海底隧道C50衬砌混凝土抗裂技术研究与应用*

孟庆余,王 旭,霍 飞,谢 彪,王育江,3

(1.中国铁路设计集团有限公司,天津 300308; 2.高性能土工工程材料国家重点 实验室,江苏 南京 211103; 3.东南大学材料科学与工程学院,江苏 南京 211103)

1 工程概况

海底隧道工程作为一种大埋深、高水压的隐蔽地下结构工程,受其特殊的工程地质、设计、施工、原材料及气候环境等因素的影响,绝大多数隧道工程都存在不同程度的病害,其中隧道衬砌结构的开裂渗水问题尤为严重。某海底隧道全长9 781m,穿越丘陵区、三角洲相沉积平原区及海湾海积地貌,隧道地质构造及水文地质条件复杂,其中海域段隧道区为强富海水区,因此要求衬砌结构具有良好的刚性自防水性能[1]。隧道结构主要由下部仰拱、初期支护、防水板和二次衬砌结构组成,整体结构为圆形。其中衬砌混凝土设计强度等级为C50,对应厚度为60cm,衬砌半径约为7m,具体如图1所示。

图1 隧道衬砌断面示意Fig.1 Section of tunnel lining

根据工程经验及调研,普通隧道衬砌混凝土设计强度等级通常为C30～C40[2-7],本工程海底隧道混凝土设计强度等级为C50,强度等级较高必然存在胶凝材料用量大、绝热温升高、收缩大的问题,且该工程施工区域一年四季温度普遍较高,最高气温甚至超过40℃,混凝土入模温度难以控制,衬砌结构厚度虽相较于其他大体积混凝土结构而言较小,但也存在温升高、开裂风险大的可能。其次,施工过程中隧道衬砌早期温度变形和自收缩受下部仰拱、围岩等的约束,存在较大的开裂风险[8-10]。

2 研究内容

研究发现混凝土的开裂往往是多种因素耦合作用的结果,非单因素或多因素简单叠加。目前多因素耦合作用下的混凝土裂缝控制已成为一项重要的研究课题[9,11],本工程衬砌具有强度等级高、截面尺寸大、先浇仰拱混凝土对后浇衬砌混凝土约束大等特点,整体开裂风险较高。通过多场耦合机制与模型,对衬砌结构的温度、应力场及开裂风险进行评估计算,根据计算结果指导和完善衬砌结构混凝土裂缝控制方案。对衬砌结构的温度、应力场及开裂风险进行评估计算,通过开裂风险系数反映衬砌结构开裂风险大小,开裂风险系数用结构混凝土主拉应力与极限抗拉强度之比表示:

η=σ(t)/ft(t)

(1)

式中:σ(t)为t时刻的混凝土最大拉应力(MPa);ft(t)为t时刻的混凝土抗拉强度(MPa)。

混凝土开裂风险评判准则:一般认为η>1.0时混凝土一定会开裂;考虑材料性能波动性,认为0.7<η≤1.0时混凝土存在较大的开裂风险;η≤0.7时混凝土基本不会开裂,不开裂保证率≥95%。

2.1 仿真模拟计算工况

结合现场情况,考虑衬砌结构部位、施工环境、混凝土性能、施工措施等因素的影响,对高强衬砌混凝土开裂风险进行模拟计算。工程地处亚热带,因此不考虑冬季施工工况,模板类型为钢模板,衬砌厚度为60cm,其他主要工况如表1所示。

表1 仿真模拟计算工况Table 1 Simulation calculation conditions

2.2 计算结果分析

基于多场耦合计算模型,结合不同工况条件对高强衬砌混凝土开裂风险进行计算分析,归纳了混凝土性能、入模温度及施工工艺等因素对衬砌混凝土抗裂性能的影响,如表2所示。

表2 衬砌混凝土开裂风险主要影响因素及影响程度Table 2 Main influencing factors and influencing degree of lining concrete cracking risk

3 衬砌混凝土施工要点

3.1 混凝土性能研究

3.1.1混凝土原材料控制

混凝土原材料性能直接影响混凝土配合比,基于抗裂性考虑,混凝土主要原材料性能需严格控制。

1)水泥选用硅酸盐水泥P·Ⅱ42.5,其性能符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的有关规定,且水泥比表面积≤350m2/kg,碱含量≤0.60%,C3A≤8.0%,较高比表面积、碱含量及C3A不利于降低混凝土放热速率及减小收缩变形。

2)粉煤灰选用I级粉煤灰,其性能符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求,不得采用磨细粉煤灰,优质粉煤灰对于降低水泥用量及保障混凝土和易性具有重要作用。

3)矿渣粉符合GB/T 18046—2000《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中规定S95级及以上的要求,比表面积宜不大于450m2/kg,过细的矿粉不利于混凝土温度收缩与自收缩控制。

