隧道大体积混凝土裂缝控制技术应用研究

王林

摘要 为解决混凝土裂缝问题，提升隧道运营安全性，文章依托湖州申苏浙皖至申嘉湖高速公路连接线与吴兴大道交叉段设计变更施工第1标段南岙隧道工程，围绕抗裂混凝土配合比设计、施工工艺、工程应用效果等方面开展了隧道大体积混凝土裂缝控制技术应用研究。研究结果表明：通过对混凝土配合比设计进行优化，最终确定了粉煤灰、矿粉、减水剂的掺量分别为25%、30%、1%，经检测混凝土各项性能均能满足规范要求；通过应用抗裂混凝土，同时辅以控制入模温度、混凝土分层浇筑、加强保湿养护等措施，最终形成了成套混凝土抗裂控制技术方案，有效解决了隧道大体积混凝土开裂问题，具有良好的工程应用效果。

关键词 配合比设计；大体积混凝土；裂缝控制技术

中图分类号 TU755.7文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）05-0075-03

0 引言

隧道结构在长期使用过程中往往会受到温度应力作用、混凝土自收缩以及外界环境等因素的影响，导致裂缝病害的出现，对隧道结构的安全性和可靠性造成潜在威胁，因此裂缝控制技术的研究和应用显得尤为重要。该文依托湖州申苏浙皖至申嘉湖高速公路连接线与吴兴大道交叉段设计变更施工第1标段南岙隧道工程，开展隧道大体积混凝土裂缝控制技术应用研究，旨在解决隧道混凝土开裂问题，提升隧道工程建设质量，该研究成果可为同类工程提供借鉴与指导。

1 工程概况

湖州申苏浙皖至申嘉湖高速公路连接线与吴兴大道交叉段设计变更施工第1标段南岙隧道工程起讫桩号K0+350～K0+602，长252 m，为双向6车道，采用明挖法进行隧道施工，主体结构设计使用年限为100年，抗渗等级P8，裂缝控制等级为三级。该隧道工程属于大体积混凝土结构，控裂难度较大。

2 大体积混凝土裂缝理论概述

2.1 裂缝种类

大体积混凝土裂缝按照裂缝宽度进行分类，可分为微观裂缝和宏观裂缝两种类型[1]。

2.1.1 微观裂缝

微观裂缝通常指混凝土材料内部形成的细小裂缝，很难通过肉眼直接观察到，裂缝宽度为2～5 ?m。

2.1.2 宏观裂缝

该裂缝仅靠肉眼观察便可识别，通常由微观裂缝发展而来，裂缝宽度≥0.05 mm。宏观裂縫可分为以下三类：

（1）贯穿裂缝。贯穿裂缝是指从混凝土结构一侧贯穿整个截面，延伸到另一侧的裂缝，该裂缝通常发生在混凝土结构受到大幅度应力的位置处。贯穿裂缝破坏了混凝土结构的完整性，造成结构的强度和刚度降低，使得结构无法正常承担设计荷载，甚至可能导致部分或整体结构发生倒塌。

（2）深层裂缝。深层裂缝是指裂缝从混凝土结构表面向内部延伸，但没有贯穿整个结构断面，只切断了部分结构断面。深层裂缝的存在削弱了混凝土结构的整体强度和刚度，使其承载能力降低，增加了结构失稳和倒塌的风险，且会加剧渗水问题。

（3）表层裂缝。表层裂缝通常是指发生在混凝土表面的细小裂缝或者裂纹，相较于贯穿裂缝和深层裂缝，其危害性较小，但后期依然可能会发展为更严重的裂缝。特别是在一些关键部位，如基础和新旧混凝土交接处，表层裂缝的扩展会破坏结构整体的连续性和稳定性，最终导致贯穿裂缝的出现。

2.2 裂缝形成及破坏机理

据统计，近八成的裂缝皆由混凝土的温度变化不均匀所致。水泥在水化反应过程中会释放出大量热量，使得混凝土内部温度升高，急剧的温度变化导致混凝土的塑性降低，硬化过程中的应变增大，并产生温度—收缩应力的急剧变化[2]。由于混凝土的热膨胀系数有限，温度变化引起的收缩形变可能会超过其可承受的极限，从而导致混凝土结构在此阶段发生开裂，由此产生的裂缝将会严重影响混凝土的工作性能。

