海底隧道C50襯砌混凝土抗裂技術(shù)研究與應(yīng)用*

孟慶余,王 旭,霍 飛,謝 彪,王育江,3

(1.中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300308; 2.高性能土工工程材料國家重點 實驗室,江蘇 南京 211103; 3.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211103)

1 工程概況

海底隧道工程作為一種大埋深、高水壓的隱蔽地下結(jié)構(gòu)工程,受其特殊的工程地質(zhì)、設(shè)計、施工、原材料及氣候環(huán)境等因素的影響,絕大多數(shù)隧道工程都存在不同程度的病害,其中隧道襯砌結(jié)構(gòu)的開裂滲水問題尤為嚴重。某海底隧道全長9 781m,穿越丘陵區(qū)、三角洲相沉積平原區(qū)及海灣海積地貌,隧道地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件復(fù)雜,其中海域段隧道區(qū)為強富海水區(qū),因此要求襯砌結(jié)構(gòu)具有良好的剛性自防水性能[1]。隧道結(jié)構(gòu)主要由下部仰拱、初期支護、防水板和二次襯砌結(jié)構(gòu)組成,整體結(jié)構(gòu)為圓形。其中襯砌混凝土設(shè)計強度等級為C50,對應(yīng)厚度為60cm,襯砌半徑約為7m,具體如圖1所示。

圖1 隧道襯砌斷面示意Fig.1 Section of tunnel lining

根據(jù)工程經(jīng)驗及調(diào)研,普通隧道襯砌混凝土設(shè)計強度等級通常為C30～C40[2-7],本工程海底隧道混凝土設(shè)計強度等級為C50,強度等級較高必然存在膠凝材料用量大、絕熱溫升高、收縮大的問題,且該工程施工區(qū)域一年四季溫度普遍較高,最高氣溫甚至超過40℃,混凝土入模溫度難以控制,襯砌結(jié)構(gòu)厚度雖相較于其他大體積混凝土結(jié)構(gòu)而言較小,但也存在溫升高、開裂風(fēng)險大的可能。其次,施工過程中隧道襯砌早期溫度變形和自收縮受下部仰拱、圍巖等的約束,存在較大的開裂風(fēng)險[8-10]。

2 研究內(nèi)容

研究發(fā)現(xiàn)混凝土的開裂往往是多種因素耦合作用的結(jié)果,非單因素或多因素簡單疊加。目前多因素耦合作用下的混凝土裂縫控制已成為一項重要的研究課題[9,11],本工程襯砌具有強度等級高、截面尺寸大、先澆仰拱混凝土對后澆襯砌混凝土約束大等特點,整體開裂風(fēng)險較高。通過多場耦合機制與模型,對襯砌結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力場及開裂風(fēng)險進行評估計算,根據(jù)計算結(jié)果指導(dǎo)和完善襯砌結(jié)構(gòu)混凝土裂縫控制方案。對襯砌結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力場及開裂風(fēng)險進行評估計算,通過開裂風(fēng)險系數(shù)反映襯砌結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險大小,開裂風(fēng)險系數(shù)用結(jié)構(gòu)混凝土主拉應(yīng)力與極限抗拉強度之比表示:

η=σ(t)/ft(t)

(1)

式中:σ(t)為t時刻的混凝土最大拉應(yīng)力(MPa);ft(t)為t時刻的混凝土抗拉強度(MPa)。

混凝土開裂風(fēng)險評判準則:一般認為η>1.0時混凝土一定會開裂;考慮材料性能波動性,認為0.7<η≤1.0時混凝土存在較大的開裂風(fēng)險;η≤0.7時混凝土基本不會開裂,不開裂保證率≥95%。

2.1 仿真模擬計算工況

結(jié)合現(xiàn)場情況,考慮襯砌結(jié)構(gòu)部位、施工環(huán)境、混凝土性能、施工措施等因素的影響,對高強襯砌混凝土開裂風(fēng)險進行模擬計算。工程地處亞熱帶,因此不考慮冬季施工工況,模板類型為鋼模板,襯砌厚度為60cm,其他主要工況如表1所示。

表1 仿真模擬計算工況Table 1 Simulation calculation conditions

2.2 計算結(jié)果分析

基于多場耦合計算模型,結(jié)合不同工況條件對高強襯砌混凝土開裂風(fēng)險進行計算分析,歸納了混凝土性能、入模溫度及施工工藝等因素對襯砌混凝土抗裂性能的影響,如表2所示。

