长距离箱型隧道混凝土抗裂复合控制技术

李 嘉，刘 伟，陈欢爱

（浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引言

渗漏水问题是隧道工程病害的主要形式，已有的研究表明，在没有裂缝产生的情况下，普通C30强度等级以上的混凝土的抗渗能力完全可以满足其自身刚性防水的需求[1-4]。然而，一旦隧道混凝土结构中出现裂缝，尤其是贯穿裂缝的产生，将形成良好的渗漏水传输通道，混凝土的渗透性随着裂缝的产生和发展而急剧增加[5-9]。

因此，控制混凝土裂缝是提升隧道结构防水性能的关键。本文以富春湾大道（一期）工程EPC项目为依托，针对大体积混凝土浇筑过程中裂缝发展的问题开展研究，提出长距离箱型隧道混凝土抗裂复合控制技术，以确保隧道混凝土的施工质量。

1 工程概况

富春湾大道（一期）工程，项目起点位于富春湾大道与学院路交叉口，终点位于富春湾大道与经纬路交叉口，江南大道隧道主体结构包括一条主线隧道、4条匝道及地下附属结构，总长2.98km，设计混凝土方量为39万方。其中最大方量混凝土结构为K7230-K7270段底板，结构长40m，宽47.9m，板厚1.3m，一次浇筑到下腋角上30cm，浇筑方量达2700m3。

混凝土抗裂控制存在如下难点。

（1）本工程采用水泥细度为364～392m2/kg，碱含量为0.51%～0.67%，C3S含量为40%～50%，C3A含量为6.1%～7.4%，水泥细度和出厂温度较高，水化放热较为集中，混凝土存在温度增大值高、温度下降速率快的特点。

（2）搅拌站搅拌站温控较难入模温度和环境温度增大，开裂风险增加，不同季节开裂风险存在显著差别，对于底板和顶板等存在大面积暴露的结构，塑性开裂的问题较为突出。

（3）本工程底板-侧墙-顶板分次浇筑，侧墙厚度大（1.0m），且受老混凝土外约束大，侧墙散热差，急剧的温升温降，将在混凝土中产生温度收缩变形，同时与混凝土硬化的自收缩变形相叠加，导致混凝土中收缩裂缝的产生。

针对上述问题，本文以开裂风险系数≥0.7作为混凝土开裂的控制指标与评价标准，通过采用具有升温、降温、自动补水和停止补水的混凝土拌和用水温控制系统，形成了长距离箱型隧道混凝土抗裂复合控制技术，有效缓解了混凝土表层变干和塑性开裂，确保了混凝土的施工质量。

2 技术原理

隧道主体结构属超长强约束大体积混凝土结构，由于水泥产生的水化热难以及时消散，使得混凝土内部的温度升高速率较快，内外温差将引起混凝土体积的不均匀变化，导致混凝土产生温度收缩裂缝。以开裂风险系数作为评价依据[其中，σ（t）为t时刻的混凝土最大拉应力，ft（t）为t时刻的混凝土抗拉强度]，通过控制任意时刻混凝土开裂风险系数η小于阈值，如控制η≤0.7时，可基本避免收缩开裂。以降低水泥水化热的释放总量和削弱温峰为目标，可降低胶材用量、提高掺合料用量、添加具有降低早期水化放热速率和膨胀补偿收缩双重功效的抗裂功能材料，形成混凝土优化配比；以调控水化放热历程和全过程补偿收缩为目标，可合理控制混凝土的入模温度，研发混凝土拌和用水温控系统；以降低水分蒸发、抑制表层变干及塑性开裂为目标，可采用分段长度、保温保湿养护技术。在混凝土浇筑阶段，通过在箱型隧道底板关键点埋设毛细管负压，实时监测混凝土底板的塑性开裂风险：通过预留长期性能监测测点预埋传感器，实现隧道混凝土结构养护阶段温度与应变历程的长期性能监测，确保混凝土结构的实时数据诊断预警及数据查询，避免开裂。

3 施工技术要点

3.1 隧道主体结构分段

主体结构混凝土施工顺序如下：从两端到中间、竖向分层、水平分段、逐层由下往上平行顺作，目的是为了降低各个工序之间的相互影响，避免混凝土收缩裂缝的产生，以确保施工质量。区段分3次进行浇筑，共设置2道水平施工缝，具体划分如图1所示。第一次浇筑底纵梁、底板至底板腋脚上30cm；第二次浇筑中立柱、侧墙、中隔墙至顶板腋脚下30cm；第三次浇筑顶板、顶纵梁完成。

3.2 模板制作与安装

隧道底板在素混凝土垫层施作防水层之后作为底模，侧模安装施工顺序如下：钢筋绑扎→清理施工缝→施工缝防水处理→侧墙模板拼装→安装侧模横、竖背楞→模板调整→加固。顶模安装施工顺序：搭设支架→安装横纵木楞→调整板下皮标高并起拱→铺设模板→检查模板上皮标高、平整度。支架采用盘扣式满堂钢管架做支架，满堂架四边及中间沿纵、横向全高全长从两端开始，每隔五跨立杆设置一道剪刀撑。

3.3 混凝土配合比设计

基于混凝土早期收缩开裂风险计算评估结果，并结合设计要求，提出了的混凝土优化配比方案（表1），降低了胶材用量，提高了掺合料用量，通过使用抗裂功能材料（抗裂剂）等实现抗裂混凝土所要求的绝热温升与自生体积变形性能要求。

