隧道混凝土工程裂缝控制技术研究

引言随着国家大力发展基础设施建设，地铁、隧道等百年工程越来越多地出现在人们的生活中，大体积混凝土也因此应运而生。然而大体积混凝土由于胶凝材料使用量高，水化热过大，混凝土结构容易开裂，同时市场上砂、石等优质混凝土原材料越来越匮乏，导致混凝土自身的收缩加大，并且施工单位过度的追求施工周期，也在一定程度上不利于裂缝的控制，这些方面叠加在一起导致现在的隧道大体积混凝土结构开裂现象愈发严重。要解决大体积混凝土开裂问题，首先要了解开裂的原因，温度收缩是混凝土结构产生裂缝的重要原因之一，在大体积混凝土结构中尤为明显。温度裂缝主要是由于水泥早期集中水化，水化热在混凝土内部聚集形成温升及温差进而产生的温度应力造成的。因此，要抑制结构温度裂缝，需要降低结构混凝土温升[1]，可以尝试加入具有温度调控作用的温控型膨胀剂，不仅可以产生体积膨胀抵抗混凝土的收缩，同时可以延缓大体积混凝土早期的水化速率，降低温峰值和温峰出现时间，也同步降低了后期温度急剧降低带来的收缩开裂风险。合理设计分段长度、控制混凝土质量和施工水平以及合理选择养护方案对于隧道等大体积混凝土结构裂缝控制也很重要[2]，因此需要针对工程特点和难点提前预测风险点，并制定针对性的技术方案，通过各种措施来解决裂缝问题。工程概况

无锡某隧道是341省道马山至宜兴周铁段工程中的一个重要节点工程，项目全长约7810m，其中敞开段长度620m，暗埋段长度7190m，整个项目湖中段施工较多，长达6750m。如图1所示。项目底板/侧墙厚度绝大多数在1.3～1.5m之间，顶板厚度在1.2～1.4m之间。主体结构防水等级为二级以上，混凝土强度抗渗等级为C40P8。项目采用双孔一管廊形式，孔净宽16.5m，净高5m，主线设计时速100km/h。

图1

某隧道断面图1.1项目特点及难点（1）项目主线隧道底板、侧墙、顶板属于大体积混凝土，原设计结构单段长度25~35m，侧墙分段过长，裂缝控制难度极大。（2）整个项目湖中段长度占整个隧道长度的85%以上，采用围堰模式封闭施工，暗埋段占主体长度的92%以上，施工难度较大，对结构自防水要求更高。（3）项目绝大部分主体采用台车一体化浇筑，侧墙和顶板同时施工，侧墙受到基础底板、顶板以及地下连续墙的约束，开裂风险极高。（4）台车下部采用液压的方式固定，容易产生模板扰动，引起结构开裂。

1.2解决方案针对该项目的复杂性，根据项目特点设计整套防水技术方案，从设计、材料、施工等多维度一起，共同解决该项目防水技术难题，具体方案如下：（1）采用ANSYS软件对该尺寸的结构及混凝土配合比进行有限元模拟分析，预算抗裂安全系数[3]。（2）结合该项目大体积混凝土施工的特点，选择FQY温控型膨胀剂，补偿大体积混凝土内部的温度收缩和干燥收缩，同时抑制早期的水化放热速率，延缓温峰值的出现时间，从而达到降低温峰值的效果。（3）对搅拌站配合比进行优化，优选原材料，提前进行平板抗裂和限制膨胀率检测等相关试验，将掺FQY温控型膨胀剂的混凝土配合比调整到最优。（4）规范施工过程，采取一系列可行的措施控制混凝土的入模温度，把控施工中的关键环节。（5）关键部位埋设应变计和温度线等监测点，根据结构内部监测数据，调整养护方案。2、有限元抗裂仿真分析

2。从两方面对大体积混凝土抗裂安全性进行评价：一方面是特征温度控制值，如浇筑温度、内部最高温度及里表温差等，可将混凝土温度仿真计算值及后期实测值与相关规范的规定值进行对比分析；另一方面是抗裂安全系数，通过混凝土轴心抗拉强度试验值与对应龄期温度应力计算最大值之比作为控制标准进行评价。根据GB50496—2018《大体积混凝土施工标准》，按式（1）进行判定：混凝土的结构尺寸、配合比、强度、预拆模时间等均为已知，假设环境温度为15～27℃，入模温度为27℃，隧道主体结构温度场模拟试验和抗裂验算应力场计算结果见表1、表2。表1

