沉管隧道工程混凝土裂缝控制技术

孙 斌， 邓家胜， 廖 惠， 刘言峰

(1.上海海科工程咨询有限公司，上海 200231； 2.中交第四航务工程局有限公司，广东广州 510000；3.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

沉管隧道工程混凝土裂缝控制技术

孙 斌1， 邓家胜2， 廖 惠3， 刘言峰3

(1.上海海科工程咨询有限公司，上海 200231； 2.中交第四航务工程局有限公司，广东广州 510000；3.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

文章以佛山市汾江路南延线沉管隧道混凝土工程为背景，对混凝土裂缝控制技术进行研究，通过合理设置混凝土配合比、改善混凝土浇筑和养护工艺、监测混凝土温度等措施有效地控制了裂缝的产生，提高了混凝土抗渗性能，保证裂缝满足设计要求。

沉管隧道； 大体积混凝土； 裂缝控制

沉管隧道将陆上交通和水上交通结合在一起，以其独有的优势满足了日益发展的交通需求。自第一条沉管隧道建成至今有百余年，沉管隧道技术飞速发展，不断取得突破，在我国宁波、上海、广州等地修建了多条沉管隧道[1]。沉管隧道采用预制管段，将若干预制管段浮运到现场，一个接一个沉放安装，形成工程主体。预制沉管段属于超大体积混凝土构件，造成其产生裂缝的因素是多方面的，例如沉管的管型及尺寸、相邻混凝土的约束作用、混凝土早期抗裂性能及体积稳定性、水化热及温度控制等。有害裂缝让沉管管段的抗渗性能降低，影响混凝土工作性能，因此裂缝控制技术是沉管隧道是否成功的关键。

佛山市汾江路南延线沉管隧道工程单节预制管段最大长度为 115 m，属于超长大体积混凝土构件，通过室内综合性能测试优选出混凝土施工配合、采用水养护和密封养护手段让水泥充分水化、对沉管内部的温度应力变化情况进行监测，确保沉管内部不出现过大温度及应力、对产生的裂缝后采取有针对性的修补等关键技术控制裂缝，提高沉管段的抗裂性及抗渗性。

1 沉管隧道混凝土配合比

沉管结构属于大体积混凝土构件，在管段的制作、运输、安装过程中容易出现裂缝，因此混凝土裂缝需要重点关注和控制。勘探结果表明本工程所处的环境为I-C环境，氯离子、硫酸盐浓度较低，属于普通干湿交替环境，因此采用高性能的混凝土原材料及高抗裂性配合比用于该工程施工。通过理论分析和系列实验对配合比进行了研究，确定控制混凝土产生裂缝的配合比，使其满足设计、施工工艺要求。

1.1 沉管混凝土配合比设计原则

1.1.1 基本性能参数

混凝土的基本性能参数：抗渗等级P10，强度等级C40，容重2.34～2.36 t/m3，塌落度为120～160 mm。

1.1.2 高性能要求

(1)采用级配良好的集料，避免使用不利于混凝土抗裂性能、耐久性能以及不利于降低混凝土温升的原材料；

(2)采用低水化热水泥并控制其用量，使用大掺量优质粉煤灰、磨细矿渣粉等矿物掺合料， 可以降低混凝土产生水化热，提高其抗氯离子渗透性。

(3)加入高效减水剂，延缓初凝时间，将水灰比控制在0.45下，增强混凝土自防水能力。

1.2 沉管混凝土配合比

1.2.1 沉管主体混凝土推荐配合比

通过对多组混凝土配合比进行工作性能、力学性能、耐久性能的综合比较，最终采用胶凝材料体系水化放热总量较低的配合比，混凝土抗压强度介于55～63 MPa之间，混凝土工作性能均满足要求。推荐沉管主体混凝土采用表1的配合比。

1.2.2 后浇带混凝土推荐配合比

后浇带混凝土强度等级应高于两侧混凝土一个等级，且应采用掺膨胀剂的补偿收缩混凝土浇筑，水中养护14 d后的限制膨胀率不应小于0.015 %。后浇带混凝土推荐配合比见表2。

2 改善混凝土浇筑和养护工艺

2.1 混凝土浇筑

为保证混凝土浇筑质量，在浇筑过程中控制下料高度不大于2 m；管段混凝土采取分层浇筑的方式，每层浇筑高度小于30 cm，浇筑时间间隔不超过初凝时间；采用加长型插入式振捣棒，分层分区振捣，要求振捣时做到“不碰模板、不碰钢筋、不碰预埋件”。

