明挖现浇隧道大体积混凝土开裂风险评估分析

陈英振

摘要 文章旨在研究明挖现浇隧道中大体积混凝土开裂的风险评估及控制方法，有效控制大体积混凝土开裂的风险，提高隧道工程的质量和安全性，通过从原材料选择、大体积混凝土抗裂性技术指标及参数等方面对抗裂性评估的方法进行了论述，得出结论；介绍了低温升、低收缩混凝土的制备及相关指标控制方法，以确保混凝土的质量；提出了隧道侧墙部位大体积混凝土作业施工控裂的施工工艺措施，应用于实体结构工程中，取得了良好效果。

关键词 隧道工程；大体积混凝土；裂缝控制

中图分类号 TU755文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）10-0105-03

0 引言

随着我国交通基础设施建设水平不断提升，规模不断扩大，大体积混凝土在交通工程建设中也得到了广泛应用。但大体积混凝土结构因长期受外部环境影响，易产生贯穿裂缝，从而破坏整体结构的防水性能和耐久性能，缩短其使用寿命，影响工程质量[1]。因此在大体积混凝土工程结构施工中，不断加强对其开裂风险的分析研究具有相当重要的意义[2]。

1 工程概况

某市政道路下穿隧道工程，采用明挖法施工工艺进行开挖。隧道全长0.75 km，隧道宽27.2～29.8 m，隧道起点挡土墙长度是20 m、终点挡土墙长度是30 m，隧道起点敞口路段长0.14 km、终点敞口路段长0.18 km，隧道中间暗埋路段长0.38 km。该工程的混凝土设计强度是C28d45和C56d50，混凝土坍落度是200±20 mm。隧道单个阶段的混凝土用量为3 000 m?。

2 抗裂性评估方法与结果

2.1 抗裂性评估方法

在工程完成混凝土浇筑之后，混凝土自身受到温度、自身性能以及水分散失等影响，会导致混凝土体积发生变化，然后在混凝土内部产生收缩应力。在混凝土内部产生的这种收缩应力比混凝土抗拉力大时，就会出现混凝土裂缝现象[3]。该工程中对混凝土结构开裂风险的计算分析是建立在“水化－温度－湿度－约束”多场耦合机制的抗裂性评估理论与方法基础之上的，计算公式如（1）式所示：

式中，η——混凝土开裂风险系数；σ——在t时刻的混凝土最大拉应力（MPa）；ft——在t时刻的混凝土抗拉强度（MPa）。

通过多次试验和大量工程实践表明，当η<0.7时，大体积混凝土结构基本不会出现裂缝现象；当0.7≤η<1.0时，大体积混凝土结构发生裂缝的可能性极大；当η≥1时，大体积混凝土注定会发生裂缝问题[4]。

2.2 抗裂性评估结果

假设入模的混凝土温度比日平均温度低5 ℃，对不采取任何措施情况下的混凝土开裂风险（REF）、在混凝土墙体中心纵向布设两根间距为1 m的冷却管基础上的开裂风险（LQSG）、掺杂具有温升抑制膨胀功能抗裂剂下的开裂风险（HME）三种情况分别进行评估，当混凝土入模温度为15 ℃、混凝土绝热温升为45 ℃时，三种情况下侧墙混凝土结构中心开裂系数情况如图1所示[5]。

由图1可以看出，在混凝土没有采取任何措施的情况下，混凝土的开裂系数大于1，结果是混凝土必然出现开裂现象；当侧墙中心布设冷却管时，混凝土的开裂风险系数虽有所减小，但仍大于1，仍有开裂的可能；将具有温升抑制膨胀作用的抗裂剂掺入混凝土时，可使侧墙混凝土开裂系数小于0.7，且大概率不会出现开裂现象。

为了达到预防开裂现象的最佳效果，采取当侧墙混凝土中心点温度达到峰值后，立即在其表面加设一层1 cm厚的保温棉，以达到控制混凝土内外温差的效果。此时，三种情况下混凝土表面开裂风险系数如图2所示。

