超大直径盾构管片裂纹分析及质量控制

李皓文

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

南京纬三路过江通道工程采用盾构法施工，盾构隧道外径为14.5 m，内径为13.3 m，采用 C60P12通用环钢筋混凝土管片，每环管片分为10块，其中封顶块1块、邻接块2块、标准块7块。每片管片弧长约5 m。管片宽度2 000 mm，厚度600 mm，每块管片在侧向设置5 cm宽止水条槽、端面设止水条槽和定位棒槽，管片环向、纵向均采用直螺栓连接。每环混凝土量52.33 m3。管片抗压、抗渗、耐久性等要求很高，一旦出现致命的缺陷，可能就会产生灾难性的后果，超大直径管片在预制过程中裂缝经常出现，而裂纹对混凝土抗碳化、抗冻融、抗疲劳、抗渗等方面都有影响，因此管片裂纹防治就成为施工中必须重点考虑的一个环节。

1 易产生裂纹部位

1.1 管片外弧面

管片外弧面裂纹主要有以下几种:一种是在水养之后出现的龟裂纹。龟裂纹在管片生产中比较普遍，其肉眼不可见(宽度小于0.02 mm)，在湿润状况下则可见，形状如龟壳纹。该裂纹对管片质量本身无危害。另一种是在蒸养之后就出现的裂纹，属于浅表性裂纹，或表面收缩裂纹，该裂纹是由于混凝土表面温度不均、材料不均或混凝土粘性过大造成的。最后一种是施工过程中芯棒拔除时间过早，导致混凝土塌陷，在外弧面产生的较深较宽的裂缝。

1.2 管片侧面、手孔及定位孔

这种裂纹主要出现在侧面、端面止水条槽、定位棒槽口，螺栓孔、手孔及定位孔部位，裂纹较细，槽口部位裂纹断断续续，螺栓孔、手孔及定位孔部位裂纹较细但连续，如树枝状。手孔越大裂纹越明显。该裂纹主要是由于断面设计较大，断面突变易生，混凝土收缩较大或蒸养温度不均造成的。

2 产生裂纹阶段分析

虽然管片生产的每道工序控制不严都会产生裂纹，但主要还是集中在原材料控制、配比确定、混凝土浇筑抹面、蒸养、静停及水养几个方面，下面着重从这几个方面进行分析。

2.1 原材料的控制

材质不均、含泥量大、碱含量过大等都会导致裂纹产生，影响管片的强度及耐久性。材料具体要求如下:

水泥要求为P.Ⅱ52.5低热普通硅酸盐水泥，考虑早期强度、碱含量及与外加剂的适应性。

粉煤灰要求为Ⅰ级灰，矿粉要求为S95，其水化热约为水泥水化热的25%～30%。降低水化热，减少混凝土凝结过程水化热与外界温度差，降低水泥导致的管片裂纹出现。

碎石采用级配良好的连续级配，具体为5 mm～10 mm为30%，10 mm～20 mm为70%，良好的级配能保证混凝土强度的同时，还可以很好的保证管片的密实度，减小孔隙，降低凝结过程中的收缩，减少管片裂纹的出现。含泥量小于0.5%，泥块含量为0，针、片状小于5%，压碎值小于10%，孔隙率小于47%。

砂子较粗为宜，现场采用2.6～2.9的中粗砂，含泥量小于1%，对砂的选择除了满足规范要求外，还要考虑密实性，因为砂在较细的情况下容易导致混凝土中胶体多，振捣完成后的胶体浮至管片外弧面聚集，在外弧面容易产生收缩裂纹。

外加剂可以延缓水化热的峰值期并改善混凝土的和易性，降低水灰比以达到减少水化热的目的，现场采用聚羧酸盐系高性能减水剂。减水率不小于18%，泌水率不小于70%，含气量6.0%。

2.2 配合比确定

管片体积大、浇筑时间长，管片内部会产生大量的水化热，如果外部环境温度较低或特别高，在管片内外便会产生较大温差，表面容易产生裂纹。

2.2.1 理论配合比

根据季节的不同，需要采取不同的配合比。配置混凝土时，应严格控制水灰比和水泥用量，在满足强度情况下，尽量多掺加粉煤灰和矿粉，降低水泥用量，降低水化热的产生，管片混凝土的水灰比在0.33～0.36为宜。

2.2.2 施工配比确定

管片的施工配合比对表观质量也起决定性作用。每次开盘前必须进行砂石含水率测定，在基准配合比的基础上通过理论计算折合掉基准配比中水的用量，并由试验室提供施工配合比通知单。另外遇天气突变降雨也随时测定，并及时更新施工配合比。

