明挖城市道路隧道工程中高性能混凝土的应用

明挖城市道路隧道工程中高性能混凝土的应用

0隧道结构的混凝土中国的地下工程，尤其是明代的隧道工程，每天都在增加。对于主要隧道结构的混凝土，从结构强度和抗渗防水角度来看是基本的。笔者所在单位主持设计的城市道路隧道,多下穿城市中心的湖泊、江河等水系,因此对结构混凝土的要求相对较高,设计要求结构采用高性能混凝土作为最根本的防水防线。目前,在国际工程界,对于高性能混凝土的理解莫衷一是。但在地下工程,特别是明挖隧道的结构中,设计工程师一般都希望采用具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土,这也是CECS207—2006《高性能混凝土应用技术规程》对高性能混凝土的要求。现以笔者单位设计的一些隧道工程为例,来介绍近年来国内城市明挖隧道工程高性能混凝土技术的应用。1南京玄武湖隧道1.1混凝土高性能技术1性能主要指标由于隧道穿越湖泊及城市中心的多处重要建筑,当时从防水和结构耐久性角度出发,设计对混凝土具体提出了抗渗等级(≥P8)、强度等级(≥C30)、抗碳化(以理论计算达到100年)、抗冻融指标(>D300)、60d干燥收缩率(≤0.025%)和裂缝宽度(≤0.2mm且不允许出现贯穿)等技术要求。其中抗冻融指标是作为耐久性指标提出的;60d干燥收缩率的要求也是国内工程较少提到的,这是控制混凝土体积稳定性的重要指标。2抗裂防渗增强剂混凝土材料配制混凝土时,选用一级粉煤灰等作为矿物掺料,替代部分水泥充当混凝土的胶凝材料,并严格限制水胶比(≤0.45);添加JM-Ⅲ型高性能抗裂防渗增强剂,此材料集补偿收缩、减水和抗渗于一体,提高了混凝土的耐久性。施工中,控制混凝土入模坍落度和温度,提出混凝土浇筑和拆模的具体要求,并要求所有混凝土必须采用保温保湿的养护。矿物掺料的掺入是大体积混凝土施工的关键,混凝土外加剂的选择在当时也是通过科研比选确定的,施工结果显示隧道结构主体的混凝土达到了设计要求的高耐久性、高工作性和高体积稳定性。1.2外墙支模方案确定以往明挖隧道侧墙模板通常采用对拉螺栓固定,但由于本隧道深处湖底且工期很紧,要保证每根对拉螺栓都不渗水几乎不可能。因此,设计要求模板工程不得使用对拉螺栓。通过专题研究,决定湖底段外墙支模采用胶合板面板加木枋作背楞的散拼模支模。根据“内撑外顶”的思路,设计提出内模采用钢管扣件,外模采用对夹的型钢组合桁架支撑的方案,如图2所示。此措施大大降低了因对拉螺栓造成的渗漏隐患,从而提高了高性能混凝土的可靠性,加快了施工进度。2混凝土检测方法由于隧道周边土质以淤泥质粉质黏土为主,针对土层含水量高、压缩性大的特点,混凝土的技术要求及措施在借鉴玄武湖隧道成功经验的基础上,作了以下调整:1)要求混凝土的渗透系数K≤1.0×102)采用“双掺”混凝土,即采用普通硅酸盐水泥、优质磨细粉煤灰和粒化高炉矿渣微粉等胶凝材料;具体配制时,必须明确普通硅酸盐水泥中混合材料的品种与用量(尤其是矿渣含量)。从此条隧道开始,在隧道工程的设计中提出了混凝土渗透系数和氯离子扩散系数的检测指标,用来反映混凝土的抗渗性及耐久性。氯离子扩散系数检测方法主要有自然扩散法和快速电迁移法(RCM法)。其中,自然扩散法测定的指标值较为接近工程实际,但检测周期漫长;RCM法测定指标检测周期短,更能满足施工工期的要求,但要有相对多的样本和经验。3系高效减水剂的应用九华山隧道是南京城市快速内环东线的一个重要节点,图4所示为该隧道峒口。九华山隧道全长约2.8km,包括明挖段和山岭隧道暗挖段,本文只讨论明挖法区段。本隧道于2005年10月通车。九华山隧道同样于南京玄武湖下穿过,在参考南京玄武湖隧道设计经验的基础上,根据当时的技术发展,又作了以下调整:1)取消了膨胀剂,采用新型的聚羧酸系高效减水剂作为外加剂;2)以横向施工缝为分隔,采用“跳仓”的方式浇筑混凝土,进一步减少混凝土收缩对结构的影响。高性能混凝土外加剂的选择是混凝土成败的关键因素之一。以往的隧道工程,混凝土外加剂通常采用膨胀剂,利用补偿收缩来减少混凝土收缩裂缝,然而膨胀剂对养护要求极高,这与日益严峻的工程进度要求相悖。本隧道首次采用了聚羧酸系高效减水剂作为混凝土外加剂,该外加剂集减水、保坍、减缩等功能于一体,有延缓水泥水化放热和降低放热速率峰值、降低内部收缩应力的功效。与膨胀剂及一般的萘系减水剂相比,其具有以下优势:1)减水率大。混凝土的用水量大大下降,使得混凝土结构更为致密,提高了混凝土抗渗性能;另外,碳化深度等指标也大大降低。2)表面张力小。