深中通道西人工島現澆隧道大體積混凝土控裂技術

徐波，王德亮，劉帥，鄭偉濤

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

深中通道西人工島現澆隧道結構設計復雜，混凝土外觀質量要求高，結構設計使用壽命100 a，耐久性要求較高。單次混凝土澆筑體量大，且現場施工處于外海深基坑內，作業環境苛刻。結構后期長期處于海洋環境中，抗滲及防水性能要求高，因此對大體積混凝土控裂技術提出了較高的要求。

根據本工程實際情況，采取理論論證與現場典型施工相結合的方法，通過對混凝土分段澆筑、混凝土配合比及智能溫控的研究與實施，形成了完備的外海人工島大體積混凝土現澆隧道控裂技術。

1 工程概況

深中通道西人工島現澆隧道分為暗埋段與敞開段，其中暗埋段隧道全長175 m，分為4段（CW1—CW4），每個結構段間設置1道變形縫，單段長度為30～60 m，西人工島現澆暗埋段平面布置見圖1。

隧道結構采用單箱雙室管廊箱型的結構形式，混凝土強度等級為C50（56 d），頂底板厚140～160 cm，側墻厚130～150 cm，中隔墻厚度80 cm，橫斷面為漸變結構，寬46～74.45 m。現澆隧道標準斷面見圖2。

圖1 深中通道西人工島現澆暗埋段隧道平面布置圖（cm）Fig.1 Layout of cast-in-situ buried tunnel in the west artificial island of Shenzhen-Zhongshan Link(cm)

圖2 現澆隧道標準斷面圖（cm）Fig.2 Standard section of cast-in-situ tunnel(cm)

2 控裂技術研究

2.1 分段分層澆筑工藝

西人工島現澆隧道采用明挖法施工，由于結構復雜且尺寸龐大，施工作業空間有限，整體一次性澆筑成型難以實施，且質量控制存在較大難度。為此，根據結構受力、防水要求及現場實際施工條件，采用分段分層澆筑方式。根據類似工程經驗，側墻長度方向的中部截面受到的水平應力與溫降和墻體高度有關[1]，運用有限元軟件模擬分析，計算不同分段長度的混凝土溫度應力，結果見表1。根據理論計算可知縱向分段長度縮短對結構控裂相對更為有利，因此確定按照縱向15 m進行分段。與此同時，按照跳倉法進行隧道結構段施工，統籌結構控裂及模板工藝。

表1 不同分段長度的混凝土溫度應力計算結果Table 1 Calculation results of temperature stress of concrete with different section length

結合類似工程現澆暗埋段隧道分層澆筑工藝經驗[1]及有限元模擬分析，分別對不同的分層方案進行分析，具體分層方式有：

1）底板、墻體及頂板分3次進行澆筑。

2）底板一次澆筑，中墻第2次澆筑，側墻與頂板整體澆筑。

3）底板與側墻整體澆筑，頂板二次澆筑。

有限元分析計算結果表明，采用底板與側墻整體澆筑，有利于降低墻身開裂風險。同時，墻身的薄壁柔性特性，對頂板的約束作用相較較小。為此，擬定對水平施工縫設在隧道結構頂板加腋下方50 cm處，墻體與底板一次澆筑成型的分層工藝。水平施工縫設置方式見圖3。

圖3 現澆隧道豎向分層施工示意圖Fig.3 Diagram of vertical stratification construction of cast-in-situ tunnel

2.2 混凝土配合比優化

現澆隧道大體積混凝土配合比設計除滿足工作性、設計強度和耐久性能外，還應該具有較好的抗裂性和體積穩定性。為保證混凝土的施工質量，針對降低混凝土水化熱及提升混凝土早期抗拉性能，對配合比進行優化。其中，對不同比例組合礦物摻合料水化熱進行測試，篩選水化熱較低、工作性好及后期干縮較小的膠凝材料組合，部分組合測試結果如表2所示，最終擬定的配合比見表3。同時，選擇骨料粒徑5～25 mm的反擊破碎石[2-3]提升混凝土的抗拉強度，降低早期開裂風險。

表2 不同摻合料下的膠凝體系水化熱試驗結果Table 2 Experimental results of hydration heat of cementitious system with different admixtures

表3 混凝土配合比優化Table 3 Optimization of concrete mix ratio kg·m-3

2.3 溫控措施

2.3.1 混凝土入模溫度控制

各項原材料均對混凝土出機溫度有影響，混凝土入模溫度在條件允許的情況下應盡可能的降低。為有效控制混凝土出機溫度，采取了一系列溫控技術措施。

1）拌合站設置制冰機及冷水機

西人工島上安裝2臺3 m3自動計量拌和站，并配套1臺制冰機及儲冰庫，選用2臺冷水機。制冰機在高溫季節可保證按照60 kg/m3加冰量向拌合物中摻入碎冰，冷水機組可確保拌合用水水溫為4～5℃。