表2 襯砌混凝土開裂風(fēng)險主要影響因素及影響程度Table 2 Main influencing factors and influencing degree of lining concrete cracking risk

3 襯砌混凝土施工要點

3.1 混凝土性能研究

3.1.1混凝土原材料控制

混凝土原材料性能直接影響混凝土配合比,基于抗裂性考慮,混凝土主要原材料性能需嚴格控制。

1)水泥選用硅酸鹽水泥P·Ⅱ42.5,其性能符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的有關(guān)規(guī)定,且水泥比表面積≤350m2/kg,堿含量≤0.60%,C3A≤8.0%,較高比表面積、堿含量及C3A不利于降低混凝土放熱速率及減小收縮變形。

2)粉煤灰選用I級粉煤灰,其性能符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求,不得采用磨細粉煤灰,優(yōu)質(zhì)粉煤灰對于降低水泥用量及保障混凝土和易性具有重要作用。

3)礦渣粉符合GB/T 18046—2000《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》中規(guī)定S95級及以上的要求,比表面積宜不大于450m2/kg,過細的礦粉不利于混凝土溫度收縮與自收縮控制。

4)骨料應(yīng)選用級配合理、粒形良好、質(zhì)地堅固、線膨脹系數(shù)小的潔凈碎石,其性能符合GB/T 14685—2010《建設(shè)用卵石、碎石》,松散堆積空隙率不宜超過45%。宜選用級配合理、質(zhì)地均勻堅固、吸水率低、空隙率小的潔凈天然II區(qū)河砂或江砂,不得使用海砂、山砂及風(fēng)化嚴重的多孔砂,其性能符合GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》,含泥量不宜超過2.0%。

另外,基于降低混凝土絕熱溫升和自收縮的考慮,配合比中考慮摻入一定量的抗裂功能材料,選用具有水泥水化溫升抑制、復(fù)合微膨脹功能組分的功能材料,水化熱降低率應(yīng)符合JC/T 26081—2021《混凝土水化溫升抑制劑》的要求,限制膨脹率應(yīng)符合T/CECS 10082—2020《混凝土用鈣鎂復(fù)合膨脹劑》的要求。

3.1.2低溫升、低收縮抗裂混凝土配合比設(shè)計

從混凝土材料角度,通過配合比優(yōu)化可對混凝土溫度及變形性能進行調(diào)控,但僅通過簡單配合比參數(shù)調(diào)整的調(diào)控效果有限。因此,在配合比參數(shù)優(yōu)化的同時,通過在混凝土中摻入具有水泥水化溫升抑制、復(fù)合微膨脹功能組分的抗裂功能材料實現(xiàn)混凝土溫度-變形的雙重調(diào)控:①利用水化溫升抑制組分調(diào)控水泥水化進程,通過降低水泥水化加速期的放熱速率,實現(xiàn)在一定散熱條件下混凝土結(jié)構(gòu)溫度場的調(diào)控[9,12];②利用不同膨脹性能的膨脹組分實現(xiàn)分階段、全過程混凝土收縮補償,特別是降低實體結(jié)構(gòu)混凝土溫降階段收縮的調(diào)控行為,可有效解決傳統(tǒng)膨脹補償收縮技術(shù)與實體混凝土溫度計收縮變形歷程不匹配的問題[13-14]。基于此,本研究提出基于大摻量雙摻礦物摻合料(粉煤灰、礦粉雙摻)和抗裂功能材料的低溫升、高抗裂的混凝土配合比方案。結(jié)合前期大量室內(nèi)研究結(jié)果,在滿足設(shè)計、施工等性能的前提下,對比了基準與抗裂混凝土配合比的絕熱溫升及自生體積變形性能,混凝土配合比如表3所示。

表3 C50襯砌混凝土配合比

1)混凝土絕熱溫升 試驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,抗裂混凝土7d絕熱溫升值為46.6℃,與基準混凝土相比降低近5.0℃,且混凝土早期絕熱溫升明顯降低,有利于降低實體結(jié)構(gòu)的溫峰值,從而降低結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險。

圖2 混凝土絕熱溫升數(shù)據(jù)Fig.2 Data of adiabatic temperature rise of concrete

2)混凝土自身體積變形 自收縮可表征混凝土早期自生體積變形發(fā)展趨勢,控制混凝土自收縮的發(fā)展能減少實體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的收縮裂縫,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,基準混凝土自生體積變形自澆筑成型呈持續(xù)收縮狀態(tài),而抗裂混凝土呈持續(xù)膨脹狀態(tài),14d齡期混凝土自收縮分別為-141.6με, 160.4με。