由图2可以看出，不采取任何措施的混凝土，最大开裂系数仍大于1；结果表明：当在侧墙中心布设冷却管后，混凝土的最大开裂系数介于0.7与1之间，裂缝风险较大；加入抗裂剂后，混凝土抗裂系数小于0.7，抗裂性能良好。

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

混凝土浇筑后自身内外温差较大是造成混凝土裂缝的一个重要原因，因此选择化学性能较为优质的混凝土原料进行科学的实验配比，由此实现混凝土浇筑后热量释放和降低的有效结果。因此，根据上述分析评估，在满足有关标准规范的前提下，相关原材料的参数指标应满足以下要求：

（1）水泥应采用标号为42.5的硅酸盐水泥，考虑到硅酸三钙和碱含量过高都会增大混凝土的收缩和放热速率，故而要严格控制硅酸三钙的含量，以＜6%为最佳控制量，同时将碱的含量也控制在0.6%以内。

（2）可将Ⅰ级粉煤灰作为主要原料，且选择的粉煤灰要符合相关规定的参数要求。

（3）矿粉宜选择型号S95级的渣粉类型，辅助减水剂可选用南方厂家生产的高性能聚羧酸型。

（4）砂子选用Ⅱ区中砂，含泥量要控制在2%以下，细度模数在2.6左右为最佳。碎石粒径筛选直径在5～

25 mm之间的原料即可，而且质地要硬、体积要匀称。

3.2 大体积混凝土抗裂性技術指标及参数

依据《大体积混凝土施工标准》（GB50496—2018） 《水运工程混凝土施工规范》（JTS202—2011）《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50—2011）等现行规范标准，根据上述有关计算评估方法可知，该工程混凝土分段浇筑的长度应小于20 m。同时，结合现场施工情况，得出大体积混凝土有关抗裂指标如表1所示。

在此基础上，该项目拟通过降低水泥用量和掺入抗裂剂等措施，来降低混凝土的温升值；通过优化混凝土配比参数和使用减缩型高性能化学减水剂等方式，来实现混凝土收缩数值下降的最终结果。表2给出了具有较低混凝土温升值和收缩值的混合配比，图3～4中给出了混凝土的绝热温升及体积的变形情况。

从图3可知，在第7 d时混凝土的绝热温升值升至45 ℃，第1 d与第7 d混凝土绝热温升值的比值为0.4，上升在?35 με时，正好是7 d的一个周期，四周后该混凝土体积值变化为?84 με，试验结果符合表3中对混凝土低温升和低收缩的设计参数要求。

4 隧道侧墙部位大体积混凝土作业的施工控裂

4.1 施工工艺措施

混凝土浇筑施工工艺是影响混凝土开裂的又一重要因素，考虑到隧道工程结构复杂、工程量体积庞大的特点，为了尽量减少隧道侧墙受外力影响而出现开裂的问题，在进行隧道施工设计时，应对侧墙施工缝进行优化，将通常采用的三层纵向依次浇筑法改为2层纵向浇筑的方式，对底板和侧墙同时进行一体化浇筑，最后再浇筑顶板，同时要将纵向分段浇筑长度控制在20 m内，不能过长。同时，应尽可能地减少侧墙之间的水平施工连接缝，从而减小底板对侧墙的约束作用。

4.2 隧道作业中大体积混凝土冷却管操作

在隧道大体积混凝土中采用冷却水管施工工艺，也可以有效降低混凝土的开裂风险。该工程通过布设由现场温度信息采集、数据阈值处理、冷却循环水职能控制三个分系统组成的智能温控系统，对现场冷却管进行指令性控制。介于隧道作业的环境特殊性，针对大体积部位的混凝土施工中，选用冷却水管工艺可明显改善混凝土的化学性能，增强原料与墙面的连接性，减少开裂情况。同时，借助专业的温控系统，实现隧道施工中重要环节的数据采集、处理及循环操作，便于对施工现场冷却管作业的顺利开展。其工作原理是通过冷却循环水将混凝土内部热量带走，从而降低混凝土内外温差，降低收缩应力，达到降低混凝土因温差过大而产生开裂风险的目的。表3为关键温控及控制指标。

