現(xiàn)澆隧道裂縫控制大尺寸模型試驗(yàn)研究

高健岳，藺威威，谷坤鵬，劉思楠，張君韜

（中交上海港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

隨著城市道路交通的日益發(fā)展，地上空間趨向飽和，地下空間亟需開發(fā)利用，建設(shè)隧道工程的需求日益增加[1-2]。湖底隧道常用明挖現(xiàn)澆法施工，考慮澆筑混凝土大方量和支護(hù)情況限制，底板與側(cè)墻結(jié)構(gòu)多采用分開澆筑的方式，由于不同步澆筑引發(fā)的收縮開裂問題，常常使側(cè)墻每間隔2～5 m 出現(xiàn)1 條豎向裂縫，呈規(guī)律性分布[3-5]。為控制側(cè)墻裂縫開展，國內(nèi)外從大體積混凝土的受力狀態(tài)、原材料配合比及施工技術(shù)層面做了大量的研究[6-9]。其中，傳統(tǒng)的冷卻水管布設(shè)因施工簡便、降溫顯著等優(yōu)點(diǎn)常應(yīng)用于工程施工，但控制不同步收縮裂縫效果并不理想。

為此，鑒于降低新老混凝土結(jié)合面溫差[10-12]，補(bǔ)償不同步澆筑約束影響的角度，提出新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)，即利用后澆筑混凝土結(jié)構(gòu)自身水化熱通過水管聯(lián)通加熱先澆筑混凝土的技術(shù)原理抑制裂縫開展，并設(shè)計(jì)抗裂模型尺寸，結(jié)合施工工藝進(jìn)行應(yīng)用研究，為現(xiàn)澆隧道主體結(jié)構(gòu)控裂提供參考。

1 新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)開發(fā)

新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)（圖1）主要包括供水系統(tǒng)、聯(lián)通系統(tǒng)、自動監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。它主要基于新型水管布設(shè)結(jié)合循環(huán)水控制系統(tǒng)，通過聯(lián)通不同步澆筑混凝土結(jié)構(gòu)，充分利用上部新澆筑結(jié)構(gòu)混凝土自身水化放熱，經(jīng)過循環(huán)水系統(tǒng)的水循環(huán)，加熱下部后澆筑混凝土，平衡分步澆筑混凝土的溫度場，減小新老混凝土之間的綜合溫度差異，調(diào)節(jié)上下部混凝土的彈性模量差異，從而大幅度縮小下部混凝土對上部混凝土的約束作用，降低了混凝土不同步收縮和溫度應(yīng)力的影響。

圖1 新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)技術(shù)原理圖Fig.1 Schematic diagram of self-balancing system of new and old concrete temperature field

2 抗裂模型

2.1 模型建立與材料參數(shù)

基于太湖隧道主體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)抗裂模型結(jié)構(gòu)尺寸，模型長10 m，寬5.1 m，底板、側(cè)墻、頂板厚均為1.3 m（圖2）。

圖2 抗裂模型尺寸設(shè)計(jì)（mm）Fig.2 Dimensional design of crack-resistant model(mm)

按照設(shè)計(jì)尺寸建立三維有限元結(jié)構(gòu)，采用順序熱力耦合分析方法即先計(jì)算溫度場，后將溫度數(shù)據(jù)作為預(yù)定義場進(jìn)行計(jì)算應(yīng)力場。采用笛卡爾坐標(biāo)系，按照0.3 m 進(jìn)行劃分網(wǎng)格，側(cè)墻共劃分1 848 個(gè)網(wǎng)格。采用1.6 cm 厚木模板，底部設(shè)置20 cm 厚C30 混凝土墊層。環(huán)境溫度取30～38 ℃，絕熱溫升取40 ℃，自生變形取-100 με。

