隧道大體積混凝土襯砌的溫度控制

蔣平江，柳 偉，焦長洲

(1.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000;2.江西交通職業技術學院，南昌 330013;3.深圳市地鐵集團有限公司，廣東 深圳 518035)

大體積混凝土指的是長寬高尺寸均大于1 m的混凝土。大體積混凝土結構溫度裂縫的產生，主要是由于混凝土凝結硬化過程中，水泥的水化熱在其內部和表面間形成溫度梯度而產生了溫度應力，當混凝土內部應力超過其抗拉強度時，即產生裂縫［1］。該類裂縫一般發展較大并形成貫穿性裂縫，嚴重影響結構的使用和耐久性，甚至危及結構的安全。

隧道設計一般取1 m隧道進行框架內力計算，而對溫度應力則不進行詳細計算，只是采用構造配筋，因此常導致混凝土出現溫度裂縫，從而工程界有“無隧不裂”的說法［2］。隨著大體積混凝土在隧道工程中的廣泛應用，對其溫度裂縫進行有效預防和控制成為工程技術界長期關注和研究的重要課題。

1 工程概況

深圳北站新區大道K0+425～K1+220標段為明挖隧道，隧道長795 m，主體結構厚度多為1.3～1.8 m，屬于大體積混凝土結構。主體結構分段施工，分層澆筑，每段施工長度為20 m，先澆筑底板，后澆筑側墻及頂板。

溫度控制要點:①內表溫差控制。由于混凝土凝固過程中，內表溫差產生溫度應力，這種溫度應力與混凝土的體積成正比，對于大體積混凝土，內表溫差控制顯得尤為重要。②表層氣溫差控制。在施工階段，氣溫的變化，特別是溫度驟降，表層混凝土急劇收縮，而內部混凝土仍處于高溫狀態，限制表面混凝土收縮，導致產生表面裂縫。③主體結構分層澆筑，隧道底板澆筑和側墻及頂板澆筑存在明顯的時間差，在底板混凝土的溫度變化趨于穩定時才澆筑側墻及頂板，連接處容易產生裂縫。

2 溫度控制措施

2.1 嚴格控制原材料質量［3-4］

1)水泥:選用水化熱較低的水泥，并盡可能減少水泥用量和用水量，盡量避免使用早強水泥。經比選，采用日本“小野田”牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

2)細骨料:采用級配良好且含泥量少、細顆粒少的中砂和中粗砂，因其孔隙率小，總表面積小，這樣混凝土的用水量和水泥的用量就可以減少，水化熱降低，裂縫減少。同時，在滿足和易性的情況下，應采用較小的砂率。采用Ⅱ區中砂，含泥量控制在2%以內，產地為安托山和越眾。

3)粗骨料:改善粗骨料級配，使其空隙率減至最少;適當減少粗骨料最大粒徑，降低粗細骨料的粒徑梯度。盡量選擇使用線膨脹系數較小的粗骨料，同時嚴格控制骨料的含堿量。在可泵送的情況下，選用粒徑5～20 mm連續級配碎石，含泥量控制在1%以內，以減少混凝土收縮變形，產地為安托山和越眾。

4)除了按有關的規范、標準檢驗原材料的常規指標外，對影響體積穩定性的有關指標也要嚴格檢驗，如:水泥的體積安定性、水泥中 Na2O、K2O的含量及C3A含量;砂石材料有害雜質(黏土、硫化物、硫酸鹽及水膨脹的礦物等)的含量、堅固性、粗細程度等。

2.2 優化混凝土配合比［3］

大體積混凝土配合比設計中主要考慮降低水化熱，減小混凝土的絕熱溫升。

1)在保證強度與耐久性的同時盡量降低單位水泥用量、用水量及坍落度、砂率，其中水泥用量與大體積混凝土的最高溫升有直接聯系，降低水泥用量是最有效的溫控措施。

2)采用“雙摻技術”，混凝土內可摻用適量(約10%)的微膨脹劑(WEA)替代水泥，可起到降低水泥用量，減少水化熱的作用，同時混凝土內部產生的膨脹應力可以抵消一部分混凝土的收縮應力。此外，還可添加適量緩凝型外加劑，延緩水化熱釋放時間，減少內外溫差。

3)摻粉煤灰。混凝土內摻用適量的活性材料(粉煤灰)以代替水泥用量，粉煤灰可以使混凝土水化熱在一定程度上延緩釋放，降低水化熱，增加混凝土的和易性，而且能夠大幅度提高混凝土后期強度。

綜合以上考慮及要求確定，施工配合比為水泥1∶砂2.74∶石子3.59∶水0.52∶摻合料0.327 6∶外加劑0.030 6，水灰比為0.41。

2.3 采用冷卻水管降溫

合理布設冷卻水管，通過冷卻水循環能有效地帶走熱量，將各層混凝土最大內表溫差控制在25℃以內，防止溫度裂縫的產生。冷卻水管采用φ32 mm鍍鋅鋼管，底板橫向布置2排、側墻豎向布置3排、頂板橫向布置3排，間距均為1 m。待混凝土澆筑到各層冷卻水管高程后開始通水冷卻。為及時掌握混凝土內部溫升與表面溫度的變化值，在主體結構內埋設若干個測溫點，每個測溫點埋設測溫管。冷卻水管和測溫管布置見圖1。

