沉管隧道管節(jié)大體積混凝土溫控檢測及防裂措施

蔡 杰

(中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510290)

1 工程概況

某工程沉管段隧道總長492 m，橫截面設(shè)計寬30.40 m，高8.70 m，截面面積為264.48 m2，雙向六車道，一共有4個長管節(jié)和1個短管節(jié)，縱向分4段，在南岸獨立干塢內(nèi)分二次預(yù)制，管段之間采用柔性接頭，各管段安裝和最終接頭施工完成后，管段長度組成為(123 m+123 m+123 m+123 m)。由南向北管段編號為E1、E2-1+E2-2(短管節(jié))、E3、E4；其中E1、E3、E4預(yù)制長度均為123 m；E2-2為短管節(jié)，長3.5 m，E2-1長度為117 m，E2-2和E3在干塢內(nèi)預(yù)先拉合，形成一體進(jìn)行浮運(yùn)沉放；最終接頭設(shè)置在E2-1和E2-2之間，長2.5 m，是水中接頭。管段之間采用柔性接頭，各管段安裝及最終接頭施工完成后管段長度組成為(123 m+123 m+123 m+123 m)。

車陂隧道設(shè)計采用整體式管節(jié)，結(jié)構(gòu)剛度較大，雖采用全斷面澆筑工藝，但混凝土體積方量大，混凝土水化熱溫升高、收縮大，因此開裂發(fā)生的幾率隨之增大[1]。所以，車陂隧道工程使用全斷面一次性整體澆筑的方式，該工藝曾在港珠澳大橋島隧工程中運(yùn)用過[2]，其第一次被應(yīng)用于內(nèi)河沉管隧道工程中。現(xiàn)階段，沉管隧道管節(jié)澆筑作業(yè)可以通過分段分層或者全斷面澆筑施工。采用分段分層澆筑方式，兩次新澆混凝土收縮時間不一致，易導(dǎo)致豎向裂縫，而車陂隧道選擇的全斷面澆筑則可消除該裂縫。

2 溫度監(jiān)測與控制技術(shù)

2.1 溫控測試與信息化施工

為了保證隧道管段預(yù)制施工質(zhì)量、控制溫度裂縫缺陷出現(xiàn)概率，綜合考慮相關(guān)因素后，該沉管隧道工程使用JTM-2型溫度巡回檢測系統(tǒng)，科學(xué)編制溫度控制方案，并以此為指導(dǎo)于管段澆筑施工時埋設(shè)熱電偶溫度計，實現(xiàn)動態(tài)跟蹤監(jiān)測點溫度，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理與分析，精準(zhǔn)掌握評價施工工藝，優(yōu)化施工。采用信息化現(xiàn)場溫度控制系統(tǒng)操作簡單、覆蓋范圍廣，還實現(xiàn)了高精度和高靈敏性的施工監(jiān)控與數(shù)據(jù)收集，提高了管理的信息化與智能化水平。

在底板和頂板倒角處、邊墻這幾個位置處分別預(yù)埋內(nèi)側(cè)、外側(cè)及中心3個測溫元件，并依據(jù)布點設(shè)計方案對預(yù)埋件采取固定和保護(hù)處理措施，防止后續(xù)混凝土施工時碰撞到預(yù)埋件，進(jìn)而降低預(yù)埋件的穩(wěn)定性。立足現(xiàn)場實際，以混凝土水化熱發(fā)展情況為參考，合理調(diào)整溫控監(jiān)測與防裂測試的頻率，先將測試間隔時間設(shè)置成1 h，再調(diào)整至2 h，混凝土溫度梯度降低后調(diào)整至4 h，混凝土溫度降低速率降至較低水平后，將測試間隔調(diào)至12 h，最后調(diào)整至24 h。混凝土施工14 d后，檢測人員根據(jù)實際的檢測數(shù)據(jù)確定是否需要繼續(xù)監(jiān)測，一般情況下30 d后混凝土溫度與環(huán)境溫度差距已經(jīng)較小，可終止溫度檢測。