隧道温度场计算结果表2

隧道应力场计算结果由表1、表2可知，（1）该隧道分段长度不论是17m还是25m，主体结构内部温峰值大小和温峰出现时间差别不大，温升值均接近30℃，最大里表温差均在25℃以内，温控指标满足GB50496—2018中关于混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值不宜大于50℃，混凝土浇筑体里表温差不宜大于25℃的要求。（2）根据抗裂安全系数分析，该隧道在分段长度为17m时，主体结构底板、侧墙、顶板在90d内抗裂安全系数均大于1.4，不存在开裂风险；当分段长度为25m时，底板28d抗裂安全系数为1.38，略微低于1.4，存在较小的开裂风险，隧道侧墙3d抗裂安全系数仅为1.03，存在较大开裂风险，顶板28d抗裂安全系数为1.24，低于1.4，存在一定的开裂风险。结合抗裂验算结果，项目的分段长度在25m存在一定的开裂风险，因此项目设计更改为每20m设置一道施工缝，40m设置一道变形缝。

3、FQY温控型膨胀剂的产品性能及配合比优化

3.1产品性能FQY温控型膨胀剂是一种多功能复合型材料，通过在膨胀材料中引入水化热抑制组分，兼具有减缓水泥基材料水化放热及补偿水泥基材料收缩作用的产品。其产品性能满足GB/T23439—2017《混凝土膨胀剂》中的技术指标，并符合GB/T12959—2008《水泥水化热测定方法》中对于水化热调控的技术要求，具体指标见表3。表3

混凝土膨胀剂技术指标3.2混凝土配合比优化针对搅拌站原材料对温控型膨胀剂适应性及混凝土配合比设计调整试验。在分析了各种原材料特性和相关技术参数后，形成了主要原材料分析报告，拟采用水泥+粉煤灰的体系，控制总胶材用量≤420kg/m3，其中水泥用量≤320kg/m3。根据各原材料特性进行配合比设计优化，分别对主体结构的混凝土配合比和限制膨胀率进行温控型膨胀剂的最优掺量试验研究。在保证各组混凝土配合比满足工作性、力学性能的基本前提下，达到降低水化温升、补偿收缩的综合抗裂效果，最终确定C40P8混凝土配合比及对应的测试结果见表4。

表4

混凝土配合比及测试结果

此外，为了评估FQY温控型膨胀剂对于该混凝土结构中的早期抗裂效果，在工地实验室进行了平板抗裂实验。在保证混凝土原材料不变的情况下，将FQY温控型膨胀剂作为唯一变量进行试验。试验结果显示，空白组（不掺FQY温控型膨胀剂）单位面积上的总开裂面积为782mm2/m2，对照组（掺FQY温控型膨胀剂）单位面积上的总开裂面积为105mm2/m2，FQY温控型膨胀剂在降低裂缝出现率方面有着明显的效果。4、施工过程管控

4.1入模温度控制根据GB50496—2018的规定，控制混凝土入模温度在5～30℃之间。各原材料中，石子对混凝土出机温度的影响最大，砂和水次之，水泥的影响相对较小。因此，降低混凝土浇筑温度最有效的办法是降低石子和砂的温度，石子和砂的温度每下降1℃，可分别使混凝土温度降低出机温度约0.45℃和0.32℃。分别在砂石料仓及料斗上方设置遮荫棚，防止阳光直射砂石料，并且在混凝土浇筑前，对原材料温度进行监测，防止原材料温度过高；遇到夏季极高温天气，有条件的建议在原料罐体周围设置环形冷却水降温系统，给粉体材料降温。现场施工尽量避开极端天气浇筑，夏季宜选择16:00以后开始混凝土浇筑，以此控制混凝土的入模温度在规定范围内。

4.2施工过程控制（1）严格按照规范要求施工，分层浇筑，每层浇筑厚度应≤700mm，现场混凝土按要求监控坍落度，到场混凝土坍落度宜控制在160～180mm之间；（2）严禁现场混凝土加水，模板内不得有积水，现场工人振捣密实，不得过振、欠振；（3）模板应拼接牢固，严禁别钢筋下料，下料和振捣不可导致钢筋位移；（4）底板和顶板宜采用二次抹面的方式，消除早期的塑性裂缝[4]。4.3养护方式控制通常来讲，浇筑完成及时覆盖土工布或者保温棉类物体进行保温，并进行洒水保湿养护，夏季温度较高时，宜进行蓄水养护[5]。由于侧墙保水性差，可设置喷淋管，或者采用水能量养护膜。冬季施工适当延长拆模时间，加强保温措施，保湿养护时间持续14d以上[6]，具体措施如图2～图4所示。