圖1 冷卻水管和測溫管布置(單位:mm)

通水冷卻方案:①在混凝土初凝時由專人負責依次開啟系統的各個循環，往冷卻管內注入抽取的地下水;②第一天采用最大通水量，以帶走更多的熱量;③次日根據測溫情況調節水流量，當內部溫度與入水溫度相差 ＜20℃，加大入水量，當溫差在 20℃ ～25℃，則減小入水量;④當出水口水溫趨于穩定或混凝土內外溫差＜5℃，停止冷卻;⑤使用完后的冷卻水管內壓注與混凝土強度等級相同的水泥砂漿。

2.4 加強施工質量控制

2.4.1 控制混凝土的入模溫度

降低混凝土的澆筑溫度對控制混凝土裂縫非常重要，相同的混凝土，入模溫度高的溫峰值要比入模低的大許多［5-6］，本工程控制混凝土的入模溫度最大不超過28℃。為此，①原材料要入庫存放，不能入庫的要進行覆蓋，降低材料的溫度;②盡量降低拌合水的溫度，存儲地下水的水箱用海綿麻袋覆蓋保溫;③加快混凝土的運輸和入倉速度，減少此過程的溫度回升。

2.4.2 混凝土分層澆筑

1)要分層連續澆筑，采用斜面分層法澆筑，每層的厚度一般按振搗作用半徑1.25倍考慮，并≤0.3 m。由兩邊向中間澆筑，斜面坡度為混凝土振搗時自然流淌形成的坡度，以保證能夠振搗密實。混凝土的澆筑應連續進行，間歇時間盡量縮短，并不超過混凝土的初凝時間，即次層混凝土應在前層混凝土初凝前澆筑完成，保證無層間冷縫發生。

2)混凝土自由下落高度超過2 m時，應采用串筒或溜槽下落，以保證混凝土拌合物不發生離析現象。

3)及時清除混凝土澆筑過程中匯集的表面泌水，如在澆筑過程中遇到降雨，應用彩條布遮蓋大體積混凝土上空。

2.4.3 混凝土表面處理

1)混凝土施工完畢后，在初凝之前對混凝土表面抹壓收漿，以清除混凝土表面早期產生的塑性裂縫。

2)混凝土表面用麻袋覆蓋并灑水進行保溫保濕養護。側模外掛麻袋保溫，根據測溫結果指導養護工作，將降溫速度控制在2℃/d，養護時間14 d。

3)澆水次數以保持混凝土在整個養護期間內處于濕潤狀態為度。當氣溫較低時，覆蓋麻袋保溫保濕養生，氣溫較高時，采用灑水養護。這樣既可控制混凝土表面溫度與內部溫度或氣溫的差值，防止混凝土開裂。同時，還可以有效地防止混凝土表面發生龜裂。

4)混凝土養護至其強度達到1.2 MPa以上方可在其上行人。

2.4.4 實時溫度監控

專人負責定時對大氣溫度、混凝土表面溫度、測溫點溫度進行監測。第1～5 d每2 h測溫1次，第6 d后每4 h測溫1次，測至溫度穩定為止。測點溫度監測結果見表1。從溫度監測結果來看，本工程溫度裂縫預防措施達到了預期目標。

表1 溫度監測值 ℃

3 結語

對屬于大體積混凝土的市政隧道這一類比較特殊的大體積混凝土結構，其施工中的溫度控制具有一定的特殊性，而相關的研究較少［7］。因此，針對大體積混凝土隧道的溫度控制顯得尤為重要。實踐證明，通過對其原材料進行嚴格控制、采用“雙摻技術”優化配合比、應用通水冷卻方法帶走水化產生的熱量;采用溫度監控技術準確掌握混凝土內外溫度變化情況并調節通水量、加強對施工的質量控制等措施，能夠有效地控制混凝土內部的絕熱溫升，避免和減少了混凝土裂縫的產生，保證了混凝土質量。當然，采用了上述措施以后，增加了工程造價，宜研究建立施工成本優化模型，盡量降低施工成本。

［1］覃荷瑛，趙艷林，邢心魁.某寒區隧道裂縫成因與防治［J］.混凝土，2010，246(4):128-129.

［2］杜曉玲，趙世忠.大體積混凝土隧道裂縫分析及軟件開發［J］.施工技術，2010，39(5):22-25.

［3］周解慧.超長混凝土結構整體澆筑施工技術［J］.鐵道建筑，2010(6):126-129.

［4］田慧生.高寒地區混凝土構筑物裂縫成因及預防［J］.混凝土，2005，192(10):66-69.

［5］于旭東，葉碩.西堠門大橋南錨碇大體積混凝土溫度控制［J］.世界橋梁，2007(3):72-75.

［6］高明德.大體積混凝土施工工藝及質量控制［J］.鐵道建筑，2007(3):98-99.

［7］盧曉.市政隧道大體積混凝土裂縫的控制研究［D］.上海:同濟大學，2007.