玄武湖隧道施工階段溫度應力控制★

李洪海 華瑞平 林家煒 高 磊 楊大興

(1.解放軍65316部隊，吉林長春 130051;2.南京軍區司令部工程科研設計所，江蘇南京 210016;3.南京軍區鼓浪嶼療養院，福建 廈門 361000;4.解放軍第四零四醫院，山東 威海 264200;5.解放軍65056部隊，遼寧鐵嶺 112000)

近年來，隨著國民經濟建設的迅速發展和工程技術的不斷提高，我國涌現出了一大批地下超長混凝土結構。考慮到建筑上的美觀性和結構上的整體性，這些結構往往不設或少設溫度伸縮縫，致使通長不設縫的結構長度遠遠超出了規范規定的限值［1］。對于超長無縫混凝土結構，當周圍環境溫度發生變化時，在結構內部會形成新的溫度分布，從而產生溫度變形和溫度應力，而且結構越長溫度變形量越大。如果結構溫度應力或溫度變形過大，則會產生開裂或永久變形縫失效等問題，影響結構的正常使用［2，3］。本文結合玄武湖隧道工程，系統探討隧道超長結構溫度應力控制措施，可供地下無縫化設計參考。

1 工程概況

玄武湖隧道工程由南京城市(控股)有限公司投資建設，于2001年開工，2003年建成通車，是我國第一條湖底隧道。隧道全長2 660.4 m，其中暗埋段長2 230 m，湖底隧道長約1 660 m;隧道設計寬約31 m，凈高4.5 m，隧道總建筑面積6.3萬多平方米;湖東引道敞開段190.24 m(見圖1);湖西引道敞開段150 m，接線道路長100 m(湖東、湖西引道敞開段各含光過渡段45 m);匝道暗埋段各長190 m，敞開段各為100 m。

圖1 玄武湖隧道出口

2 結構形式

隧道主體采用鋼筋混凝土結構，頂板厚度500 mm～1 000 mm，底板、側墻厚度均為1 000 mm，結構斷面圖如圖2所示。縱向澆筑15 m留一垂直施工縫，90 m留設伸縮縫，變形縫間設一后澆帶(距兩端變形縫45 m)。隧道全長均為明開挖施工，城墻西側隧道的陸地段垂直開挖采用SMW工法作基坑支護，城墻東側湖底段采用放坡大開挖，掛網噴漿護坡。

玄武湖隧道為市內淺埋式湖底隧道，以結構自防水為根本，對鋼筋混凝土結構防裂的要求很高，同時混凝土結構的耐久性，要達到百年使用要求。隧道結構設計要求混凝土強度等級為C30S8，60 d干縮率不大于 0.015%，抗凍融 D300，耐久性為100年，不允許出現貫穿裂縫，表面裂縫寬度不大于0.2 mm［4］。

圖2 玄武湖隧道結構剖面圖

鑒于隧道長度較長，地質條件相對復雜，地基附加應力不一，所以防止縱向不均勻沉降是設計中必需考慮的問題。其中湖東有大體積的液化土;湖中結構埋深淺，頂板上覆土少，結構抗浮存在問題;湖西底板所處地層為淤泥質粉質粘土，隧道底板下約1/3土層為液化土，平均厚度達15 m，結構可能發生不均勻沉降。因此隧道結構全線采用了樁基礎。具體為結構橫斷面上布置4排φ600鉆孔灌注樁，縱向間隔約4 m～6 m。樁長隨地質條件的變化而變化，其中湖中、湖西段樁長16 m，湖東段樁長22 m，敞開段(含光過渡)長12 m。湖中段樁位平面布置見圖3。

圖3 湖中段樁位平面布置圖

3 溫度應力控制措施

該工程采用的90 m一段設置伸縮縫，屬超長結構混凝土施工，故在技術上采用了大量控制措施。1)無縫段內溫度應力控制。玄武湖隧道采用的控制措施主要有設置變形縫和后澆帶。在縱向90 m長度內的有:a.跳倉澆筑15 m時留置橫向垂直施工縫;b.留置1 m寬后澆帶時的橫向垂直施工縫。無縫段內施工縫具體分布如圖4所示。針對大體積混凝土施工，采用分層分段澆灌混凝土來降低水化熱，工程上對施工縫的處理也有較高的要求。橫向施工縫施工中，在同一管節相鄰施工段之間，沿頂、底板和外墻設置一道250 mm寬封閉鋼邊止水帶，要求施工固定牢靠，接頭位置準確，且現場粘結。為排出止水帶下方殘留氣體，水平設置中埋式鋼邊橡膠止水帶，要求將鋼邊上翹15°～20°。橫向施工縫設一道200 mm寬鋼板膩子，并刷水泥基滲透結晶型防水涂料兩遍，用量為1.2 kg/m3。2)永久變形縫設置。整個隧道結構內每隔90 m設置一道變形縫，縫寬6 mm，變形縫處設外貼式和中埋式兩道止水帶［5，6］。外貼式止水帶安裝時要求做到位置精確，與模板固定緊密，且在底板轉角處要彎成圓弧形過渡，此外接縫處相鄰兩塊混凝土接槎口要平整(見圖5)。中埋式鋼邊橡膠止水帶兩邊需設有可注漿管，用丁晴軟木橡膠嵌縫(見圖6)。3)混凝土的澆筑與養護。分層連續澆筑法是目前大體積混凝土施工中普遍采用的方法。一是便于振搗，易保證混凝土的澆筑質量;二是可利用混凝土層面散熱，對降低大體積混凝土澆筑塊的溫升有利。具體施工中按照橫向從底板→中間隔墻→側墻→頂板，縱向采用標準節段跳槽順序施工。保溫養護是大體積混凝土施工的關鍵環節，其目的主要是降低大體積混凝土澆筑塊體的里外溫差值以降低混凝土塊體的自約束力，其次是降低大體積混凝土澆筑塊體的降溫速度，充分利用混凝土的抗拉強度，以提高混凝土塊體承受外約束應力時的抗裂能力，達到防止或控制溫度裂縫的目的。同時，在養護過程中保持良好的濕度和防風條件，使混凝土在良好的環境下養護(見圖7)。