2.3 裂缝的后期修补方法

当混凝土结构出现裂缝时，应根据不同裂缝宽度采取相应措施进行修补和加固，以提高其稳定性、整体性和使用寿命。以下是几种常见的混凝土裂缝后期修补方法：

（1）表面修补法是一种常见且操作相对简单的混凝土裂缝修补方法，操作步骤包括清理裂缝、涂布修补材料、平整修补表面，以及适当的养护。但该方法只适用于对承载力影响不大的表面裂缝以及细微裂缝。

（2）灌浆法在隧道工程中也较为常见，但工序相对烦琐，操作复杂，常用的灌浆材料包括水泥浆、聚氨酯及沥青材料等。对于深层的裂缝或结构内部的缺陷，灌浆法可以通过注入灌浆材料进行填充和修补，从而增强混凝土结构的整体性能。

（3）注胶加固法是一种先进的混凝土裂缝处理技术，具有操作简单和施工高效的优点，已在全球范围内得到广泛应用。注胶加固法通过注入特定胶体材料来修复混凝土裂缝，能够将混凝土的强度恢复至原混凝土标号的80%左右。目前较为常用的胶体材料为聚硫密封胶，其优良的物理化学性能使得混凝土可以经受各种环境的考验，已在北京鸟巢、葛洲坝工程等大型工程项目中得到成功应用。

3 抗裂混凝土配合比设计

3.1 原材料选择

（1）水泥。选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为365 m2/kg，经试验检测其各项性能指标均满足规范要求。

（2）粉煤灰。选用镇江某公司生产的F类Ⅱ级粉煤灰，经试验检测其各项性能指标均满足规范要求。

（3）矿粉。选用S95级矿粉，比表面积为445 m2/kg。

（4）减水剂。选用江苏某材料公司生产的高性能聚羧酸减水剂。

3.2 配合比设计

为最大程度降低胶凝材料体系水化放热总量，同时保证混凝土的各项工作性能、力学性能满足要求，该文在进行配合比设计时选择采用降低水泥剂量，同时加大粉煤灰与矿粉掺量的做法，最终配合比设计结果如表1所示。

按表1配合比设计结果制备混凝土试件，然后进行和易性、强度等测试，测试结果如表2所示。由表2可知，混凝土各项施工性能、强度及限制膨胀率均能满足规范要求。

4 混凝土裂缝施工控制措施研究

4.1 控制入模温度

已有工程经验表明，混凝土入模温度越高，混凝土结构开裂的风险也越大，因此應严格控制混凝土的入模温度。

4.1.1 原材料控温

粉料通常采用储罐进行存储，因此可以采用在储罐的外壁铺设冷却水管的方式，通过循环冷却水来降低粉料的温度，防止其在混凝土拌和过程中引起过大的水化热。砂石料往往暴露在阳光下，因受高温照射导致混凝土的温度较高。为控制砂石料的温度，应在砂石料场设置遮阳棚，减少阳光直射，同时在料仓口设置卷帘门，用于保持料仓内的砂石料处于一个较低的温度。此外，应在料仓的侧面安装工业级冷风机，对砂石料进行强制通风和降温，在遮阳棚顶部布置喷淋系统，通过喷水来降低砂石料的温度。

4.1.2 运输过程控温

应在罐车罐体上包裹保温布或其他保温材料，减少混凝土在运输过程中受到环境温度和泵管摩擦的影响，有效防止混凝土温度升高。在高温季节，应尽量加快混凝土的运输和浇筑速度，减少混凝土在整个施工过程中的停留时间，从而降低混凝土温度的上升。在已经完成浇筑的区域，可以采取帆布等遮阳措施来防止阳光直射。同时，根据混凝土的硬化情况，采用冷风机或洒水等方式降低混凝土的温度。

4.2 混凝土分层浇筑与及时养护

4.2.1 底板和顶板

隧道顶板、底板采用连续分层浇筑施工方式，分层厚度应≤500 mm。初次摊平混凝土后，在初凝前进行二次振捣，以去除空气泡和提高混凝土的密实度，从而提升混凝土的力学性能和耐久性。混凝土终凝前采用磨光机进行二次抹面，使表面更加平整光滑，并提高混凝土的表面强度和耐磨性。终凝后覆盖土工布进行保湿养生，养生时间应≥14 d。