2.2 混凝土养护

浇筑完混凝土底板及顶板，完成收水后，覆盖土工布浇水保湿养护，待混凝土终凝之后，在板表面蓄水养护[2]；中隔墙在拆模后覆盖土工布喷水养护；在工期允许的情况下，推迟外隔墙的拆模时间，拆模后继续保湿保温养护；内模拆除后，封闭管段阻止空气流通，减少内孔水分散失，保持管内相对湿度大于85 %以上[3]。

2.3 控制基础及模板支架

对管段预制场的基础进行处理，满足地基承载力的要求，避免地基不均匀沉降引起裂缝。沉管模板经过专家论证满足设计要求，严格控制模板及支架的安装精度，确保管段的制作精度，保证模板支架具有足够的刚度、强度及稳定性[4]。

3 混凝土温度监控

温度应力是造成大体积混凝土开裂的主要原因之一。水泥水化过程释放大量水化热导致混凝土内部的温度上升，引起混凝土膨胀(或收缩)变形，混凝土结构受到约束会产生拉应力，若该拉应力超过混凝土的抗拉强度，则会产生温度裂缝。因此控制温度裂缝是预制混凝土沉管段关键技术之一。对两节以上长16 m的标准节段开展温度及应力监测，关注浇筑块内部的温度变化，从而确定合理的养护措施，确保工程质量。

3.1 传感器布置

利用MIDAS/Civil软件完成该结构的温度、应力等指标的有限元分析，提取了温度、应力较大的部位，结合沉管段的对称性，在长16 m标准节段纵向1/2剖面及A-A剖面上布置温度及应力传感器， 31个应力传感器。

3.1.1 温度传感器布置

温度传感器全部布置在纵向1/2剖面上，总共布置13个。其中底板温度传感器布置于电缆廊道下面中心点及表面点，下倒角内侧面、中心、外侧面共5点；顶温度传感器布置于电缆廊道上面中心点及表面点，右上倒角中心、外侧点，浇筑界面共5点；另空气中布置3个传感器，界面点布置于距离界面50 mm处。温度传感器布置见图1。

3.1.2 应力传感器布置

纵向1/2剖面上共布置26个应力传感器，传感器的布置方向应与主拉应力方向一致。顶板和底板传感器的方向为沉管横截面水平方向(以下简称横向)，侧墙传感器的方向为沉管轴线方向(以下简称纵向)，倒角处的传感器方向与倒角平行。表面点的应力传感器布置于距离表面50 mm处。应力传感器布置图见图2、图3。

A-A剖面共布置9个纵向应力传感器，纵向每隔1.5 m布置一个纵向传感器，在浇筑界面处共布置6个传感器，右墙内侧面布置4个纵向传感器。

3.2 监测频率

各层传感器固定以后，需将电缆连接到相应的采集器上，实时监测环境温度、混凝土表面温度、混凝土内部温度变化。浇筑3 d内，采集数据的频率为0.5 h一次；第4 d至7 d龄期，采集数据频率为1 h一次；第8 d至14 d，采集数据频率为3 h一次。根据实时的监测结果，及时调整养护制度，严格控制混凝土的芯部与表层之间的温差不超过20℃，直至混凝土强度达到设计要求为止。浇筑后90 d内应监测应力变化情况。5 d内，每1 h采集一次数据；第6～14 d，每3 h采集一次数据；第14～30 d，每6 h采集一次数据;第30～90 d，每24 h采集一次数据。