4)骨料应选用级配合理、粒形良好、质地坚固、线膨胀系数小的洁净碎石,其性能符合GB/T 14685—2010《建设用卵石、碎石》,松散堆积空隙率不宜超过45%。宜选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、空隙率小的洁净天然II区河砂或江砂,不得使用海砂、山砂及风化严重的多孔砂,其性能符合GB/T 14684—2011《建设用砂》,含泥量不宜超过2.0%。

另外,基于降低混凝土绝热温升和自收缩的考虑,配合比中考虑掺入一定量的抗裂功能材料,选用具有水泥水化温升抑制、复合微膨胀功能组分的功能材料,水化热降低率应符合JC/T 26081—2021《混凝土水化温升抑制剂》的要求,限制膨胀率应符合T/CECS 10082—2020《混凝土用钙镁复合膨胀剂》的要求。

3.1.2低温升、低收缩抗裂混凝土配合比设计

从混凝土材料角度,通过配合比优化可对混凝土温度及变形性能进行调控,但仅通过简单配合比参数调整的调控效果有限。因此,在配合比参数优化的同时,通过在混凝土中掺入具有水泥水化温升抑制、复合微膨胀功能组分的抗裂功能材料实现混凝土温度-变形的双重调控:①利用水化温升抑制组分调控水泥水化进程,通过降低水泥水化加速期的放热速率,实现在一定散热条件下混凝土结构温度场的调控[9,12];②利用不同膨胀性能的膨胀组分实现分阶段、全过程混凝土收缩补偿,特别是降低实体结构混凝土温降阶段收缩的调控行为,可有效解决传统膨胀补偿收缩技术与实体混凝土温度计收缩变形历程不匹配的问题[13-14]。基于此,本研究提出基于大掺量双掺矿物掺合料(粉煤灰、矿粉双掺)和抗裂功能材料的低温升、高抗裂的混凝土配合比方案。结合前期大量室内研究结果,在满足设计、施工等性能的前提下,对比了基准与抗裂混凝土配合比的绝热温升及自生体积变形性能,混凝土配合比如表3所示。

表3 C50衬砌混凝土配合比

1)混凝土绝热温升 试验结果如图2所示。由图2可知,抗裂混凝土7d绝热温升值为46.6℃,与基准混凝土相比降低近5.0℃,且混凝土早期绝热温升明显降低,有利于降低实体结构的温峰值,从而降低结构开裂风险。

图2 混凝土绝热温升数据Fig.2 Data of adiabatic temperature rise of concrete

2)混凝土自身体积变形 自收缩可表征混凝土早期自生体积变形发展趋势,控制混凝土自收缩的发展能减少实体结构产生的收缩裂缝,结果如图3所示。由图3可知,基准混凝土自生体积变形自浇筑成型呈持续收缩状态,而抗裂混凝土呈持续膨胀状态,14d龄期混凝土自收缩分别为-141.6με, 160.4με。

图3 自生体积变形(常温条件)Fig.3 Autogenous volume deformation (at ambient temperature)

根据室内热力学结果,从抗裂性角度来看,通过抗裂配合比方案能有效降低混凝土绝热温升值及自生体积变形,相较于基准配合比,抗裂配合比有利于提高结构混凝土抗裂性能。

3.2 混凝土生产与运输

1)混凝土生产 混凝土拌合站有2条生产线,每盘混凝土搅拌时间≥120s,每条生产线实际产能为30～40m3/h,2条线同时生产时总产能为55～80m3/h,满足浇筑时混凝土的供应需求。

2)混凝土运输 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120min,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。同时,混凝土运输至现场直至浇筑前,当出现坍落度损失过大不满足要求时,可通过二次添加适量减水剂并在搅拌车中快速搅拌不少于3min的方式进行调整,严禁直接加水,如不能恢复工作性能,不得浇筑入模。

3.3 施工关键技术

3.3.1温控措施

1)根据施工季节及气温的不同,混凝土入模温度控制分为高温季节(通常指当年4—11月,≤30℃)和其他季节(通常指12月至次年3月,≤28℃),必要时加入适当冰块或冰水拌合降温,尽量选择在气温较低的时段浇筑,避开白天高温天气。

2)骨料提前进场入库储存,在砂石遮阳棚的基础上,可采取洒水或雾炮机对料场内的砂石料进行喷水或喷雾降温,建议选用冷水降温,每日2～3次。

3)在水泥厂专罐储存的基础上,对进站高温粉料进行提前储存,并设置中间仓储存倒运,同时在储罐表面涂刷隔热涂层材料。

4)浇筑混凝土时,为保障混凝土入模温度满足要求,需在浇筑时派专人对混凝土入模温度进行定时跟踪记录并及时反馈。

3.3.2抗裂构造措施

1)隧道衬砌结构由于受外约束极大,一次性浇筑长度越长,则开裂风险越高,因此基于控裂考虑,在施工允许范围内降低一次性浇筑长度能有效减小外约束,有利于裂缝控制,因此采取一次性浇筑长度为12m。

