金雞湖隧道主體結構混凝土收縮裂縫預防技術與應用

李甫寧，付順義，高俊，張堅，徐文，陳紅星，賀飛

[1.蘇州工業園區城市重建有限公司，江蘇 蘇州320500；2.浙江天成項目管理有限公司，浙江 杭州310005；3.中鐵十四局集團第二工程有限公司，山東 泰安271000；4.江蘇省建筑科學研究院有限公司 高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京210008；5.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京211103；6.悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，江蘇 蘇州215101]

0 引言

蘇州金雞湖隧道主線全長5352 m，是目前國內最長的明挖法城市湖底公軌共建現澆隧道，其中湖中段采用鋼板樁圍堰，三階梯放坡開挖施工，最大深度約13 m，結構斷面寬度39.9～44.27 m，厚度1.0～1.2 m，強度與抗滲等級C35P8，采用支架法、分步澆筑施工工藝，每67.5 m設置變形縫，分段長度約17 m。本隧道工程施工跨越四季，設計尺寸較大，防水要求高，受材料、結構、環境、施工等耦合因素影響，混凝土易在早期就因收縮、約束等原因導致應力集中，出現貫穿性開裂，嚴重影響結構滲透性與耐久性，甚至危及車輛通行安全[1-3]，因此控制開裂與滲漏，提升結構剛性防水，實現防水與使用年限的同周期壽命是保障城市湖底隧道建設品質的重大需求。

目前控制混凝土裂縫方法主要包括材料與施工兩方面，材料方面主要從選擇優質原材料，大摻量礦物摻合料優化配合比，添加功能性外加劑如膨脹劑，減縮劑，內養護材料等措施降低混凝土水化放熱量與收縮[4-7]。施工方面主要從控制入模溫度、布置水管冷卻，縮短一次澆筑長度及相鄰結構間歇差，全斷面施工等技術降低混凝土約束與溫度[8-10]。金雞湖隧道主體結構施工有其自身特殊性，采用商品混凝土澆筑，高溫施工不具備加碎冰、風冷骨料等控溫條件，僅能通過骨料遮陽、夜間澆筑控制混凝土入模溫度，且受工期壓力及工藝限制無法全部采用水管冷卻降溫及全斷面澆筑，降低結構開裂風險面臨巨大的挑戰與難度。為此，本文立足于金雞湖隧道建設實際現狀，從開裂定量理論評估、材料與施工防裂方法、主體結構抗裂混凝土制備以及工程應用和成效方面等展開研究，以期為后續施工提供參考。

1 總體思路

為根本解決金雞湖隧道主體結構抗裂防滲難題，全面控制收縮應力低于抗拉強度，采用經濟合理技術措施進行開裂預防，確保控制過程有據可依，根據主體結構施工工況與特點，制定裂縫控制總體技術路線，如圖1所示。基于混凝土“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合抗裂性評估方法[11]，將實際材料、結構、環境及施工等參數代入模塊進行水化、溫濕度及變形應力場計算，通過調整參數取值基于應力準則控制開裂風險系數≤0.7，優化材料、工藝及溫控技術指標，尋找與制定最優的裂縫預防方法，即包括材料與施工措施，材料上通過原材品質控制，采用溫控膨脹裂縫控制技術制備高抗裂混凝土，降低早期收縮開裂風險，施工上通過降低一次澆筑長度，控制入模溫度，保溫保濕養護等進一步提升抗裂性實現主體結構混凝土控裂目標。

圖1 金雞湖隧道主體結構裂縫控制總體技術路線

2 技術方案

2.1 主體結構開裂風險計算與評估

基于混凝土“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合開裂風險評估理論[11]，建立金雞湖隧道主體結構全斷面三維有限元分析模型（見圖2），仿真計算過程中，結構混凝土施工期開裂風險以開裂風險系數η（收縮主拉應力與抗拉強度比值）作為評價依據[12]，具體見式（1）：

圖2 金雞湖隧道主體結構全斷面三維網格模型

式中：σ（t）——t時間混凝土收縮主拉應力，MPa；

f（t）——t時間混凝土抗拉強度，MPa。

開裂風險評判準則：一般認為η>1.0時混凝土一定會開裂；0.7<η≤1.0時混凝土存在較大的開裂風險；η≤0.7時混凝土基本不會開裂，不開裂保證率≥95%。

經計算，夏季高溫施工金雞湖隧道湖中主體結構不同部位混凝土開裂風險見圖3。

圖3 結構部位對開裂風險系數的影響

由圖3可知，施工期主體結構混凝土開裂風險從小到大依次為底板、頂板與側墻，最大開裂風險系數分別為0.8、1.26與1.43，側墻與頂板結構開裂風險系數已超1.0，一定產生裂縫，而底板開裂可能性也較大。為尋求最佳、且經濟實用的解決方法，以湖中開裂風險較高側墻為例，量化評估了高溫施工時材料性能、分段長度、入模溫度等關鍵因素對側墻混凝土（厚度1.0 m）開裂風險系數的影響，典型計算結果見圖4～圖6。