3.3 温度控制标准

沉管预制不同阶段混凝土温度控制指标应符合下列要求：

(1)混凝土搅拌生产阶段，混凝土出机温度控制标准:高温季节≤28℃；低温季节≤23℃。

(2)混凝土浇筑阶段，混凝土浇筑温度控制标准：高温季节≤30℃；低温季节≤25℃。

(3)养护阶段，混凝土温度控制标准见表3。

(4)高温季节是温度控制的重点，应加强原材料搅拌前温度的监测和控制，各种混凝土原材料进场前及搅拌前的温度控制指标见表4。

3.4 预控措施

(1)混凝土内部最高温度超过要求，采取铺设冷却水管、降低混凝土浇筑温度等措施。

(2)混凝土内表温差、表面与环境温差、降温速率等指标过大，采取保温措施。

(3)混凝土在0～14 d内出现的应力，通常与混凝土的温度相关，分析温度监控信息后采取相应的措施。在14 d后出现的应力，一般与混凝土内部的约束及混凝土的收缩有关。对有限元模型进行分析得知，14 d后容易在顶板分层浇筑界面处出现较大的拉应力，应考虑以下措施：将分层浇筑的时间间隔缩短至15 d；将底板侧墙的养护时间延长至拆除顶板侧墙养护措施时，减小底板和顶板收缩不同步导致的约束应力；必要时可在顶板混凝土中掺入减缩剂，减少顶板的收缩量；必要时可在分层浇筑的界面设置两层油毡夹滑石粉或二油一毡等滑动层体系，同时做好界面的防水措施。

4 管段裂缝检测及修补

虽然采取了一系列裂缝控制措施，但是管段裂缝是不可避免的，出现裂缝后，检测裂缝的宽度，裂缝发展情况以及变形等情况，结合各方面因素查找出开裂的原因，正确判断其危害程度，采取有针对性的补救措施。

4.1 裂缝检测

检测混凝土裂缝的方法有：直接和间接观察法、无损检测法以及取芯测试法。检测方法及控制标准见表5。

4.2 裂缝修补方法

(1)表面封闭法：利用裂缝的毛细作用吸收低黏度且渗透性良好的修补胶液，封闭裂缝通道，此方法适用于宽度w≤0.2 mm的微细独立裂缝和网状裂缝。

(2)注射法：先将裂缝周边进行密封，采用低黏度、高强度的裂缝补胶液，借助一定的压力将其注入裂缝腔内。此方法适用于0.1 mm≤w≤1.5 mm静止的独立裂缝、贯穿性裂缝。

(3)压力注浆法：利用较高压力快速将注浆料压入裂缝腔内，此法适用于大体积混凝土贯穿性裂缝、严重蜂窝状及深而蜿蜒的裂缝。

(4)填充密封法：在构件表面沿裂缝走向骑缝凿出槽深和槽宽分别不小于20 mm和15 mm的U形沟槽，然后用改性环氧树脂或弹性填缝材料充填，并粘贴纤维复合材以封闭其表面，此法适用于处理w>0.5 mm的裂缝[7]。

5 结论

沉管隧道裂缝控制技术可总结如下：

(1)选择合理的混凝土配合比，降低超大体积混凝土水化产生的热量，提高结构的抗裂性。

(2)改善混凝土的浇筑和养护技术使水泥充分水化，采用分段分层浇筑有利于热量散发，提高混凝土施工质量，控制裂缝产生。

(3)监测混凝土内部温度，降低混凝土内外温差，减小热量引起温度膨胀(或收缩)变形，减少温度裂缝的产生。

(4)混凝土结构不可避免会产生裂缝，对产生的裂缝采取补救性措施，保证结构耐久性。

[1] 梁懋天.佛山市汾江路南延线沉管隧道关键施工技术研究[D].广州:华南理工大学，2013.

[2] 梅甫良，曾德顺.沉管隧道管段预制时裂缝控制研究[J].低温建筑技术，2004(1)：81-82.

[3] 刘行，许晓华，熊建波.沉管隧道管段混凝土裂缝控制技术[J].施工技术，2013，42(3)：75-77.

[4] 陈洪彬.房屋建筑工程中模板施工技术研究[J].建材与装饰，2014(11)：91-92

[5] 熊英.结构混凝土质量事故的分析和处理[D].重庆：重庆大学，2007.

[6] 程晓明，吴鸿军.沉管隧道混凝土施工关键技术探讨——混凝土配合比设计[J].现代隧道技术，2008，45(2)：28-32.

[7] 张明雷，李进辉，刘可心.大体积混凝土现场温控措施比较分析[J].施工技术，2013，42(增刊)：168-171.

[8] 丁齐国，李东海.地下结构混凝土裂缝防治技术的探讨[J].建筑施工，2012(1):44-46.

[9] 张易谦,杨国祥,李侃.大型沉管隧道混凝土裂缝控制技术[J].中国市政工程，2003(2)：19-24.

孙斌(1971～)，男，硕士，高级工程师，研究方向为结构工程。

TU755.6+7

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[定稿日期]2017-04-16