2.2 開裂風(fēng)險評估

車陂隧道工程沉管混凝土等級為C40P10，單個沉管節(jié)段的尺寸為長×寬×高=16.2 m×30.4 m×8.7 m，采取全斷面連續(xù)式設(shè)置后澆帶的澆筑工藝，后澆帶寬度為1.60 m，單個節(jié)段混凝土采用“分層澆筑、一次到頂”的施工工藝。

2.3 沉管開裂風(fēng)險評估

2.3.1 溫度場模擬計算

按照沉管節(jié)段實際澆筑尺寸建立有限元模型，并劃分網(wǎng)格和進(jìn)行有限元計算，再依據(jù)有限元計算獲取混凝土澆筑后0～7 d中：①沉管混凝土于不采用冷卻水管的情況下，混凝土中心溫度在54 h達(dá)到峰值，具體為67.9℃，內(nèi)表溫差在66 h達(dá)到最大，最大值為24.9℃；②沉管混凝土在采用冷卻水管的情況下，混凝土中心溫度在36 h達(dá)到峰值，具體為62.6℃；內(nèi)表溫差在66 h達(dá)到最大，最大值為19.2℃。

2.3.2 自約束應(yīng)力評估

基于澆筑的混凝土內(nèi)表溫差的模擬結(jié)果來明確混凝土各齡期的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，對內(nèi)表溫差導(dǎo)致的混凝土自約束應(yīng)力展開計算，最后計算得到各齡期自約束應(yīng)力的抗裂安全系數(shù)Kz。無冷卻水管情況下，混凝土澆筑后自約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)都>1.15，因此，由自約束應(yīng)力導(dǎo)致的混凝土開裂風(fēng)險較低。通過有限元模擬計算結(jié)果可知，隧道沉管混凝土澆筑后受自約束應(yīng)力和外約束應(yīng)力影響而產(chǎn)生的溫度裂縫及收縮裂縫概率較小。根據(jù)溫度模擬計算結(jié)果來看，不設(shè)置冷卻水管的情況下，沉管內(nèi)部最高溫度達(dá)67.9℃，在布設(shè)冷卻水管的情況下，沉管的內(nèi)部最高溫度為62.6℃，均滿足≤70℃的指標(biāo)要求，沉管混凝土內(nèi)表溫差也均符合≤25℃指標(biāo)的要求。采用冷卻水管可使混凝土內(nèi)部最高溫度下降約5℃～6℃。

分析開裂風(fēng)險評估的結(jié)果可知，在不布設(shè)冷卻水管時沉管混凝土開裂風(fēng)險比較低；在設(shè)置冷卻水管后沉管開裂風(fēng)險依然較小。綜合來說，采用冷卻水管對降低沉管混凝土的開裂作用有限。因此，可考慮取消冷卻水管。

根據(jù)模擬計算結(jié)果來看，混凝土入模溫度為30℃時，在不布置冷卻水管的情況，沉管的內(nèi)部最高溫度、內(nèi)表溫差均滿足規(guī)范要求；分析開裂風(fēng)險評估的結(jié)果可知，在此工況下混凝土的開裂風(fēng)險仍不高。因此，可將入模溫度從設(shè)計規(guī)定的不超過28℃放寬至不宜超過30℃。

根據(jù)大量的實體構(gòu)件溫度監(jiān)測及裂縫控制效果來看，混凝土內(nèi)部的最高溫度高并不可怕，內(nèi)表溫差也不是造成構(gòu)件開裂的主要因素，干燥收縮及溫降過程中構(gòu)件受到約束導(dǎo)致的外約束應(yīng)力過大才是導(dǎo)致構(gòu)件開裂的主要原因。因此，應(yīng)主要從減小外約束應(yīng)力、提升混凝土抗拉強(qiáng)度方面入手，提出控裂措施。