混凝土入模溫度取28 ℃，表1 為具體混凝土熱力學(xué)物理參數(shù)取值。邊界約束條件為底部墊層全約束，澆筑層之間利用TIE 連接。

表1 混凝土熱學(xué)物理參數(shù)Table 1 Thermal physical parameters of concrete

2.2 開裂風(fēng)險(xiǎn)分析

利用MODEL CHANGE 功能實(shí)現(xiàn)底板、側(cè)墻、頂板分步澆筑，設(shè)置澆筑間隔時(shí)間（分析步）為30 d，計(jì)算結(jié)果得知，側(cè)墻混凝土結(jié)構(gòu)為最大開裂風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)。澆筑2 d 時(shí)，側(cè)墻內(nèi)部出現(xiàn)最高溫度57.1 ℃，側(cè)表溫度為39.6 ℃，最大內(nèi)表溫差約為19.2 ℃；澆筑完成30 d 時(shí)，側(cè)墻混凝土與底部收縮不同步影響顯著，在側(cè)墻長度方向底部出現(xiàn)最大拉應(yīng)力2.33 MPa，根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]定義的抗裂評估標(biāo)準(zhǔn)可知開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為0.97，大于控制系數(shù)0.7，亟需針對結(jié)合面約束問題采取控裂措施。

2.3 隧道新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于表1 熱力學(xué)參數(shù)，建立水管模型結(jié)構(gòu)，管徑取40 mm，流速取2 m/s，自澆筑混凝土覆蓋水管時(shí)進(jìn)行通水，通水周期按照72 h 考慮。水管對流系數(shù)取740 kJ/（m2·h·℃）。并將水管采用與右側(cè)結(jié)構(gòu)綁定的方式，以實(shí)現(xiàn)溫度平衡的仿真效果。

通過對不同水管布設(shè)方案的多次仿真計(jì)算，采用如下方案：側(cè)墻水管縱橫向間距均為300 mm，側(cè)墻布設(shè)6 層水管，最下層水管距離結(jié)合面為300 mm，底板布設(shè)4 層水管，最上層距離結(jié)合面為300 mm（圖3）。圖4 可知，當(dāng)澆筑時(shí)間為2 d時(shí)，左側(cè)側(cè)墻中心出現(xiàn)最大溫度值57.0 ℃，底板溫度由環(huán)境溫度值影響；右側(cè)側(cè)墻中心出現(xiàn)最大溫度值46.0 ℃，底板最大溫度由于上側(cè)側(cè)墻通水聯(lián)通被加熱到41.6 ℃。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的隧道新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)不僅可降低內(nèi)表溫差約11 ℃，還有效補(bǔ)償分步澆筑結(jié)構(gòu)約10 ℃的溫度差約束應(yīng)力，將開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)控制在0.7以內(nèi)，可進(jìn)行抗裂試驗(yàn)開展并研究實(shí)際控裂效果。

圖3 水管系統(tǒng)布設(shè)方案Fig.3 Layout of water piping system

圖4 新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)仿真云圖Fig.4 Simulation cloud diagram of self-balancing system of new and old concrete temperature field

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 混凝土配合比

隧道模型澆筑前，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行絕熱溫升及自生體積變形性能測試，結(jié)合上述有限元設(shè)定熱力學(xué)參數(shù)，采用的混凝土絕熱溫升為42 ℃左右，自生收縮約-100 με，具體配合比如表2 所示。

表2 混凝土配合比參數(shù)Table 2 Concrete mix parameters

采用的水泥密度3 000 kg/m3，比表面積345 m2/kg，堿含量0.43%；采用的粉煤灰密度2 340 kg/m3，需水量比95%；采用的礦粉密度2 800 kg/m3，比表面積413 m2/kg；外加劑采用PCA-IV 聚羧酸減縮、抗裂減水劑，28 d 干燥收縮率比為98%。

3.2 水管連接、安裝與通水

新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)由水管、分水器、循環(huán)水池、流量控制器、監(jiān)測元件等組成，按照設(shè)計(jì)方案布設(shè)水管，采用扎絲等將水管與鋼筋綁扎牢固，水管轉(zhuǎn)彎處采用帶墊圈的彎頭連接，防止水管漏水及水泥漿滲入水管中。

水管安裝完成后即刻進(jìn)行水壓試驗(yàn)，查找是否存在漏水及阻水現(xiàn)象，并在澆筑前在水管中預(yù)先注滿水。側(cè)墻混凝土澆筑覆蓋后約4 h 開始通水，初始水溫約27 ℃，流量約為4 m3/h。水流方向見圖3：水泵5→分流器6 →側(cè)墻入口2→側(cè)墻出口2→側(cè)墻入口3→側(cè)墻出口3→底板入口1→底板出口1→儲水器→水泵5 形成一個(gè)循環(huán)回路，溫度平衡結(jié)束后，及時(shí)用水泥漿對水管進(jìn)行壓漿封堵。

