浅析沉管隧道管段混凝土裂缝控制技术

赵勇

摘 要：沉管隧道管段是大体积混凝土构件且结构形式较为复杂，由于浇筑过程中混凝土水化热的原因，导致管段制作过程中容易出现温度裂缝，从而削弱了混凝土管段的抗渗性和耐久性。本文主要通过合理的结构设计，优化配合比，加强混凝土浇筑及养护等工艺能有效控制混凝土开裂。

关键词：沉管隧道；混泥土裂缝；控制

沉管管段是大体积混凝土构件且结构形式较为复杂，属薄壁箱型结构，由于浇铸过程中混凝土水化热的原因，管段制作过程中的温度裂缝容易出现，十分不利于管段结构的稳定性，及抗裂、抗渗。在大体积浇筑中易产生的问题，不是力学上的结构强度，而是须消除因温度影响而出现的裂缝，增强其稳定性与延长使用时间，进而改善结构的抗侵蚀、抗渗性能。

一、沉管隧道技术的发展

沉管技术自问世以来，就不断被工程界改进和完善。从英国人最初的试验，到美国人修建实际的沉管隧道，直到荷兰人引进后又进行了新的创新，使沉管隧道技术得到了不断的发展。荷兰于20世纪60年代发明了Gim止水带，日本在此基础上又进行了新的研发。基础处理技术方面，丹麦于40年代发明喷砂法，瑞典于60年代首先采用灌囊法，荷兰在70年代发明了压砂法，日本在70年代推出压注混凝土法和压浆法BJ。日本在抗震方面也开展了大量研究，并编写了沉管隧道抗震设计规范。这些技术上的重大革新，对沉管隧道的发展和应用具有重要意义。

二、沉管隧道管段制作

1、管节的制作：管节制作是大型沉管隧道的主要工序，它的工期和质量不仅直接影响沉管的浮运和沉放，而且关系到隧道运营的成败。制作工艺的关键技术是控制砼的容量和管节（结构）尺寸精度，以及控制钢筋砼解决够的裂缝，以实现结构的自身防水。

2、制造管段的场地：对钢壳式管段，在隧址附近的船坞制作，然后拖到隧道施工现场附近进行舣装，再拖至施工现场灌注镇载砼。对砼管段，在隧址附近的干船坞中浇制砼管段，管段造好后浮运至施工现场沉放。在丹麦和瑞典的斯热桑得隧道在干船坞里还建造有一条砼管节生产的流水线的工厂，管造好后在干船坞里连接成管段。

三、管段大体积混凝土温度裂缝控制机理分析

在分析混凝土早期温度应力中，最重要的参数为：混凝土的温度发展变化；相邻段结构的温度；混凝土的力学性质；管段的约束等。

混凝土管段在施工过程中，由水泥水化热产生的热量、气温和地基温度变化所引起的混凝土温度变形。要受到两种类型的约束：一是混凝土与外部环境温度差异引起的约束；另一种是由于内部条件不同产生的约束。以上两种约束产生的应力为温度应力。

其次，湿度变化引起的混凝土内部各单元体之间相互约束，产生干缩应力。它主要在混凝土表面附近；另外，混凝土的自生体积变形不能自由伸缩所产生的应力，称为自生体积变形应力；地基非均匀沉降。模板走样也会产生变形应力。主要是温度应力和变形应力。当管段混凝土浇筑体边界无约束时（如底、顶板顶面），在早期水化热温度迅速升高阶段，由于混凝土内、外散热条件不同。形成温度梯度，表面受拉，内部受压。当拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土表面就产生裂缝。在混凝土的降温阶段。混凝土的降温差引起的变形加上混凝土的体积收缩变形，受到地基和结构边界条件约束时（如已浇底板对外侧墙、中隔墙对顶板、已浇管节对后浇带），在浇筑体中央断面产生内部拉应力，当该拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土整个截面就产生贯穿裂缝。