圖4 混凝土膨脹量對開裂風險系數的影響

圖5 澆筑長度對開裂風險系數的影響

圖6 入模溫度對開裂風險系數的影響

由圖4～圖6可知，隨混凝土膨脹量增加、分段長度和入模溫度降低而開裂風險系數減小。當混凝土入模溫度控制在35℃、絕熱溫升≤45℃時，即使分段長度降至12 m，開裂風險系數仍超1.0。而采用抗裂混凝土時，分段長度17 m，最大開裂風險系數在0.7附近，且隨入模溫度的降低而進一步減小。

2.2 主體結構防裂控制技術

2.2.1 原材料及混凝土抗裂性能指標

根據不同結構開裂風險量化評估結果，同時結合圖紙設計要求以及相關國家、行業標準與規范，從提升材料抗裂性方面，提出金雞湖隧道主體結構原材料選用要求及混凝土抗裂性能控制指標。

水泥：硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，比表面積宜≤350 m2/kg，堿含量≤0.6%，C3A含量≤8%，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求；粉煤灰：F類Ⅱ級及以上，符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求；礦粉：S95級，比表面積宜≤450 m2/kg，符合GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》要求；砂：中河砂，Ⅱ區顆粒級配，含泥量≤3.0%，泥塊含量≤1.0%，符合GB/T 14684—2011《建設用砂》要求。石：5～25 mm連續級配，堆積孔隙率比≤45%，符合GB/T 14685—2011《建設用碎石卵石》要求；減水劑：收縮率比≤100%的聚羧酸高性能減水劑，符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》和GB 50119—2013《混凝土外加劑應用技術規范》要求；抗裂劑：限制膨脹率符合GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》中Ⅱ型品要求，初凝后水化熱降低率1 d≥30%、7 d≤15%。

配合比：最大膠凝材料總量不超過400 kg/m3，側墻、頂板結構宜單摻粉煤灰，底板結構可雙摻煤灰與礦粉，摻和料總量不宜超過50%。

絕熱溫升：7 d絕熱溫升值不高于45℃，側墻混凝土初凝后24 h絕熱溫升值不大于7 d值的50%。

變形性能：側墻、頂板和底板混凝土28 d自生體積變形分別不低于0.020%、0.010%和0.005%。

2.2.2 施工控制方法

在原材料選用及混凝土抗裂性指標提出的基礎上，考慮現有施工經濟性、可行性以及商品混凝土現有控溫條件，進一步結合開裂風險分析結果，以抑制貫穿性開裂為設計導向，以控制關鍵技術節點為核心，通過多種施工方案的比較與優選，確定金雞湖隧道主體結構施工抗裂工藝控制要求（見表1）。

表1 金雞湖隧道主體結構施工抗裂工藝控制要求

2.3 主體結構抗裂混凝土配合比設計及關鍵性能

優選原材料質量，測試關鍵品質指標如下。水泥：P·O42.5，比表面積363 m2/kg，礦粉：S95級，比表面積438 m2/kg，28 d活性指數114%；粉煤灰：F類Ⅱ級，比表面積398 m2/kg，需水量比96%；抗裂劑：溫控膨脹高效抗裂劑，主要由多聚糖水化溫升抑制材料[13-14]、氧化鈣與輕燒活性氧化鎂膨脹組分復配而成，匹配實體結構溫度、收縮等性能發展；砂：細度模數2.6天然砂，含泥量1.7%、泥塊含量0.73%；碎石：5～26.5 mm連續級配潔凈碎石；減水劑：PCA高性能聚羧酸減水劑，收縮率比97%。

在符合JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》體積法設計原則上，根據商混站原材料特性，在開裂風險相對從低到高的底板、頂板及側墻中摻加4%，6%及8%的溫控膨脹抗裂劑進行配合比設計優化，控制混凝土溫升與收縮，經設計金雞湖隧道主體結構各部位配合比見表2。

表2 金雞湖隧道主體結構底板、頂板及側墻結構混凝土配合比 kg/m3

2.3.1 熱學性能

采用美國TA公司生產的TAM-AIR等溫微量熱儀，按照主體結構混凝土配合比中膠凝材料組成進行水化放熱試驗，結果見圖7。

圖7 膠凝材料的水化放熱性能

由圖7可知，與基準相比，摻加溫控膨脹抗裂劑不同程度地降低了早期水化放熱速率和放熱量，且放熱峰值延遲，基準最大放熱速率為2.63 mW/g，當抗裂劑摻量分別為4%、6%和8%時，最大放熱速率分別為2.08、1.50和1.02 mW/g，最大降幅可達60.1%，相應地，1 d放熱總量降低率分別為17.6%、40.8%和58.1%，而7 d累計放熱量降低幅度最大不超7.5%。可見溫控膨脹抗裂劑通過對水化的干預降低早期放熱量，延長熱釋放時間，可降低主體結構混凝土溫升與收縮應力。