2）粉料原材料溫控措施

為降低粉料溫度，配置備用大型儲料倉，確保粉料提前進場，現場擱置降溫。同時在粉料罐設置環形冷卻水管，安裝低霧噴頭，并與冷水機組冷卻水聯通。混凝土澆筑前持續噴淋冷水于罐體表面，利用蒸發吸熱持續降溫。

3）骨料溫度控制措施

設置遮陽的砂石料倉，料倉頂部安裝噴淋系統。在拌合站料倉開口部位設置升降式卷簾門，并在拌合站側面安裝工業級冷風機。

4）混凝土原材料溫度監測系統

拌合站利用信息化手段及監測芯片對混凝土原材料溫度及出機溫度進行全過程監測，確保數據具有全過程可追溯性。

5）控制混凝土運輸溫升

為減小混凝土在運輸、澆筑過程中溫度的上升，在罐車罐體上包裹保溫布，并灑水降溫。施工過程中混凝土出機與入模溫度如表4所示。

表4 混凝土平均出機及入模溫度Table 4 Average temperature of the concrete out of machine and into mold ℃

2.3.2 混凝土內部溫度控制

施工前期通過有限元建模對多種循環冷卻水管布置方案進行開裂風險分析，擬定水管布置間距及層距。有限元模型見圖4。在結構中設置冷卻循環水系統，結合溫度監測系統，可起到降低混凝土內部最高溫度，從而達到降低混凝土內表溫差、減小降溫收縮的目的[4]。

圖4 有限元模擬分析Fig.4 Finite element simulation analysis

2.3.3 大體積混凝土智能溫控系統的應用

大體積混凝土智能溫控系統主要包括：現場溫度信息實時顯示、溫控技術措施提示、冷卻循環水智能控制3部分功能。在混凝土澆筑前安裝溫度傳感器，開始澆筑時，無線采集器開始采集各個溫度傳感器的溫度數據，由無線數據中繼器匯總，儲存到云服務器中，溫度數據可實時查看。

混凝土結構的各溫度監測點顯示的溫度信息主要有：混凝土內部最高溫度、混凝土表面溫度、混凝土內表溫差、混凝土表面與環境溫差、混凝土與冷卻水最大溫差、降溫速率，共6個溫度指示[5]。同時，通過編制溫度預警及溫控技術措施提示程序模塊，并預先設定溫度控制指標，對云服務器中混凝土各溫度監測點的溫度數據進行檢索、分析、判斷，對于超出溫控指標的溫度監測點發出預警信息，并提示應采取的溫度控制技術措施[5]。

2.3.4 混凝土拆模及養護

混凝土側墻模板拆模前，結合混凝土內表溫差及混凝土表面與大氣溫差監測情況，確定合理的拆模時機，夏季布置噴淋水管，進行噴淋養護，冬季溫度較低時覆蓋保溫棉進行保溫，及時覆蓋保溫養護是控裂的有效措施[6-8]。

2.3.5 混凝土溫控及裂縫觀測情況

通過上述措施，混凝土的入模溫度、溫峰及溫升值均得到良好控制。同時根據后期裂縫觀測，僅局部出現個別不規則長度較短表層裂縫，無明顯有害裂縫發生，裂縫控制效果顯著。

3 結語

1）現澆隧道結構進行分段分層澆筑，并采用跳倉澆筑的工藝，是結合隧道結構尺寸及大體積混凝土控裂需求所制定的總體施工工藝，在施工過程中，有效縮短了施工工期，便于形成作業流水，同時在一定程度上縮短了分次澆筑的時間間隔，有效保證了隧道結構施工質量，提高了施工工效。

2）進行大體積混凝土溫度應力有限元模擬計算，并通過計算結果制定科學合理的循環冷卻方案，降低混凝土水化熱溫峰及內外溫差。優化循環冷卻水管布設，滿足抗裂安全性需求，并兼顧現場可實施性。安裝信息化混凝土溫度監測系統及智能化循環水自動調節系統，根據大體積混凝土溫度控制需求，動態控制冷卻循環水流量、流速及流向，有效避免了由人工進行溫控的各種弊端和不足，提高了裂縫控制的效率，是大體積混凝土溫控技術發展方向。

3）利用系統化的控裂方案，實現了現澆隧道既定控裂目標，保證了隧道結構自防水目標實現，為沉管對接創造了良好條件。

4）通過對現澆隧道大體積混凝土控裂技術的研究，總結出一套完備的外海人工島大體積現澆隧道控裂技術，達到了預期的控裂效果，確保了混凝土施工質量，也為后續類似工程提供借鑒。