管布设层中心温度和表层温度进行测试，并与仿真值进行对比分析（表4），可知，冷却水管间距80 cm、50 cm、30 cm的混凝土芯部最高温度分别为54.0℃、51.3℃、46.3℃，温峰分别出现在40 h、36 h、32 h，内表最大温差分别为7.8℃、6.6℃、3.0℃，温峰出现后3 d，平均降温速率分别为3.0℃/d、2.5℃/d、2.3℃/d，并与仿真计算值接近。表明新老混凝土温度场自平衡系统可将隧道敞开段侧墙芯部温峰值降至55℃以内。

表4 混凝土温度结果对比Table 4 Comparison of concrete temperature results

4.3 结合面温差对比分析

图5中可以看出，实测数据显示，侧墙结合面处温峰值为44.3℃，出现时间为32 h，底板结合面处温峰值为40.6℃，出现时间为40 h，最大温差值为5.7℃；仿真计算显示，侧墙结合面处温峰值为45.0℃，底板结合面处温峰值为40.7℃，出现时间皆为48 h，最大温差值为4.4℃。采用新老混凝土温度场自平衡系统可将底板最大温度升高至40℃以上，可将底板与侧墙结合面两侧混凝土最大温差降低至6℃以内。

图5 底板与侧墙结合面温度历程曲线Fig.5 Duration curve of temperature at interface between bottom-slab and side-wall

4.4 应变及裂缝测试结果分析

图6为侧墙下层与中层处的应变历程曲线，可知，前期由于侧墙自身水化放热产生膨胀变形，温峰出现之后开始降温收缩，且由于自收缩叠加产生收缩变形，应变值为-108×10-6～17×10-6。工程现场侧墙外观质量优良，未发现裂缝产生，裂缝控制实施效果良好。表明采用新老混凝土温度场自平衡系统可将侧墙最大收缩应变控制在120×10-6以内，有效抑制侧墙裂缝产生。

图6 侧墙应变历程曲线Fig.6 Strain curve of side-wall

5 结语

1）采用有限元仿真计算，设计了新老混凝土温度场自平衡系统，以降低温差补偿不同步收缩来降低开裂风险。

2）采用全封闭混凝土拌合站、制冰机、冷水机等措施，形成了系统的混凝土入模温度控制技术，将混凝土入模温度控制在28℃以内。

3）综合温控措施包含低热低收缩混凝土配制、混凝土入模温度控制、水管施工控制及混凝土浇筑拆模养护，可在夏季高温35℃环境下，将侧墙温峰值降至55℃以内，底板升温至40℃以上，新老混凝土结合面温差控制在6℃以内。

4）据应变及裂缝监测数据可知，综合温控措施可将侧墙最大应变控制在120×10-6以内，且未发现裂缝产生，裂缝控制实施效果良好。