表1 试验配合比（质量比）

3.4 混凝土生产、运输

开盘前应准确测定粗、细骨料的含水率，并在试验室采用现场原材料对混凝土配合比预先进行试拌，以验证现场原材料的质量稳定性，根据实测含水率将混凝土理论配合比换算成施工配合比。为确保混凝土拌合水温度的有效控制，研发了由水箱、加热机构、冷却机构构成的具有升温、降温、自动补水和停止补水功能的混凝土拌和用水温控制系统，如图2所示。

图2 混凝土拌和用水温控制系统

混凝土运输应采用混凝土搅拌车，搅拌车的搅拌罐应有保温或隔热措施。运输时间不宜大于60min，坍落度损失应控制在允许值内，以保证混凝土入模坍落度及其灌注的连续性。

3.5 混凝土入模温度控制

高温季节施工时，混凝土入模温度控制的主要措施包括原材料降温、加冰拌合、运输过程中的保温、合理的浇筑时间选取等。当其中某项温度较难控制时，应根据实际情况采取相关措施加强温度控制，以满足入模温度控制要求。

采取制冰机或碎冰机制取冰片，使用片冰代替部分拌合用水加入搅拌机，单方混凝土片冰用量不宜少于40kg，可根据气温及混凝土入模温度实测结果调整加冰量。

3.6 混凝土分层、分段浇筑与振捣

混凝土浇筑采用大斜面分层踏步式推进的方式，斜面分层厚度为500mm，浇筑顺序为：从一端向另一端，以同一坡度一次到顶由下而上的向前连续浇筑。该方法具有施工面小，混凝土供应强度低；施工面相对稳定，泵送设施不需反复装拆和变位等优点，能较好地适应泵送工艺，避免泵管经常拆除冲洗和接长。结构混凝土浇筑采用汽车泵泵送混凝土入仓，沿隧道主体结构两侧同步浇筑，部分结构转角处采用人工添送混凝土入仓。结构板混凝土采用分层、分块连续浇筑。侧墙采用分层对称浇筑，每次入仓高度不得超过1.5m。混凝土捣固采用插入式捣固棒人工捣固，结构板辅以平板振动板捣固为辅。

3.7 混凝土测温

混凝土拆模、养护之前，通过预留长期性能监测测点预埋传感器，对混凝土结构养护阶段的温度与收缩变形进行长期性能监测，确保混凝土结构的实时数据诊断预警及数据查询。混凝土浇筑体内监测点的布置，应真实地反映出混凝土浇注体内最高温升、里表温差、降温速率、环境温度及混凝土变形。对于典型工况条件下的施工（如首件施工、设置冷却水管等）应加强测点布置，具体如下。

（1）墙体长度方向1/2处沿高度方向在底部中心、中部中心、顶部中心沿长度方向各布置1个应变计，在中部中心对应的内、外面各布置1个温度计。

（2）当设置冷却水管时，高度方向上下层冷却水管中心布置1个应变计，在循环水入口及出口处各布置1个温度计。

3.8 拆模、养护

隧道主体结构拆模时间应根据混凝土的强度和温度历程发展综合进行确定，墙体结构宜在混凝土达到温峰后的1d内拆模，随后立即采取外保温养护措施，控制降温速率≤3°C/d，拆除外保温措施时混凝土中心温度与环境温度之差不宜超过15°C。

针对立面混凝土难以有效保温和保湿养护，可采取由防护层、保温层、保湿层以及自粘材料构成的自粘式养护材料，可根据实体结构散热条件进行定制，并且可以多次重复利用。混凝土拆模后，可自由贴合于混凝土表面，实现混凝土温降速率的有效控制。

4 技术特点

（1）本技术以开裂风险系数≥0.7作为混凝土开裂的控制指标与评价依据，相对于规范要求更为安全可靠；在混凝土的结构尺寸和约束状态一定的前提下，便于确定最大分段长度，可采取材料和施工工艺相结合的措施降低混凝土的开裂风险，施工方便，效果可靠。

（2）本技术主体结构混凝土施工顺序为：从两端到中间、竖向分层、水平分段、逐层由下往上平行顺作，目的是为了降低各个工序之间的相互影响，避免混凝土收缩裂缝的产生，以确保施工质量。

（3）本技术通过添加具有降低早期水化放热速率和膨胀补偿收缩双重功效的抗裂功能材料，形成混凝土优化配比，削弱温峰，降低潜在的开裂风险，确保混凝土防裂质量。

（4）本技术采用具有升温、降温、自动补水和停止补水的混凝土拌和用水温控制系统，实现了混凝土入模温度的自动化控制，降低了混凝土裂缝防控的难度。

（5）本技术采用了分段长度、保温保湿养护技术，降低了水分蒸发，抑制了混凝土表层变干及塑性开裂。

（6）本技术通过预埋传感器，实现隧道混凝土结构施工与服役阶段温度与应变历程的长期性能监测，确保混凝土结构的实时数据诊断预警及数据查询，避免开裂。

5 结语

本文以富春湾大道（一期）工程EPC项目为依托，针对长距离箱型隧道混凝土抗裂控制难题，基于开裂风险系数≥0.7作为混凝土开裂的控制指标与评价依据，通过降低胶材用量，提高掺合料用量，添加具有降低早期水化放热速率和膨胀补偿收缩双重功效的抗裂功能材料，形成了混凝土优化配合比方案，采用了具有升温、降温、自动补水和停止补水的混凝土拌和用水温控制系统，有效确保了施工效率，避免了混凝土裂缝的产生；采用了抑制混凝土表层变干及塑性开裂技术，同时采用自粘式养护材料，实现了混凝土温降速率的有效控制，可为同类工程项目建设提供指导和借鉴意义。