2.4 溫控效果分析

混凝土絕熱溫升按照式(1)計算：

(1)

式中，Tt為混凝土齡期為t時的絕熱溫升，℃；W為混凝土的膠凝材料用量；Q為膠凝材料水化熱總量，Q=k1·k2·Q0，Q0可按照3 d和7 d水化熱數(shù)據(jù)求得，具體可依照式(2)計算；c為混凝土的比熱，取0.96 kJ/(kg·℃)；ρ為混凝土容重，取2 370 kg/m3；m為與水泥品種、澆筑溫度等有關(guān)的系數(shù)，取1.46 d-1，可根據(jù)式(3)計算；t為混凝土齡期，d。

(2)

m=(k1+k2-1)(AλWc+B)

(3)

式中，k1為粉煤灰摻量對應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)；k2為礦粉摻量對應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)；A、B為與混凝土施工入模溫度有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)表1取內(nèi)差值；如果入模溫度<10℃或>30℃時，按10℃或30℃選取；λ為修正系數(shù)；Wc為單方硅酸鹽水泥用量。

表1 不同入模溫度對m的影響度

常見P·Ⅱ42.5R水泥水化熱總量Q0=330.0 kJ/kg，作為有限元模擬計算用值。當(dāng)膠凝材料總用量達(dá)到400 kg/m3，取摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)k1=0.95和k2=0.922 5來計算，得到混凝土的膠凝材料水化熱總量287.93 kJ/kg。

3 隧道沉管典型施工段裂縫控制措施

采用大體積混凝土的模型試驗，實時監(jiān)測入模溫度、混凝土中心溫度、表面溫度、內(nèi)表溫差、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，明確沉管混凝土結(jié)構(gòu)中溫度應(yīng)力場的分布情況，便于制定裂縫控制措施。試驗研究的目的如下。

1)驗證試驗室優(yōu)選的高抗裂沉管混凝土配合比的工作性能、力學(xué)性能、耐久性能及體積穩(wěn)定性，檢驗混凝土的施工性能。

2)監(jiān)測模型施工期的溫度和應(yīng)變，為進(jìn)行車陂沉管混凝土結(jié)構(gòu)有限元仿真分析參數(shù)選取和溫度控制指標(biāo)的確定提供參考。

3)通過模型試驗的施工總結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度控制措施，為車陂隧道沉管混凝土的溫度控制積累經(jīng)驗。

4)檢驗?zāi)０逋克⒚撃┍壤盎炷镣庥^情況。

5)檢驗各施工班組的準(zhǔn)備和配合情況。

在模型試驗研究基礎(chǔ)上，結(jié)合模擬計算結(jié)果和工程實際，提出主體沉管混凝土的溫度控制指標(biāo)、溫度控制措施、混凝土澆筑工藝、養(yǎng)護(hù)工藝等。

3.1 沉管配合比及原材料性能

1)水泥：P·Ⅱ42.5R，華潤水泥(平南)有限公司，表觀密度3 120 kg/m3，比表面積375 m2/kg，初凝和終凝時間分別是139、209 min，3 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為33.2、53.2 MPa。

2)粉煤灰：廣州運(yùn)宏粉煤灰綜合開發(fā)有限公司，表觀密度2 200 kg/m3，F(xiàn)類Ⅱ級粉煤灰，45 μm方孔篩篩余26.2%，需水量比100%。

3)礦粉：鞍鋼S95礦渣粉，表觀密度2 870 kg/m3。

4)砂：東江中砂，表觀密度2 660 kg/m3，含泥量0.6%，泥塊含量0.2%，細(xì)度模數(shù)2.8。

5)碎石：5～10 mm,廣東省惠州市博羅金業(yè)石場，表觀密度2 720 kg/m3；5～25 mm,惠州博羅金業(yè)石場，表觀密度2 650 kg/m3，針片狀含量4%，壓碎指標(biāo)值5%，含泥量0.8%，泥塊含量0.1%。

