隧道大體積混凝土施工中混凝土裂縫和溫度的控制要點分析

王亮

蘇州市嘉達混凝土制品有限公司，中國·江蘇 蘇州 2150007

1 工程概況及特點

中國蘇州金雞湖隧道工程自西向東經過星海街，沿著中新大道穿過金雞湖，到達南施街的西側，全長大約6.04km，主線全長5.4km，其中湖中段長約3km，設計道路為雙向6車道，設計速度主線50km/h，匝道為40km/h。金雞湖隧道作為蘇州市“八縱八橫”板塊間主干路系統和園區“十三橫十二縱”主干路系統的重要組成部分，其建設對于緩解東西向跨湖交通壓力、提升園區整體交通承載能力、加強湖西湖東CBD 的聯系、方便出行具有重要意義。

就本工程而言，隧道主體結構為箱形四孔一管廊橫斷面布置，其中湖中段底板厚度主要有1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m 和1.6m，側墻厚度主要有0.8m、1.0m、1.2m 和1.4m，頂板厚度主要有1.1m、1.2m、1.3m、1.4m 和1.6m，設計強度等級為C35P8。從上述結構形式和斷面尺寸來看，隧道主體結構屬超長強約束大體積混凝土結構，早期收縮開裂風險較高。

2 隧道大體積混凝土施工中混凝土裂縫的成因

2.1 混凝土材料影響

現代水泥細度較高、早期水化速度明顯加快，雖然提升了早期強度，卻導致早期的放熱速率及放熱量的急劇增加，水泥水化會導致大量熱量的產生，使大體積混凝土內部的溫度快速提升，而表面溫度要大大低于內部溫度，在較大的溫差下產生壓應力與拉應力。如果混凝土極限抗拉強度低于拉應力，那么就會導致裂縫的出現。大體積混凝土的表面積較大，因此水化熱導致的裂縫問題也會更加顯著。在混凝土的硬結過程中發生體積收縮，這也是引起裂縫問題的關鍵因素[1]。尤其是鋼筋和支承條件的影響，會導致巨大拉應力的產生，進而引發裂縫。

2.2 結構形式影響

隧道主體結構厚度大，早期水化熱不易散出，導致結構溫升高；底板、頂板結構暴露面積較大，容易在凝結硬化之前由于失水而產生塑性收縮裂縫。

2.3 施工工藝影響

本工程為明挖法隧道，先澆筑底板，其后澆筑側墻和頂板。其中，側墻結構除了受溫降速率及溫度梯度影響之外，其溫降收縮和自收縮還受其前期澆筑的底板的約束，極易出現豎向、平行分布的貫穿性開裂滲漏。

2.4 外界環境影響

本項目工程量大、施工時間長，金雞湖地區夏季溫度較高，且商砼不具備控溫條件，導致混凝土入模溫度超出規范要求，水泥水化速率顯著加快，結構溫升增加，溫降收縮加大容易導致裂縫，外界環境的氣溫也會對施工造成影響，當環境溫度驟降時，則會導致溫度應力增大，溫度收縮導致裂縫，此外，混凝土的干縮也會由于濕度下降而出現，引發干燥收縮導致裂縫。

3 金雞湖隧道大體積混凝土施工中混凝土裂縫和溫度的控制要點

3.1 材料的選擇

為實現上述隧道主體結構混凝土抗裂性能控制指標，混凝土原材料應符合如表1所示的要求[2]。

3.2 混凝土配合比

應用于金雞湖隧道工程主體結構的C35 混凝土膠凝材料總量不小于400kg/m3，其中水泥用量不高300kg/m3，細集料采用II 區中砂要求的河砂，砂率為38～44%，粗集料采用連續級配碎石，比例根據實際情況調整，滿足最小堆積空隙率要求。在混凝土中摻入適量活性礦物摻合料如優質粉煤灰、礦粉具有提高混凝土保水性、流動性，減少水泥用量，使混凝土硬化后結構密實，提升后期強度、改善抗滲、抗凍等耐久性能的優勢，但不利于混凝土抗碳化的性能，且與普通硅酸鹽水泥混凝土相比，大摻量礦渣混凝土粘性增加，坍落度和擴展度降低，還存在自收縮大的問題，導致混凝土結構抗裂性與工作性下降。因此，考慮到本工程混凝土的抗碳化、工作性與抗裂需求，需控制礦物摻合料的最大摻量，宜單摻粉煤灰，不摻或少摻（不超過10%）礦粉，對于開裂風險高的側墻結構，宜單摻粉煤灰，不摻或少摻礦粉。結合類似工程經驗，側墻混凝土開裂風險最高，頂板次之，底板開裂風險最小，因此對于側墻、頂板與底板結構混凝土在采用較低水膠比、摻加優質摻合料的基礎上分別摻入8%、6%與4%的HME?-V 混凝土（溫控、防滲）高效抗裂劑，擬在獲得良好工作、力學與耐久性能的同時，具有符合要求的抗裂性能。具體的混凝土配合比如表2所示，由蘇州嘉達混凝土制品有限公司提供。