可以大幅度降低混凝土毛细管的表面张力,从而降低混凝土的干燥收缩。3)大的减水率和低的表面张力还使得混凝土具有高强度(减水性降低用水量,低的表面张力改善硬化混凝土的孔结构)。不但早期增强效果很明显,而且中后期强度增长也很稳定,混凝土的收缩率比基准都有降低。聚羧酸系高效减水剂的应用,从很大程度上解决了混凝土由于多余的水而引起的各种病害。4混凝土施工技术苏州独墅湖隧道为全长3.5km的城市道路隧道,是苏州工业园区南环路东延工程东西向穿越独墅湖的重要节点,于2007年10月通车。图5为独墅湖隧道主线横断面图。本隧道的防水设计充分考虑了软土地基、水头压力高、隧道体量大、工程建设周期短等各种不利因素。在混凝土自防水设计中,设计具体提出了抗渗等级、强度等级、长期致密、抗氯离子侵蚀、抗碳化等要求。施工中,严格控制混凝土的胶凝材料、粗细骨料、水等原材料的质量,采用优质磨细粉煤灰等活性粉料作掺和料并严格限制水胶比(≤0.45);添加聚羧酸系高效减水剂,同时对混凝土施工提出了具体的控制温度、养护、振捣等要求。本隧道首次用氯离子扩散系数和电通量双重检测方法来验证混凝土的耐久性。氯离子扩散系数用自然扩散法检测,并将其作为混凝土耐久性的最终评价标准,同时采用周期较短的混凝土电通量检测,作为施工过程中的质量控制指标。根据国内外同类工程的经验,混凝土电通量的指标定位≤2000C。5制定质量要求出于景观效果及工期的双重考虑,本隧道敞开段的内侧墙面采用了无装饰层的清水混凝土。为确保清水混凝土的施工质量,设计提出应对本工程的清水混凝土进行专题研究,经过多次试验,最终确定了清水混凝土的原材料、配合比、浇筑、养护等方面的一系列要求,重点解决了模板和混凝土配比及浇筑两大工艺的施工难点。6结构混凝土自防水无锡太湖大道隧道是将太湖大道地面道路改地下隧道的工程,主线西起金匮桥东引桥,上跨运河东路后下穿报业路,连续下穿太湖广场、清扬路、通扬路、知足港、古运河、大窑路、塘南路、新竹立交、冷渎港、长江北路,然后隧道出峒接广南立交。主线隧道全长4050m,是当时国内最长的明挖公路隧道。本隧道于2011年4月通车。图7为太湖大道隧道主线横断面图。本隧道有一段结构是利用原有的铁路下立交(即新竹立交),而此下立交的通行能力仅能满足单孔两车道的最低限界要求,是整条隧道的宽度限界瓶颈。隧道工程地处闹市区,为节省地下空间,隧道在满足行车限界后,不再预留侧墙装饰的空间。因此隧道只能采用无需装饰层的清水混凝土,并要求符合JGJ169—2009《清水混凝土应用技术规程》中“饰面清水混凝土”的要求。由于本隧道防水等级为一级,设计使用年限为100年,且混凝土侧墙因为限界的缘故不能设置内装饰层,隧道通车后一旦结构出现渗漏水,便会直接反映在无装饰面层遮挡的隧道侧墙上。为尽量避免上述情况的发生,设计要求本隧道采用的清水混凝土必须具有高抗渗性和高耐久性,将混凝土抗渗与耐久结合考虑,以完善结构混凝土的自防水。为了解决清水混凝土要求、施工进度要求、不能采用对拉螺栓要求等问题,结构设计人员采用了大型定型钢模板,如图8所示。太湖大道隧道工程金塘桥下盖挖顺作段,因为缺少振捣混凝土的空间,所以采取了自密实混凝土作为结构内衬。设计主要依据CECS203—2006《自密实混凝土应用技术规程》,采用等级为二级。通过项目专题研究,确定自密实混凝土的配合比设计、耐久性检测等。7混凝土施工性能1)地下工程结构高性能混凝土不能简单地视为普通商品混凝土,应根据工程实际情况,设计、制定混凝土技术要求及技术措施,经专题研究后才能由混凝土搅拌站生产、施工。2)高性能混凝土的检测应予以高度重视,要根据不同的工程,制定不同的检测指标,这是结构混凝土评价乃至主体结构评价的重要依据。至于混凝土强度、抗渗等级等,已经不是高性能混凝土的主要控制指标了。3)高性能混凝土外加剂的选择、模板技术的应用,是高性能混凝土成败的主要决定因素。这两方面要认真设计,并在施工阶段贯彻执行。混凝土的施工性能,要特别引起参建各方的重视,只有良好的施工性能,才能保证结构混凝土的高质量、高性能。4)加强施工现场的监管力度,从工序、工艺两个方面进行混凝土质量控制,往往能够收获事半功倍的效果。玄武湖隧道位于南京市玄武区,西起模范马路,东至新庄立交,全长约2.66km。隧道穿过玄武湖、明城墙和中央路,到达芦席营路口后在南京工业大学附近出地面,隧道于2003年4月通车。图1所示为玄武湖隧道峒口。西湖隧道位于杭州市湖滨地区的西湖景区内,分东西两线,西线全长1415m,东线全长1335m。隧道采用双孔箱涵结构形式,线路沿环城西路,平行于西湖堤岸穿过西湖。本隧道于2003年10月通车,图3为杭