圖4 90 m長管節內施工縫分布圖

圖5 外貼式變形縫止水帶構造

圖6 中埋式變形縫止水帶構造

4 溫度應力監測

施工階段對主體混凝土結構進行溫度應力監測，在結構底板和側墻部位埋設測溫片和應變片。

圖7 隧道大體積混凝土施工現場保溫法養護

圖8 隧道主體結構混凝土的溫度變化曲線

圖9 隧道主體結構混凝土的應力變化曲線

1)溫度監測。圖8為玄武湖隧道主體結構混凝土不同部位的溫度變化曲線。從混凝土的溫度變化曲線可以看出，混凝土澆筑后約在2 d～3 d達到最高溫度，早期溫升較快，混凝土的澆筑溫度較高時，其達到的最高溫度也較高，達到峰值的時間也較快。底板最高溫度為30℃，側墻最高為42℃，底板和側墻溫差較大，這是由于底板混凝土澆筑時冬季氣溫低至0℃左右，而側墻混凝土澆筑時氣溫升至15℃。總體上混凝土內溫升高約20℃，基本符合實際情況。冬季施工中，外界氣溫普遍較低，混凝土主體結構與環境溫差達到10℃～20℃，但由于保溫養護措施得當，混凝土內外溫差約5℃，完全達到規范要求。2)應力監測。圖9為玄武湖隧道主體結構混凝土不同部位的溫度應力變化曲線。從混凝土的應力曲線可以看出，底板混凝土東西向和南北向應力相差不大，應力大小也基本相同。分析其原因在于雖然底板東西向為15 m，南北向為30.8 m，但因隧道基礎為樁基，底板受樁的約束作用較明顯，因此東西向和南北向變化趨勢基本相同。側墻應力也是以底部應力為最大，中部應力為最小，其原因在于外側墻混凝土澆筑時，底板混凝土早已達到設計強度。因此側墻底部混凝土受底板混凝土約束較大，中部相對較小。

此外，由監測曲線可看出，其中有突變處，是由于外界氣溫陡變所致，因此建議在主體施工完畢后，土方應盡早回填，從而避免外界氣溫的不利影響。特別是側墻的應力跳躍較大，這與側墻的養護困難、養護間斷、拆模時間有關。因此建議施工中應加強對側墻的保溫保濕養護。底板、側墻在混凝土澆筑20 d后，即趨于穩定。因此建議可將施工縫、后澆帶澆筑時間適當縮短。總體看來，應力沒有超出預計范圍，說明養護方案是成功的。

5 結語

隨著地下工程特別是大型地下工程日益增多，而且因電氣化、自動化程度的提高，對工程質量的要求不斷提高。這樣對防水、整體防震、結構造型等各方面都有較高的要求。超長無縫設計作為一種較好的方法越來越被重視。在施工階段如何處理水化熱等引起的收縮變形問題，在使用階段如何控制環境溫度下結構不會發生熱脹冷縮(溫度應力)引起的破壞，成為工程技術難題。本文探討了玄武湖隧道主體結構施工過程中針對超長混凝土結構所采取的溫度應力控制措施，并進行了溫度應力長期現場監測，結果表明該工程主體結構溫度應力在規定范圍之內，從而說明所采取的相應技術措施是合理有效的，對于地下工程中超長結構的應用及地下結構耐久性方面的研究具有一定意義。

［1］GB 50010-2002，混凝土結構設計規范［S］.

［2］馬麗緩，姚 燕，田 培，等.國內外混凝土的收縮性能及抗裂性能試驗研究方法評述［J］.中國建筑技術，2001(1)：27-31.

［3］朱伯芳，王同生，丁寶瑛.水工混凝土結構的溫度應力與溫度控制［M］.北京：水利電力出版社，1976.

［4］楊 亮，蘇 強，吳 波.南京玄武湖隧道關鍵施工技術［J］.施工技術，2003，32(8)：1-4.

［5］徐學軍，吳 波.南京玄武湖隧道關鍵技術研究［J］.江蘇建筑，2003(sup)：69-73.

［6］毛志勛，拓守盛.淺埋湖底隧道結構施工技術［J］.路基工程，2004(6)：12-14.