3.3 裂縫控制效果分析

現(xiàn)場模型實(shí)際澆筑時(shí)，側(cè)墻與底板澆筑間隔時(shí)間為25 d，頂板與側(cè)墻澆筑間隔時(shí)間為8 d?；炷翝仓?，為研究新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)的溫度平衡作用，在側(cè)墻與底板長度方向的中部沿高度方向布置溫度計(jì)，且在側(cè)墻表層布置溫度計(jì)用以監(jiān)測內(nèi)表溫差；除此之外，側(cè)墻與底板中部結(jié)合面處沿高度方向布置應(yīng)變計(jì)，研究應(yīng)變發(fā)展規(guī)律。

3.3.1 溫度控制效果

基于新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)的溫度實(shí)測數(shù)據(jù)顯示（圖5），在夏季高溫環(huán)境下，當(dāng)側(cè)墻混凝土澆筑完成40 h 時(shí)，側(cè)墻中部中心最高溫度為46.6 ℃，最大溫升約為19 ℃，最大內(nèi)表溫差約為10.1 ℃，側(cè)墻下部中心溫度為43.1 ℃；結(jié)合面向下15 cm 處最高溫度達(dá)到39.0 ℃，隨著距離的增加，升溫影響較小，分別為6.4 ℃、3.0 ℃和1.4 ℃。由側(cè)墻下部中心和底板頂部溫度曲線計(jì)算可得上下結(jié)構(gòu)結(jié)合面最大溫差為4.6 ℃。

圖5 基于新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)的溫度實(shí)測曲線Fig.5 Temperature measurement curve based on self-balancing system of new and old concrete temperature field

3.3.2 應(yīng)變、裂縫監(jiān)測結(jié)果

側(cè)墻-底板應(yīng)變實(shí)測曲線如圖6 所示。

圖6 側(cè)墻-底板應(yīng)變實(shí)測曲線Fig.6 Curve of measured side wall-floor strain

由圖6 可知，側(cè)墻澆筑完成后，由于水化熱作用結(jié)構(gòu)出現(xiàn)膨脹變形；溫降階段，開始收縮變形；由于后澆筑頂板水化熱聯(lián)通水管使側(cè)墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加熱，出現(xiàn)一定的補(bǔ)償收縮作用；隨著側(cè)墻與頂板距離的接近，作用愈加明顯。側(cè)墻最大應(yīng)變出現(xiàn)在結(jié)合面上方45 cm 處，最大應(yīng)變?yōu)?76 με，30 d 應(yīng)變值為6 με，結(jié)合面下方20 cm 處30 d 應(yīng)變區(qū)域?yàn)椋?37～45）με；30 d 內(nèi)側(cè)墻整體應(yīng)變區(qū)域?yàn)椋?60～180）με；整體抗裂模型澆筑完成后，持續(xù)監(jiān)測6 個(gè)月，僅1 條裂縫產(chǎn)生，出現(xiàn)在底板側(cè)墻結(jié)合面向上1.6 m，寬度為0.15 mm，開裂風(fēng)險(xiǎn)大幅度降低。

4 結(jié)語

1）基于太湖隧道混凝土主體結(jié)構(gòu)尺寸特點(diǎn)，開展了大尺寸（長×寬×高=10 m×5.1 m×6.65 m）的抗裂模型試驗(yàn)，底板、側(cè)墻和頂板厚均為1.3 m，研究了新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)的控裂效果。

2）采用有限元仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)了具體的水管布設(shè)技術(shù)方案，以降低溫差補(bǔ)償不同步收縮控制開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)＜0.7。

3）現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，在高溫30～38 ℃環(huán)境下，提出的新老混凝土溫度場自平衡系統(tǒng)使得模型側(cè)墻混凝土溫峰值降至46.6 ℃，絕熱溫升值降為19 ℃；底板溫度升至39.0 ℃；新老混凝土結(jié)合面最大溫差降至4.6 ℃，最大內(nèi)表溫差降至10.1 ℃；30 d 內(nèi)側(cè)墻整體應(yīng)變區(qū)域?yàn)椋?60～180）με。

4）整體抗裂模型澆筑完成后，持續(xù)監(jiān)測6 個(gè)月，僅1 條裂縫產(chǎn)生，出現(xiàn)在底板側(cè)墻結(jié)合面向上1.6 m，寬度為0.15 mm，開裂風(fēng)險(xiǎn)大幅度降低。