四、混凝土裂缝控制技术

1、结构设计：采用合理的结构设计不仅可降低工程成本，还可有效降低混凝土出现有害裂缝的概率。合理的结构设计包括：合理的平面和立面；避免截面的突变；合理布置分布钢筋并尽量采用小直径密间距；变截面处加强分布筋；避免使用高强度等级混凝土，尽可能选用中低强度等级混凝土。

1）构造配筋

在构件中配置构造钢筋可控制裂缝的宽度并限制其发展，其实质是通过减少裂缝间距，使裂缝宽度能够控制在可接受的范围内。配筋后混凝土的极限拉伸应变会有所增加；同样的配筋率，较细的钢筋能对抗裂起到更好的作用。我国习惯采用的用于控制收缩的钢筋配筋率约为0.2%，美国混凝土设计规范ACI为0.25%。也有研究认为，ACI规定的数值在构造配筋率多数情况下不适用，对配筋率为0.25%的管涵结构调查表明，其裂缝间距约为8m，裂缝宽约为1.5mm，根据经济和适用性的折中考虑，认为0.4%的配筋率比较适当。

2） 降低外部约束度

如果沉管混凝土浇筑采用分阶段浇筑工艺则可以设置各种连接缝（伸缩缝、控制缝、后浇带、施工缝）以及在约束界面上设置滑动层、缓冲层等来降低外部约束度。而从国内外沉管施工的成功经验来看，分段浇筑设置后浇带并通过设置止水带的伸缩缝进行止水是可行的。将结构混凝土按施工縫分层分段浇筑，一方面是施工的需要，另一方面则能减少构件混凝土的水化热积聚，而且施工停顿间隔可使已浇的混凝土能够在较小约束下完成部分体积收缩，这些均能降低混凝土的收缩应力，对混凝土的防裂有重要的作用。

2、混凝土配合比设计

沉管预制时合理选择原材料，在满足各项性能指标的前提下，在混凝土中掺入优质矿物掺和料，以降低水泥用量；在保证施工可泵性的条件下，尽可能减小水灰比，控制砂石质量。通过掺加粉煤灰、聚羧酸高效减水剂的双掺技术，进行沉管混凝土配合比试验，管段混凝土的配比确定分为正常条件施工配合比和冬季施工配合比确定。

大多数情况下，在调研的沉管隧道中，混凝土强度等级最高为C40，但所有的混凝土中都使用了矿物掺和料取代部分水泥，一方面可有效降低混凝土早期的水化温升，降低混凝土出现温度裂缝的概率； 同时矿物掺和料与水泥水化产物Ca（OH）2的水化反应，可以提高混凝土的密实度降低混凝土的渗透性。

3、加强混凝土浇筑

施工根据理论计算分析结合管段每次混凝土浇注的供应量，每节管段分为5 小段。管段制作时，先中间后两端，后浇带的施工则必须在相邻小段混凝土浇注时间≥41天，且沉降基本稳定即连续7天沉降<2mm/天后进行。后浇带采用分步浇注，与沉管其他部位浇注工艺相同。沉管混凝土施工前，对施工阶段浇筑管节的温度、温度应力及收缩应力进行有限元计算，确定施工阶段沉管大体积混凝土的升温峰值、内外温差及降温速率的控制指标，在此基础上制订温度控制施工的技术措施包括： 混凝土成型前原材料的选择及降温措施，混凝土搅拌运输过程中的降温措施，混凝土浇筑完后的保温养护措施及温度监测方法等，以防止和控制有害裂缝的产生。

4、加强养护

对于大体积箱形混凝土结构施T，其养护期间的保湿、保温工作是非常重要的，必须采取有效的养护措施来保证混凝土质量。管段混凝土浇注完毕后12-18小时内进行养护，养护时间不小于14天。在管段端头挂尼龙布挡风帘。防止管段内面因风速过快造成温度急速下降，使内外温差过大及混凝土水分散发过快导致裂缝产生；管段顶部及外侧挂上双层麻袋保温保湿。

结语：总结国内外沉管隧道混凝土裂缝控制技术，可通过合理的结构设计，优化配合比，加强混凝土浇筑及养护等措施控制混凝土裂缝。

参考文献：

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