图2

底板蓄水图3

侧墙覆盖养护膜图4

顶板覆盖保温棉4.4监测点埋设及数据分析对于隧道这种大体积混凝土结构，开裂的原因很多，其中混凝土温度收缩和干燥收缩开裂是最常见的裂缝形式。本文重点选取开裂风险最高的侧墙、顶板埋设监测点。主体结构中心埋设应变计，主要监测内部中心应力和温度变化情况，在结构迎水面和背水面表层约50mm处埋设温度线，收集温度变化情况，通过和内部中心温度形成对比，形成温度梯度差来指导养护措施。具体的温度及应变曲线如图5~图8所示。由图5可知，侧墙内部中心温度和表层温度均呈先上升后降低的趋势，这是由于初期混凝土水化反应较剧烈，此阶段放热速率大于散热速率，温度上升。其后水化反应速率降低，温度达到峰值，此时内部温度处于一个较高的位置，散热量加快，混凝土水化放热量小于结构通过表层散热量，导致内部温度和表层温度均缓慢降低。侧墙初期温度上升主要来源于混凝土水化放热量，迎水面由于靠近地连墙，外防水卷材也对其形成了一定的保温效果，散热速率最差，温峰接近内部中心温度，均在56.6℃左右，背水面因为钢模板散热效果好，因此温峰值相对较低，大约为33.8℃，温峰到来时间基本相同，均在54h左右。5d拆模后，中心温度通过背水面表层和空气对流，散热加快，其后内部中心温度低于迎水面温度，此后背水面温度≤中心温度≤迎水面温度。通过对比发现，中心温度和表层温度差始终维持在20℃以内，侧墙最大日降温幅度均在3.5℃/d以内，说明侧墙因为温度降低导致收缩开裂的风险很小。

图5

侧墙内部温度梯度混凝土综合微应变代表埋设点的整体变形情况，包含了温度变形、自身收缩、弹性应变、徐变变形、膨胀。温度修正应变代表埋设点去除温度收缩因素的自身变形情况，包含了应力引起的应变和自身收缩变形（包含膨胀）情况，一般设混凝土线膨胀系数为10×10-6。由图6可知，侧墙综合微应变随温度变化呈现先升高后降低趋势，随温度峰值达到最大值205.2με，说明混凝土处于膨胀状态，此后随温度降低混凝土开始收缩，在混凝土浇筑完成第15d降至-130.0με左右，开始缓慢降低。这可能是因为14d养护期已过，混凝土干燥收缩加大，导致混凝土综合变形量加大。侧墙温度修正应变均呈先降低后增大趋势，说明在温升阶段该点混凝土受压应力，后来降温阶段逐渐升高，说明混凝土开始受拉，并逐渐趋于零应力，此后逐渐趋于稳定，并有增加趋势，说明抗裂剂发挥了膨胀作用，抵消了混凝土的部分收缩。结构收缩变形量在12d以后增加至-100.0με以上，但此时混凝土内部强度已经可以抵抗一部分收缩带来的拉应力，综合来看，侧墙存在一定的开裂风险。

图6

侧墙中心应力变化由图7可知，顶板内部温度和表面温度走势基本和侧墙相同，原理已经在前面论述。由于顶板下部可通过木模板散热，上部直接大气连接，形成对流，散热快，因此温峰值为中心温度≥下表面温度≥上表面温度。此后蓄水养护，由于水的导热性能好，主要散热以上表面散热为主，因此越靠近上表面散热越快，导致上表面温度最低，中心温度次之，下表面温度最高。

图7

顶板内部温度梯度由图8可知，顶板的综合微应变和修正应变走势基本和侧墙相同。该段顶板综合微应变随着温度上升达到最大值272με，其后随着温度的降低而降至150με并趋于稳定，30d内，混凝土的综合微应变始终在100με以上，说明抗裂剂持续不断的产生膨胀能，抵消了混凝土的温度收缩和干燥收缩，内部处于受压状态，不存在开裂风险。

图8

顶板中心应力变化5、效果统计

目前整个项目主体的大部分施工已经完成，综合抗裂防水效果很好。其中因为侧墙保水效果较差，结构表层出现部分干缩裂纹，但只有3处出现贯穿渗水，施工缝和变形缝处发现渗水点11处，具体的项目应用效果情况见表5，隧道内部结构图如图9～图11所示。

表5

项目应用效果情况图9

大面板结构图10

隧道结构图11

隧道内部结论

为研究隧