2.3.2 體積穩定性

采用φ100 mm×400 mm的PVC管成型試件，用石蠟密封測試混凝土自由體積變形，結果見圖8。

圖8 主體結構混凝土的自生體積變形性能

由圖8可知，對于不加抗裂劑的基準混凝土，由于膠凝材料水化反應、濕度降低等產生宏觀體積收縮，初期收縮速率較快，隨養護齡期延長，體積變形發展變慢，直至基本穩定。28、90和150 d自由收縮分別為-110.0、-152.5、-155.4με。而對于主體結構抗裂混凝土，因抗裂劑收縮補償早期產生明顯體積膨脹，當抗裂劑摻量由4%提高至8%時，最大膨脹值從84.2 με增加至260.1με，后期變形值下降幅度也不斷減小，150 d補償自生收縮后，底板、頂板與側墻混凝土仍有1.6、144.9、239.8με膨脹變形，收縮補償效果良好。

依據GB/T 50082—2009《普通土凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試混凝土自由干縮變形（見圖9）。

圖9 主體結構混凝土的干燥收縮變形

由圖9可知，標準養護條件下，無論基準還是抗裂混凝土隨齡期延長均表現為收縮，摻入溫控膨脹抗裂劑可顯著降低混凝土干縮變形，改善體積穩定性，摻量增加，抑制效果越顯著，當養護28 d齡期時，主體結構底板、頂板與側墻混凝土干縮收縮降低率分別為8.5%、24.7%和46.0%，養護至48 d齡期時，干燥收縮降低率分別為8.2%、21.4%和42.4%，表明在主體結構中應用抗裂混凝土可有效降低干縮裂縫風險。

3 主體結構實際應用與效果分析

在理論評估、技術方案制定及主體結構抗裂混凝土制備研究的基礎上，以金雞湖隧道中段開裂風險較高的側墻（厚度1.0 m）為例，驗證成套技術的實用性與可靠性。澆筑前在側墻底部（距離導墻上表0.5 m）及中部中心位置埋設應變計，外表面布置溫度計，采用表2中側墻混凝土配合比施工，嚴格控制入模坍落度≤200 mm，澆筑完成頂表面蓄水保溫保濕，當中心溫度峰值過后1 d內拆模，拆除后立即噴水潤濕（水溫不宜超實時溫差15℃）粘貼塑料膜保濕，然后懸掛2層厚土工布保溫，溫度與變形實測結果如圖10、圖11所示。

圖10 主體結構側墻混凝土的實測溫度歷程

圖11 主體結構側墻混凝土的實測應變歷程

由圖10可知，混凝土經運輸、泵送后入模溫度約30.0℃，澆筑后水化累計放熱中心最高溫升31.0℃，外表面與底部受現澆結構與鋼模板散熱影響，最高溫升分別為21.1、27.3℃，中心與外表面、環境溫度最大實時差值分別為12.1、38.1℃，滿足技術方案中內外溫差不超20.0℃要求，溫峰值出現時間為1.05～1.29 d，開始降溫后外表面與中心8 d平均降溫速率分別為2.73、3.85℃/d，略超方案要求，約在澆筑9 d左右內部溫度基本穩定。

由圖11可知，升溫期，混凝土因放熱效應與抗裂劑膨脹產生顯著體積變形，變形值大小與測點位置、方向等約束環境緊密相關，中心厚度與長度方向最大變形分別為693.0με與249με，底部長度方向最大變形161.2με，單位溫升膨脹分別為24.84、8.98、6.8με/℃，降溫期，單位降溫收縮分別為11.22、6.73、5.31με/℃，監測曲線無跳躍開裂點，經受住進一步降溫收縮考驗，持續觀察跟蹤亦未出現貫穿性收縮裂縫，與未采取控制措施同類型、同期澆筑結構對比，防裂效果顯著。

4 結 語

（1）考慮金雞湖隧道結構、材料、環境與施工等影響作用因素，基于混凝土“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合機制模型進行量化評估，以抑制貫穿裂縫為設計導向，通過抗裂性參數化分析與比選，采用開裂風險系數不超0.7的控制準則，尋求最優、經濟合理的解決方法，提出材料與施工裂縫控制技術指標與方案。

（2）采用溫控膨脹雙重調控原理對開裂風險不同的結構部位進行抗裂混凝土專項設計研究，結果表明，溫控膨脹抗裂劑對早期水化影響干預可降低實體結構溫升及收縮應力，同時產生顯著的體積膨脹，降低干縮變形，實現全過程收縮精準調控，降低開裂風險。

（3）將成套實用技術應用于提升主體結構側墻抗裂施工，同時建立嚴格保障管理制度配合執行，結果表明，中部中心最高溫升為31.0℃，表面最高溫升為21.1℃，峰值出現時間分別為1.29 d與1.05 d，通過溫升、降溫期間膨脹與收縮值控制，變形曲線無跳躍開裂點，并經受住氣溫下降進一步收縮考驗，持續觀察數月未出現貫穿性開裂現象，實現既定目標。