2)在隧道初支与衬砌之间设置防水板,一方面用于阻挡海水侵蚀,另一方面又能有效减小初支结构与衬砌结构之间的约束,有利于实现结构裂缝控制。

3.3.3实体温度-应变监测措施

对结构混凝土收缩变形、温度等性能进行实时数据采集监测,可对结构混凝土抗裂性进行有效评估,同时能指导精细化施工(如拆模时间、保温措施等),最终实现设计、材料、施工等的闭环控制。测点布置如图4所示,分别为衬砌长度方向1/2距施工缝0.5m处、衬砌长度方向1/2距施工缝2.0m处、距衬砌混凝土表面5cm处。

图4 监测点布置Fig.4 Layout of monitoring points

3.4 衬砌混凝土浇筑与振捣

1)混凝土衬砌浇筑采用全断面一次成型法施工,混凝土浇筑应保持连续性,如因故中止且超过允许的间歇时间,应按施工缝处理。

2)对混凝土拌合物的坍落度进行测定,测定值应按(200±20)mm进行控制,混凝土泵送的坍落度不宜过大,以避免离析或泌水。

3)混凝土使用附着式和插入式振捣器振捣,振捣时间以混凝土不再显著下沉、不出气泡,并开始泛浆为准。振捣器距模板的垂直距离应大于振捣器有效半径的1/2,并不得触动钢筋、预埋件及监测设备。

4)采取逐窗放料、逐窗振捣方式。台车浇筑窗口分上、中、下3层左右对称布置,每层每侧设置4个窗口,层与层间交错布置;料斗内顺线路方向采用焊接钢板将料斗左右等分,实现两侧均匀分料;二次衬砌从下到上、左右对称逐窗浇筑,逐窗振捣,直至拱顶挡头模板最高处混凝土浆液外溢判定浇筑饱满后暂停,待10min混凝土自然沉落后,最后进行少量的带压浇筑。

3.5 衬砌混凝土拆模与养护

1)拆模时间 浇筑完成后3d拆模,拆模时间不宜过早,避免混凝土温度较高时拆模表面快速失水及内外温差过大等导致的开裂。

2)拆模后养护 本工程C50混凝土配合比中矿物掺合料较高,拆模后需进行14d保湿养护,以提升混凝土性能,尤其是表层混凝土的抗裂性和耐久性。拆模后表面应进行喷淋和洒水等养护措施,使混凝土表面保持湿润状态,养护水温度与混凝土表面温度之差应≤15℃。

4 实施效果对比

从混凝土浇筑开始,对实体结构进行实时监测和数据采集,对比了基准段和抗裂段隧道衬砌实体结构中心温度及应变历程。均在高温季节施工,入模温度控制为28℃,两组衬砌段温度、应变历程对比监测结果如图5所示。

图5 实体结构温度-变形监测结果对比Fig.5 Comparison of monitoring results of temperature and deformation of solid structure

由图5可知,抗裂段相对于基准段,其到达温峰时间延长约16h,温峰值降低5.8℃,温升最大值降幅达18.4%;抗裂段温升阶段与基准段相比膨胀变形增幅达1倍以上,衬砌由于受仰拱强约束可在膨胀状态下储存更多的膨胀预压应力,且在温降过程中,抗裂段混凝土温降收缩变形显著降低,基准段温降变形速率为-15.3με/℃,而抗裂段温降变形速率为-10.7με/℃,降幅达30%,有利于减小长度方向上受仰拱强约束的水平向收缩拉应力,总体抗裂段混凝土温升值显著降低且温降阶段收缩较小,综合实施后,能有效减少高强衬砌结构非荷载裂缝的出现。

隧道衬砌结构浇筑结束3d后拆模,现场人员对衬砌外表进行了持续观测,结果表明,基准段拆模后在衬砌左右两侧中间位置各发现一条起于施工缝的环向裂缝,而按照裂缝控制技术实施的抗裂段做到了完全不开裂,现场情况与计算结果相符,充分证明了控裂思路和技术方案的正确性。

5 结语

1)针对C50高强隧道衬砌混凝土的结构形式和工况特点,通过计算与试验论述了原材料、配合比优化、一次性浇筑长度、入模温度、拆模时间及保湿养护等措施工艺对结构开裂风险的影响,提出了合理的C50隧道衬砌抗裂技术施工设计工艺。

2)对比抗裂混凝土与基准混凝土实体温度-应变监测数据,采用抗裂段衬砌中心温度从浇筑到温峰的时间相较基准段延长约16h,最大温升值显著降低达18.4%;抗裂段混凝土温升阶段变形增大幅度近1倍,且温降阶段收缩显著降低达30%,变形调控效果十分显著。拆模后进行持续跟踪,基准段出现开裂,而抗裂段未出现开裂,解决了C50高强衬砌结构早期开裂难题,保障了工程建设质量及服役寿命。