4.2.2 侧墙

侧墙同样采用连续分层浇筑方式进行施工，分层高度一般不超过700 mm，避免混凝土温度差异过大所导致的收缩裂缝。在混凝土浇筑施工过程中，宜从低处开始并沿长边方向由一端向另一端进行施工，浇筑过程需要注意混凝土的均匀性和密实性。采用振捣机进行二次振捣，确保混凝土均匀分布、密实紧凑。临近另一端时，应进行反向浇筑。浇筑结束2～3 d后拆模，拆模后贴上1层专用保温保湿养护膜，以保持混凝土表面始终处于湿润状态，同时在外层再覆盖深色毛毡进行保温。

4.3 加强振捣质量

为保证混凝土的均匀密实和质量，通常需设置两个混凝土振动器。第一处设置在泵送混凝土的卸料点，由于混凝土在泵送过程中可能会发生分层或者在流动过程中产生空隙，使用振动器可以帮助混凝土自行坍落，同时去除空气泡，从而提高上层混凝土的密实性。第二处设置在坡脚处，用以提升下部混凝土的振捣质量，尤其是在坡度变化处，振动器的作用更为明显。该隧道工程主体部分浇筑施工时，共配备了8根插入式振动棒，大幅提升了各个区域混凝土的振捣质量，尤其是在钢筋密集部位处。

4.4 加强温度监测

应采用温度传感器等设备对混凝土的温度进行实时监测，包括混凝土搅拌站出料、运输以及浇筑等环节。在混凝土养护过程中，尤其是在大体积混凝土结构中，应密切监测混凝土块体内部和外部的温差。温差过大可能导致温度应力，进而引起裂缝的产生。通过安装温度传感器在不同深度、不同位置处进行监测，能够及时发现并采取措施来调节和控制温度差异。此外，环境温度的变化也会对混凝土的养护效果有一定影响。因此，应在养护期间监测周围环境的温度，并与混凝土的温度进行比较，并采取相应的措施来调整养护方式，确保混凝土获得良好的强度和耐久性。具体温度控制标准如表3所示。

5 混凝土温度监控

已有相关工程经验表明，隧道底板、边墙及顶板交界处中心温度高，应力容易集中在纵向分层施工缝处，因此该文选择对该部位进行温度监控，从而指导与调整混凝土抗裂措施，提高工程质量。具体监测结果如图1所示。

由图中温度监测结果可看出，混凝土中心最高温度为66 ℃，＜70 ℃，内外最大温差为13.2 ℃，＜25 ℃，混凝土温度主要控制指标能够满足表3中温度控制标准要求。然而，降温速率为3.8 ℃/d，＞3 ℃/d，略超过表3指标要求，降温速率过快，增加了后期混凝土开裂的风险。因此，还应在施工过程中加强对混凝土降温速度的控制。

6 工程应用效果评价

该文对应用抗裂混凝土的隧道段落进行了裂缝检测，检测结果如表4所示。

从表4结果可看出，隧道检测段落内顶板与底板位置处皆未出现裂缝和渗漏等病害，侧墙虽出现了8条裂缝，但最大裂缝宽度仅为0.04 mm，属于细微裂缝。总体而言，抗裂混凝土的工程应用效果良好。

7 结语

该文以湖州申苏浙皖至申嘉湖高速公路连接线与吴兴大道交叉段设计变更施工第1标段南岙隧道工程为例，展开了隧道大体积混凝土裂缝控制技术应用研究，得到如下主要研究结论：

（1）为提升混凝土抗裂性，在配合比设计阶段，该文采用了降低水泥剂量，同时掺入矿物掺合料以及高性能减水剂的做法。其中，粉煤灰、矿粉、减水剂用量分别占胶凝材料总量的25%、30%、1%。

（2）温度监控结果显示，中心最高温度、内外最大温差2项重要指标均能满足温度控制标准要求。

（3）实体工程应用结果表明，通过应用该文制备的抗裂混凝土，以及采取控制入模温度、混凝土分层浇筑、加强振捣质量等措施，可以有效控制隧道裂缝的产生，具有良好的工程应用效果。

参考文献

[1]金文良， 徐文， 刘迪， 等. 深中通道隧道现浇暗埋段大体积混凝土抗裂技术应用研究[J]. 中国港湾建设， 2022（8）： 7-11.

[2]王丙垒， 纪宪坤， 徐可， 等. 苏州某穿湖隧道大体积混凝土工程裂缝控制应用研究[J]. 新型建筑材料， 2021（10）： 142-147+177.