2.3 混凝土成型

1)混凝土浇筑:管片内部会产生大量水化热，在满足混凝土施工前尽量延长浇筑时间，使得整片管片混凝土终凝前内外温差缩小到最小，减少温度应力造成的表面裂纹。管片混凝土为干硬性混凝土，尽量保持同片管片混凝土坍落度的一致。冬季坍落度控制在4～5，夏季控制在6～7为宜，混凝土坍落度偏大的情况下，经过振捣，粗集料在管片内部产生离析下沉，导致细骨料水泥浆被挤压浮至混凝土表层，将会在外表面产生裂纹，而坍落度偏小的情况下，混凝土振捣在模内不流动，容易导致混凝土不均匀，振捣密实，同时不能满足混凝土水化收缩要求，也容易产生干燥收缩裂纹。

2)混凝收光:抹面次数和时间的控制，将影响管片外弧面产生裂纹。整个抹面分三个步骤进行:粗抹面、中抹面、精抹面。每次抹面后用厚塑料膜覆盖以利混凝土保温保湿，可以最大程度的避免裂纹的出现，在冬季收水时，应关好门窗，防止风水混凝土表面产生裂纹。

2.4 养生

2.4.1 蒸养

根据生产节奏，日平均气温温度低于15℃时采取蒸养，高于15℃时采用自然养生。蒸养过程控制的好坏直接关系到管片的最终质量。一般蒸养温度越高，升降温速度也快，裂纹的出现几率越大。因此在管片蒸养阶段，应严格控制最高温度，升降温速率及恒温时间。现场蒸养温度控制如下:

1)管片静停时间:2 h～4 h(根据外界温度确定)，静停作用在于提高混凝土初期结构强度，以增强混凝土对升温期结构破坏的抵御力;2)升温梯度:10℃/h～15℃/h;3)蒸养最高温度:不大于45℃;4)恒温时间:1.5 h(根据季节温度定);5)降温梯度:不大于10℃/h;6)脱模时与外界的温差:不大于20℃。

整个管片蒸养时间控制在5 h～6 h，尽量降低蒸养温度和延长静停时间，有效的杜绝了裂纹的出现。

2.4.2 静停养生

管片出模后需放置厂内静停6 h～8 h，待管片表面温度与水养池水温相差不超过15℃时，才能入池，在静停时，夏季需对管片进行喷淋养生，防止水泥水化缺水造成表面裂纹。冬季需关好门窗，对管片用薄膜覆盖养生，防止水分蒸发过快、温度过低造成裂纹。

2.4.3 水养

管片水养不及时、水养时间短或水质不好，均会产生裂纹，一般管片水养时间为7 d～14 d，最少不得低于7 d，冬夏季节应当适当延长，春秋季节可以适当缩短。水养池水温10℃ ～25℃为宜，低于10℃时应通过加蒸汽提高水温，高于25℃时加井水降低温度，pH值控制在10～11，pH值通过石灰和明矾调节，通过加石灰，对细小裂纹有愈合作用。养护用水时间过长后容易劣化，一般3个月应更换一次，最好采用自来水。

3 治理方法

发现裂缝后，应先观测裂缝情况，是否是贯穿裂缝，并用放大镜和专用刻度器观察其宽度，如果是贯穿裂缝且宽度大于0.2 mm则作报废处理。对不大于0.05 mm的裂缝不作修补，对0.05 mm～0.20 mm的裂缝进行修补。

首先对裂缝处混凝土表面进行预处理，除去基层表面上的浮灰、水泥浮浆、返霜、油渍和污垢等物，并用水冲洗干净;对于表面上的凸起、疙瘩以及起壳、分层等疏松部位，应将其铲除，并用水冲洗干净;对表面上的蜂窝、麻面的松动石子应剔除，然后用水充分浸透基层混凝土。

其次配置修补剂，按干粉∶水=5∶2拌制，涂料应搅拌均匀，拌制好后的涂料，从加水时起计算，材料宜在25 min内用完。在施工过程中，应不时地搅拌混合料，严禁向已经混合好的粉料中另外加水。

最后，用半硬的鬃毛刷子或尼龙刷子将涂料采用圆形涂刷方法，控制涂层的厚度，均匀的涂刷，涂刷后至表面手触干时(约2 h～4 h)应开始湿润养护，时间不少于2 d，每天向涂层喷水5次～6次，并用湿草包覆盖。在夏季，遇到炎热气候时，应增加喷水次数;在冬季，养护时应加盖草包防冻。

4 结语

通过现场不断的探索，在不同阶段采取相应措施，严格工序管理，纬三路管片外观颜色均一，未出现0.05 mm以上裂纹，满足抗渗指标，对类似超大直径管片生产裂纹控制具有借鉴意义。

[1] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社，2002.

[2] 吴良群.桥梁工程中大体积混凝土裂缝的诸多因素及防治措施[M].广州:广东建材出版社，2011.

[3] 冯乃谦.实用混凝土大全[M].北京:科学出版社，2001.