表1 混凝土原材料性能控制指標

表2 隧道主體結構C35P8 混凝土配合比（kg/m3）

3.3 混凝土入模溫度控制

高溫季節施工時，蘇州市嘉達混凝土制品有限公司提供的混凝土降溫措施包括原材料降溫、加冰拌合、運輸過程中的保溫、合理的澆筑時間選取等，以滿足入模溫度控制要求。

采購的骨料提前進場入庫儲存，在砂石遮陽棚的基礎上，采用噴淋和霧炮機對料場內的砂石料進行噴水和噴霧降溫，冷水溫度不超過10°C，每日噴淋2 至3 次。混凝土采取了制冰機制取冰片，使用了片冰代替部分拌合用水加入攪拌機，單方混凝土片冰用量不少于40kg，且根據氣溫及混凝土入模溫度實測結果調整加冰量。嘉達混凝土制品有限公司在專罐儲存金雞湖隧道所使用的粉料的基礎上，對進站高溫粉料進行提前儲存并設置中間倉儲存倒運，同時在儲罐表面涂刷隔熱涂層材料且在攪拌機棚內安裝降溫噴霧設備，將棚內溫度控制在25°C以下。運輸車采用隔熱布包裹，并噴灑冷水對罐體及泵管進行降溫。施工現場設置調度人員，根據澆筑情況調配兩側罐車卸料次序及嘉達混凝土拌合站是否攪拌，避免混凝土因罐車在現場停留時間過長而升溫。應對施工進度提前計劃安排，選取合理的澆筑時間，選擇在夜間氣溫比較低的時段（夏季施工時取當日晚20:00 至次日上午8:00）澆筑，避免白天高溫天氣。充分考慮運輸、泵送對混凝土溫度的影響，根據工藝試驗確定運輸、泵送對混凝土溫度的影響，結合實際條件采取必要措施以滿足設定的入模溫度要求。若某項原材料溫度較難控制時，可加強其他方面的溫控措施，最終達到入模溫度控制要求；其他季節砂石骨料溫度有所下降，經試驗入模溫度超出控制要求時，仍應采用冷水拌合或加入冰屑。

冬期施工時，混凝土入模溫度應滿足行業標準JGJ/T 104《建筑工程冬期施工規程》的有關規定。

3.4 冷卻水管設置

當氣溫較高且入模溫度無法滿足要求時，應在厚度為1.2m、1.4m 的隧道主體結構側墻中設置冷卻水管，具體措施如下。

（1）采用管徑不小于40mm、壁厚2～3mm 的鐵管。

（2）水管厚度方向單根布置，豎向間距不大于1m，且表層水管距離混凝土表面不小于0.5m，單根冷卻水管累計長度不大于200m。

（3）每個管路進行單獨編號，設置獨立的開關、流量計，以便于開關冷卻水、調整流量。冷卻水采用季節常溫水，通水過程中控制水溫與混凝土溫差不大于25°C。

（4）在混凝土升溫階段，盡快帶走熱量，削減溫度峰值，因此控制升溫階段冷卻水流量不低于1m/s。在降溫階段，通過降低冷卻水進水流量直至關閉，來控制降溫速率，使內部緩慢勻速降溫，冷卻水流量宜不超過0.5m/s，具體流量應根據降溫速率監測情況進行控制，注意防止溫度回升。根據實體監測結果，總結形成相關工藝參數，在二次監測驗證反饋的基礎上，形成最終冷卻水管技術工藝，用于后續施工。

（5）選擇合適的冷水水管接頭工藝，采取套絲連接（水管轉彎處采用帶墊圈的彎頭連接）或全焊接工藝，防止混凝土在澆筑振搗時出現冷卻水管漏水及泥漿滲入水管而無法正常工作的現象[3]。

（6）采用扎絲等可靠措施將冷卻水管與鋼筋綁扎牢固，防止受其他因素影響導致移位。混凝土澆筑時應采取合理的布料方式，確保冷卻水管不發生移位。

（7）為保障冷卻水管技術效果，按照高度方向從下到上的次序設置冷卻水入口、出口。

（8）應按要求提前準備好包括水泵、蓄水池、分流器在內的冷卻循環水系統。

（9）冷卻水管安裝完成后立即進行水壓試驗，檢驗是否存在漏水及阻水現象。在混凝土正式澆筑前提前至少2h 再次通水，以檢查由于鋼筋綁扎等因素造成冷卻水管有無漏水。在混凝土澆筑前或澆筑過程中啟用冷卻水管并通水，一方面，通水時間越早冷卻水管降溫效果越好，若待混凝土凝結后再進行通水，此時混凝土已開始進入快速升溫階段，導致冷卻水管最終降溫效果有限。另一方面，若冷卻水管采取PE 管時，由于其剛度不足，若不提前通水充盈則可能被周圍澆筑的混凝土壓癟，容易出現阻水情況，最終導致冷卻水管無法正常工作。