5 实体结构工程应用

隧道工程中，混凝土浇筑通常在夏季高温季节进行，此时平均气温为35 ℃左右。该工程在进行混凝土浇筑作业时，将入模温度控制在28 ℃范围内，采用2层纵向浇筑的方式，按照底板和侧墙同时浇筑的顺序，由两侧分别向中间浇筑。浇筑作业前，先对侧墙角底部位进行浇筑，当混凝土料扩散至侧墙底部时，再对侧墙内进行浇筑。此外，还需要在侧墙中心、侧墙底部中心，以及距离侧墙表面5 cm的位置，分别布设温度检测装置，以便对温度进行实时监控。

结果显示，该次混凝土入模温度控制在27 ℃左右，温度的最高值出现在第二天，侧墙中心温度最高值为62.5 ℃，绝对温升值35.5 ℃比表2中的抗裂性控制指标要求略高，因此在后期作业中，需对冷却水管的降温措施进行有效控制。该工程采用了保温性能良好的木模板工艺，并在拆模后进行土工布覆膜养护，使混凝土浇筑过程中的整体内外温差始终保持在15 ℃以内，且侧墙中心温度的下降速度为2.5 ℃/d，侧墙表面温度的下降速度为2.1 ℃/d，混凝土整体温度的下降速度未超过3 ℃/d，所用的稳控措施也取得了较为明显的冷却效果。隧道主体完成大体积混凝土浇筑后，经过半年跟踪观察，未发现有贯穿性收缩裂缝。

6 结论

综上所述，隧道施工作业过程中，对大体积混凝土裂缝的控制工作，是一个可以衡量工程质量是否达标的重要指标。该文以实际案例为分析背景，以多因素耦合抗裂性评估方法为基础，从材料选择到施工措施应用，对大体积混凝土裂缝进行了全方位的控制，具体得出如下结论：

（1）通过多因素的耦合抗裂性试验方法，评估出不同入模温度情况下的侧墙开裂风险参数，也由此得出在入模温度超高时，结构尺寸厚度就越大，由此带来的混凝土开裂风险也越大。

（2）结合（1）的评估结果，对混凝土抗裂性关键控制指标进行了测试，测试结果显示，通过降低水泥用量和掺入抗裂剂后，混凝土的抗裂性能满足低温升和低收缩的要求。

（3）在（2）的结果应用基础上，结合2层纵向浇筑施工方式和冷却管技术等综合措施应用，使得混凝土入模温度达到27 ℃左右，侧墙中心温度最高值达到62.5 ℃，结合采用保温性能好的木模板工艺，同时在拆模后进行土工布覆膜养护处理，使得混凝土浇筑过程中的整体内外温差始终保持在15 ℃范围内，侧墙中心和侧墙表面温度下降速度小于3 ℃/d，混凝土拆模至今未发现有害裂缝，控裂效果显著，实现施工质量及经济效益的双重效果。

参考文献

[1]强尕文. 隧道大体积混凝土施工质量控制措施[J]. 低碳世界， 2021（1）： 148-149.

[2]嵇宏山. 淺谈城市隧道大体积混凝土施工质量控制[J]. 江西建材， 2020（9）： 137-139.

[3]李金攀. 铁路隧道预留室衬砌开裂成因及防治措施[J]. 工程建设与设计， 2020（11）： 174-175.

[4]姜虎成. 隧道衬砌浇筑混凝土施工技术[J]. 工程建设与设计， 2020（7）： 211-213.

[5] 陈才智. 大跨径明挖隧道混凝土结构施工裂缝成因分析及防治措施[J]. 交通科技与管理， 2021（22）： 1-3.