6)外加劑：蘇博特緩凝型聚羧酸減水劑，密度為1 043 kg/m3，堿含量2.3%，含固量14.5%，減水率27%(摻量2%)，氯離子含量0.008%，pH為5.3。

7)水：飲用水。

配制混凝土?xí)r，在符合混凝土強(qiáng)度及其性能的基礎(chǔ)上應(yīng)減少水泥和膠材用量。宜選用緩凝型混凝土，其28 d收縮率比≤90%，具體緩凝時間應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境、施工條件、原材料性能通過試驗確定。

3.2 施工工藝

3.2.1 溫度傳感器布置和溫度控制方法

1)溫度傳感器布置。溫度傳感器溫度采集頻率。根據(jù)溫控方案在施工場地設(shè)置埋入式溫度傳感器，接入溫度采集儀，實現(xiàn)溫度監(jiān)控內(nèi)外部效度統(tǒng)一，每小時采集一次溫度數(shù)據(jù)。

2)溫度控制方法。保證入模混凝土的溫度不高于30℃。靈活應(yīng)用溫度監(jiān)控、循環(huán)冷卻系統(tǒng)與加強(qiáng)混凝土入模溫度控制多種手段，控制混凝土最高溫度，避免其超出70℃的最高溫度允許范圍。收集溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，精確計算混凝土的內(nèi)表溫差，具體可采取減小內(nèi)部最高溫度、采用外部保溫養(yǎng)護(hù)手段來管控，防止內(nèi)表溫差>25℃。

3.2.2 混凝土施工

1)混凝土的施工準(zhǔn)備與養(yǎng)護(hù)：做好混凝土澆筑作業(yè)的準(zhǔn)備工作，檢查模板是否存在縫隙與雜物，涂抹脫模劑以便后續(xù)脫模，回收模板。混凝土結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)方式為保水養(yǎng)護(hù)膜濕潤后+土工布覆蓋緊貼灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間在14 d以上。

2)下料：沉管混凝土下料從中間開始逐漸向兩端推進(jìn)，采用分層澆筑混凝土的施工工藝，確保每層混凝土澆筑沉管混凝土下料澆筑的高度約為500 m，以混凝土下料澆筑施工規(guī)范為指導(dǎo)實施作業(yè)。若混凝土的下料高度>2 m應(yīng)安裝下料導(dǎo)流管，從下料導(dǎo)流管勻速下料，以確保漿體與石料保持一致，規(guī)避蜂窩麻面施工缺陷。混凝土振搗以振搗棒為主，振搗方式為逐點振搗，檢查振搗質(zhì)量，防止出現(xiàn)漏振與過振的現(xiàn)象。

3)澆筑方式：參考構(gòu)件特點控制澆筑高度與澆筑方式，沉管的澆筑方式為全斷面整體式，混凝土采用一次現(xiàn)澆到頂，并根據(jù)澆筑高度與混凝土凝結(jié)的時間調(diào)整澆筑速度，以免出現(xiàn)因分層澆筑混凝土產(chǎn)生的環(huán)向裂縫。

4)坍落度：混凝土澆筑作業(yè)實施至表面層后，需要主動控制混凝土的坍落度，保證保持在設(shè)計規(guī)范值范圍內(nèi)。同時，在混凝土初凝后及時養(yǎng)護(hù)，降低塑性裂縫的出現(xiàn)概率。

4 結(jié) 語

實施全斷面整體式的澆筑方式，沉管混凝土受到的約束應(yīng)力相對較小，但可能受到不均勻收縮、溫度應(yīng)力等因素的影響而產(chǎn)生裂縫缺陷。因而，技術(shù)人員要靈活應(yīng)用各項施工技術(shù)與施工工藝，確保管段各部位的混凝土澆筑質(zhì)量，同時加大混凝土養(yǎng)護(hù)力度，以此提升沉管大體積混凝土的溫度控制與抗裂防滲性能，保證隧道工程的建設(shè)質(zhì)量。

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