（10）混凝土澆筑后，如因特殊原因，出現冷卻水管不能及時通水或中斷后再通水的情況，為避免冷卻水突然對內部混凝土造成冷擊，冷卻水與混凝土內部的溫差不超過25°C。

（11）水冷卻降溫結束后，冷卻水管應及時進行壓漿封堵，壓漿材料應采用不低于混凝土強度等級的微膨脹砂漿或凈漿。

3.5 混凝土澆筑

混凝土澆筑是整個施工當中的重點環節，為減少裂縫，要對重點施工結構部位、施工工藝等制定針對性施工方案，具體如下。

（1）按照規范檢測頻率對混凝土進行坍落度測定并制作混凝土試塊，觀察混凝土的和易性要符合要求。混凝土澆筑時入模坍落度宜控制在160～190mm，含氣量控制在（2.5±0.5）% 。

（2）減小已澆筑完成的混凝土對新澆筑的混凝土收縮的約束。利用混凝土“干縮濕脹”的特性，在上部分側墻及頂板混凝土澆筑前，對已澆筑的下部混凝土上表面采用清水浸泡處理，使混凝土充分吸水濕脹，從而達到減小對新澆筑混凝土收縮約束的目的[4]。

（3）混凝土自由傾落高度如大于2m 時，宜采用串筒、溜管或者振動溜管等輔助工具，避免混凝土出現離析。在串筒出料口的下面，混凝土堆積的高度不宜超過1m，且嚴禁用振動棒來分攤混凝土。澆筑底板時，將串筒用鋼絲繩固定在底板鋼筋上不用提升，當澆筑墻體時，可適時提升串筒，以保持混凝土傾落高度不超過2m。

（4）混凝土拌合物分層澆筑，單層澆筑厚度為300～500mm，分層間隔澆筑的時間不超過混凝土的初凝時間。

（5）底板澆筑采用斜面分層、自然流淌、薄層澆搗、連續澆筑等方法。澆筑時由底板較低部位的中間位置向兩側澆筑，逐漸向較高一端進行澆筑。從一頭澆筑嚴格控制澆筑的間隙，間隙時間不大于1.5h。

（6）根據混凝土的拌合物特性以及混凝土結構來選擇適當的振搗方式和振搗時間。豎向澆筑式結構采用插入式振搗器進行振搗，插入的間距不大于振搗棒振動作用半徑一倍，插入的深度要穿透澆筑厚度至下層混凝土約0.5m 處，與側模保持0.5～1m 的距離。表面振動器移位間距，應使振動器平板能覆蓋已振實部分1m 左右為宜。根據混凝土坍落度和振搗的部位，振搗時間宜控制在10s～30s 內，做到快插慢拔，避免漏振、過振。加強對倒角結構部位的振搗，延長振搗時間至30s 左右，同時慢慢拔出振搗棒，拔到一半時停留幾秒，將氣泡引出，然后繼續拔出振搗棒，保證拆模后的混凝土的外觀，隨著混凝土澆筑的工作向前推進，振搗也相應跟上，確保混凝土的質量。

（7）澆筑的混凝土部位振動時，振動到該部位混凝土密實為止，密實標志為混凝土停止下沉，不再冒氣泡，表面平坦、泛漿。

（8）澆筑底板結構時，每臺混凝土泵車出料口要配3臺以上振搗棒，分三道布置：第一道布置在出料點，讓混凝土形成自然流淌坡度；第二道布置在坡腳處，讓混凝土下部密實；第三道布置在斜面中部，斜面上各點嚴格控制振搗的時間、移動的距離和插入的深度。

（9）頂板澆筑時混凝土縱向澆筑順序與底板墻身相同，頂板混凝土橫向澆筑順序為先將剩余墻身澆筑完成，之后按每層300～500mm 厚分層澆筑。

（10）為控制頂板面層的標高和坡面的平整度，采用標高控制條進行控制。澆筑混凝土前，應復核標高控制條標高，進行澆筑，標高控制條應在混凝土平倉后取出，并立即逐條收面平整。