圖3 自生體積變形(常溫條件)Fig.3 Autogenous volume deformation (at ambient temperature)

根據(jù)室內(nèi)熱力學(xué)結(jié)果,從抗裂性角度來看,通過抗裂配合比方案能有效降低混凝土絕熱溫升值及自生體積變形,相較于基準配合比,抗裂配合比有利于提高結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性能。

3.2 混凝土生產(chǎn)與運輸

1)混凝土生產(chǎn) 混凝土拌合站有2條生產(chǎn)線,每盤混凝土攪拌時間≥120s,每條生產(chǎn)線實際產(chǎn)能為30～40m3/h,2條線同時生產(chǎn)時總產(chǎn)能為55～80m3/h,滿足澆筑時混凝土的供應(yīng)需求。

2)混凝土運輸 采用混凝土攪拌車,攪拌車的攪拌罐應(yīng)有保溫或隔熱措施。運輸時間不宜大于120min,坍落度損失應(yīng)控制在允許值內(nèi),以保證混凝土入模坍落度及其灌注的連續(xù)性。同時,混凝土運輸至現(xiàn)場直至澆筑前,當(dāng)出現(xiàn)坍落度損失過大不滿足要求時,可通過二次添加適量減水劑并在攪拌車中快速攪拌不少于3min的方式進行調(diào)整,嚴禁直接加水,如不能恢復(fù)工作性能,不得澆筑入模。

3.3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1溫控措施

1)根據(jù)施工季節(jié)及氣溫的不同,混凝土入模溫度控制分為高溫季節(jié)(通常指當(dāng)年4—11月,≤30℃)和其他季節(jié)(通常指12月至次年3月,≤28℃),必要時加入適當(dāng)冰塊或冰水拌合降溫,盡量選擇在氣溫較低的時段澆筑,避開白天高溫天氣。

2)骨料提前進場入庫儲存,在砂石遮陽棚的基礎(chǔ)上,可采取灑水或霧炮機對料場內(nèi)的砂石料進行噴水或噴霧降溫,建議選用冷水降溫,每日2～3次。

3)在水泥廠專罐儲存的基礎(chǔ)上,對進站高溫粉料進行提前儲存,并設(shè)置中間倉儲存倒運,同時在儲罐表面涂刷隔熱涂層材料。

4)澆筑混凝土?xí)r,為保障混凝土入模溫度滿足要求,需在澆筑時派專人對混凝土入模溫度進行定時跟蹤記錄并及時反饋。

3.3.2抗裂構(gòu)造措施

1)隧道襯砌結(jié)構(gòu)由于受外約束極大,一次性澆筑長度越長,則開裂風(fēng)險越高,因此基于控裂考慮,在施工允許范圍內(nèi)降低一次性澆筑長度能有效減小外約束,有利于裂縫控制,因此采取一次性澆筑長度為12m。

2)在隧道初支與襯砌之間設(shè)置防水板,一方面用于阻擋海水侵蝕,另一方面又能有效減小初支結(jié)構(gòu)與襯砌結(jié)構(gòu)之間的約束,有利于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫控制。

3.3.3實體溫度-應(yīng)變監(jiān)測措施

對結(jié)構(gòu)混凝土收縮變形、溫度等性能進行實時數(shù)據(jù)采集監(jiān)測,可對結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性進行有效評估,同時能指導(dǎo)精細化施工(如拆模時間、保溫措施等),最終實現(xiàn)設(shè)計、材料、施工等的閉環(huán)控制。測點布置如圖4所示,分別為襯砌長度方向1/2距施工縫0.5m處、襯砌長度方向1/2距施工縫2.0m處、距襯砌混凝土表面5cm處。

圖4 監(jiān)測點布置Fig.4 Layout of monitoring points

3.4 襯砌混凝土澆筑與振搗

1)混凝土襯砌澆筑采用全斷面一次成型法施工,混凝土澆筑應(yīng)保持連續(xù)性,如因故中止且超過允許的間歇時間,應(yīng)按施工縫處理。

2)對混凝土拌合物的坍落度進行測定,測定值應(yīng)按(200±20)mm進行控制,混凝土泵送的坍落度不宜過大,以避免離析或泌水。

3)混凝土使用附著式和插入式振搗器振搗,振搗時間以混凝土不再顯著下沉、不出氣泡,并開始泛漿為準。振搗器距模板的垂直距離應(yīng)大于振搗器有效半徑的1/2,并不得觸動鋼筋、預(yù)埋件及監(jiān)測設(shè)備。

4)采取逐窗放料、逐窗振搗方式。臺車澆筑窗口分上、中、下3層左右對稱布置,每層每側(cè)設(shè)置4個窗口,層與層間交錯布置;料斗內(nèi)順線路方向采用焊接鋼板將料斗左右等分,實現(xiàn)兩側(cè)均勻分料;二次襯砌從下到上、左右對稱逐窗澆筑,逐窗振搗,直至拱頂擋頭模板最高處混凝土漿液外溢判定澆筑飽滿后暫停,待10min混凝土自然沉落后,最后進行少量的帶壓澆筑。

3.5 襯砌混凝土拆模與養(yǎng)護

1)拆模時間 澆筑完成后3d拆模,拆模時間不宜過早,避免混凝土溫度較高時拆模表面快速失水及內(nèi)外溫差過大等導(dǎo)致的開裂。

2)拆模后養(yǎng)護 本工程C50混凝土配合比中礦物摻合料較高,拆模后需進行14d保濕養(yǎng)護,以提升混凝土性能,尤其是表層混凝土的抗裂性和耐久性。拆模后表面應(yīng)進行噴淋和灑水等養(yǎng)護措施,使混凝土表面保持濕潤狀態(tài),養(yǎng)護水溫度與混凝土表面溫度之差應(yīng)≤15℃。

4 實施效果對比

從混凝土澆筑開始,對實體結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集,對比了基準段和抗裂段隧道襯砌實體結(jié)構(gòu)中心溫度及應(yīng)變歷程。均在高溫季節(jié)施工,入模溫度控制為28℃,兩組襯砌段溫度、應(yīng)變歷程對比監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 實體結(jié)構(gòu)溫度-變形監(jiān)測結(jié)果對比Fig.5 Comparison of monitoring results of temperature and deformation of solid structure

由圖5可知,抗裂段相對于基準段,其到達溫峰時間延長約16h,溫峰值降低5.8℃,溫升最大值降幅達18.4%;抗裂段溫升階段與基準段相比膨脹變形增幅達1倍以上,襯砌由于受仰拱強約束可在膨脹狀態(tài)下儲存更多的膨脹預(yù)壓應(yīng)力,且在溫降過程中,抗裂段混凝土溫降收縮變形顯著降低,基準段溫降變形速率為-15.3με/℃,而抗裂段溫降變形速率為-10.7με/℃,降幅達30%,有利于減小長度方向上受仰拱強約束的水平向收縮拉應(yīng)力,總體抗裂段混凝土溫升值顯著降低且溫降階段收縮較小,綜合實施后,能有效減少高強襯砌結(jié)構(gòu)非荷載裂縫的出現(xiàn)。

隧道襯砌結(jié)構(gòu)澆筑結(jié)束3d后拆模,現(xiàn)場人員對襯砌外表進行了持續(xù)觀測,結(jié)果表明,基準段拆模后在襯砌左右兩側(cè)中間位置各發(fā)現(xiàn)一條起于施工縫的環(huán)向裂縫,而按照裂縫控制技術(shù)實施的抗裂段做到了完全不開裂,現(xiàn)場情況與計算結(jié)果相符,充分證明了控裂思路和技術(shù)方案的正確性。

5 結(jié)語

1)針對C50高強隧道襯砌混凝土的結(jié)構(gòu)形式和工況特點,通過計算與試驗論述了原材料、配合比優(yōu)化、一次性澆筑長度、入模溫度、拆模時間及保濕養(yǎng)護等措施工藝對結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險的影響,提出了合理的C50隧道襯砌抗裂技術(shù)施工設(shè)計工藝。

2)對比抗裂混凝土與基準混凝土實體溫度-應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù),采用抗裂段襯砌中心溫度從澆筑到溫峰的時間相較基準段延長約16h,最大溫升值顯著降低達18.4%;抗裂段混凝土溫升階段變形增大幅度近1倍,且溫降階段收縮顯著降低達30%,變形調(diào)控效果十分顯著。拆模后進行持續(xù)跟蹤,基準段出現(xiàn)開裂,而抗裂段未出現(xiàn)開裂,解決了C50高強襯砌結(jié)構(gòu)早期開裂難題,保障了工程建設(shè)質(zhì)量及服役壽命。