（11）中管廊橫隔板混凝土全斷面應一次性澆筑到位。澆筑時，采用地泵泵送工藝，施工工藝及要點與底板混凝土澆筑相同。

（12）振搗混凝土時，振動棒不得碰撞模板，更不得卡住鋼筋進行振搗，注意避開冷卻水管以及相關監測元件。

（13）對澆筑后的混凝土進行二次振搗，排除混凝土因泌水在粗集料、水平鋼筋下部形成的水分和空隙，提高混凝土和鋼筋的握裹力，使結構混凝土的抗拉強度提升，從而提高抗裂性。二次振搗的恰當時間為混凝土振搗后尚能恢復到塑性狀態的時間，實際施工中將運轉著的振搗棒靠其自身重力逐漸插入混凝土中進行振搗，混凝土在振搗棒慢慢拔出時能自行閉合，不會在混凝土中留下孔穴，此時施加二次振搗是宜最的[5]。

（14）混凝土澆筑過程中，應采取措施防止受力鋼筋、定位筋、預埋件等位移和變形，并及時清除混凝土表面的泌水。

（15）底板、頂板混凝土表面宜在初凝后終凝前進行二次抹壓，減少表層由于水分蒸發導致的塑性收縮裂紋。

4 混凝土養護與監測

4.1 混凝土養護

養護措施的應用，能對大體積混凝土的內外溫差加以控制，確保溫差符合設計要求，這也是提高施工質量的關鍵環節，在完成混凝土的澆筑和振搗后，及時拆模以及養護處理，金雞湖隧道的主體結構拆模時間應根據混凝土的強度和溫度歷程發展綜合進行確定，墻體結構宜在混凝土達到溫峰后的1 d 內拆模，隨后立即采取外保溫養護措施，控制降溫速率≤3°C/d，拆除外保溫措施時混凝土中心溫度與環境溫度之差不超過15°C。頂板拆模時混凝土強度應達到設計強度的100%。針對立面混凝土難以有效保溫和保濕養護，可采取如圖2所示的自粘式養護材料。該材料由防護層、保溫層、保濕層以及自粘材料構成，可根據實體結構散熱條件進行定制，并且可以多次重復利用。混凝土拆模后，可自由貼合于混凝土表面，實現混凝土溫降速率的有效控制[6]。

圖2 自粘式保溫保濕養護材料示意圖及應用效果圖板式結構（含大體積側墻頂部）

混凝土澆筑完成后應立即進行抹面，在初凝前，宜噴霧或噴水分蒸發抑制劑養護，不應進行灑水、蓄水養護。混凝土終凝后可采取覆蓋、蓄水等養護措施（冬季施工時不能直接蓄水），控制混凝土內外溫差≤15°C，養護水溫與混凝土表面溫度之差≤15°C，養護時間不少于14d。應關注混凝土養護過程中的氣溫驟降情況，根據溫度歷程監測結果，及時采取必要的保溫措施，預防冷擊裂縫。

4.2 混凝土監測

應對結構混凝土收縮變形、溫度等性能進行實體結構溫度監測，一方面對結構混凝土抗裂性進行有效評估，另一方面指導精細化施工（如拆模時間、保溫措施等），最終實現設計、材料、施工等的閉環控制。混凝土澆筑體內監測點的布置，應真實地反映出混凝土澆注體內最高溫升、里表溫差、降溫速率、環境溫度及混凝土變形。

實體結構混凝土溫度與變形的監測，應根據工程進展需求確定，對于典型工況條件下的施工（如首件施工、設置冷卻水管等）應加強測點布置，具體如下。

（1）在單個隧洞底板、頂板的中心沿厚度方向，上、下表面各布置1 個溫度計、厚度中心位置布置1 個應變計。

（2）墻體長度方向1/2 處沿高度方向在底部中心、中部中心、頂部中心沿長度方向各布置1 個應變計，在中部中心對應的內、外面各布置1 個溫度計。

（3）當設置冷卻水管時，高度方向上下層冷卻水管中心布置1個應變計，在循環水入口及出口處各布置1個溫度計。

當工藝參數固定、開始規模化施工時，可按如下方案布置測點：①在單個隧洞底板、頂板的中心沿厚度方向，上表面布置1 個溫度計，厚度中心位置布置1 個應變計；②墻體長度方向1/2 處沿高度方向在中部中心沿長度方向布置1 個應變計，在對應的外面布置1 個溫度計；③當設置冷卻水管時，高度方向上下層冷卻水管中心布置1 個應變計，在循環水入口及出口處各布置1 個溫度計。

此外，溫度傳感器是溫度監控中的關鍵設備，應提供必要的通電、監測設備保護等措施。

5 結語

通過金雞湖隧道主體結構大體積混凝土施工裂縫控制要點進行分析，我們應該從施工開始到結束的全過程當中采取針對性措施，加強對裂縫和溫度的控制，落實混凝土施工的相關規定及標準，確保隧道工程建設的順利實施。