港珠澳大橋島隧工程敞開段側墻控裂關鍵技術

王新剛，蘇昕

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

1 工程概況

港珠澳大橋是一座連接香港、珠海和澳門兩岸三地的大型跨海橋梁，全長49.968 km，主體工程“海中橋隧”長35.578 km。西人工島敞開段OW1-1段長度16.5 m，底板最大厚度3.15 m，最小厚度2.60 m，中墻厚度1.10 m，側墻厚度2.91 m、高度12 m。敞開段高度方向分2次澆筑施工，即第1次澆筑底板整體、中墻澆筑高出底板30 cm部分，側墻澆筑高出底板26.1～120 cm部分；第2次澆筑中墻和兩道側墻剩余部分，三道墻逐一澆筑；OW1-1橫剖面圖如圖1所示。敞開段側墻采用C45混凝土，C45混凝土配合比如表1所列。由于種種原因，敞開段OW1-1底板澆筑完成后近9個月才進行側墻的澆筑施工。

西人工島暗埋段CW1底板厚度1.5～1.7 m，側墻厚度1.5 m、高度11 m，底板與側墻混凝土澆筑時間間隔約為2個月，CW1側墻出現了較多的豎向裂縫。與暗埋段側墻相比，敞開段側墻具有厚度與高度更大，底板與側墻澆筑時間間隔更長的特點。因此，如不采取更加有效的裂縫控制技術措施，敞開段側墻必然會開裂。

圖1 西人工島隧道敞開段OW1-1橫剖面圖（cm）Fig.1 Cross section of OW1-1 of open section of west artificial island tunnel(cm)

表1 C45混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion of C45kg/m3

2 側墻溫度應力仿真分析

為了從理論上弄清楚混凝土側墻產生裂縫的原因，應用有限元軟件對側墻大體積混凝土溫度應力進行仿真分析，驗算水化熱引起的溫度應力。根據側墻混凝土溫度應力特點，有針對性地研究制定防裂技術措施，從而達到減少或防止側墻混凝土開裂的目的[1]。

2.1 計算參數的選擇及有限元模型的建立

1） 材料熱特性值

根據表1所列混凝土配合比的水泥用量和粉煤灰、礦粉的用量，膠凝材料水化熱折減系數取0.788[2]，折算后水泥用量當量值為330.8 kg。本工程采用PⅡ水泥，3 d水泥水化熱按照經驗值取242 kJ/kg。本次有限元仿真分析計算所使用的其他計算參數按經驗取值[3]。

2）有限元仿真分析模型的建立

根據OW1-1側墻的實際結構尺寸及施工組織設計方案的分步澆筑順序，建立有限元模型。

2.2 OW1-1側墻溫度場和溫度應力仿真分析結果

1）OW1-1側墻溫度場仿真分析結果

OW1-1側墻溫度場仿真分析時長為40 d，OW1-1側墻表面澆筑完成后24 h溫度達到最高值46.8℃；內部在72 h溫度達到最高值81.5℃，最大內表溫差為37.5℃，超過了相關規范規定的允許值。

2）OW1-1側墻應力場仿真分析結果

OW1-1側墻應力場計算結果如圖2～圖4所示。由圖3可知，OW1-1側墻表面點在澆筑完成后24 h左右拉應力開始大于容許拉應力，由此可見會產生表面有害裂縫；由圖4可知，OW1-1側墻中心點在450 h左右拉應力開始大于容許拉應力，由此可見側墻會產生貫穿有害裂縫。

圖2 OW1-1側墻720 h應力場Fig.2 720 h stress field of OW1-1 side wall

圖3 側墻表面應力隨時間變化圖Fig.3 Surface stress variation of side wall with time

圖4 側墻中心應力隨時間變化圖Fig.4 Center stress variation of side wall with time

3 裂縫產生的原因分析

根據側墻大體積混凝土溫度應力有限元仿真分析結果可以看出，側墻產生裂縫的主要原因有二：一是側墻混凝土內表溫差過大，從而導致表面裂縫的產生；二是由于底板澆筑完成近9個月后，才進行側墻混凝土的澆筑施工，底板混凝土收縮已大部分完成，底板對新澆筑的側墻混凝土收縮形成強約束，從而導致施工縫以下先澆筑的底板混凝土內部產生壓應力，后澆筑的側墻混凝土內部產生拉應力。隨著齡期的增長，混凝土應變能達到某一極限時，將會發生能量的釋放，從而導致混凝土開裂。

4 混凝土側墻的防裂技術措施

根據上述的分析，側墻產生裂縫的主要原因是混凝土結構內表溫差過大和施工縫上下層混凝土收縮的不同步。因此，側墻的防裂技術措施應從如下幾方面著手。

4.1 減小側墻混凝土內表溫差和降溫收縮的技術措施

減小側墻混凝土內表溫差和降溫收縮，首先可以通過降低混凝土內部最高溫度著手，主要有以下技術措施：

1）降低混凝土入模溫度

①混凝土攪拌

在西人工島南北側共設置HZS120全自動計量水泥混凝土拌和站2座，單罐最大拌和量2 m3。每座拌和站配備3個相互隔離的砂石料倉及2個水池，能夠滿足現場混凝土澆筑使用要求。每座拌和站通過設置1臺冷卻水裝置，1臺冰庫，可確保拌和用水溫度控制在5℃以下，能夠有效降低混凝土入模溫度。

②拌和水加冰

拌和水溫度每降低1℃，可使混凝土溫度降低約0.1℃。經過多次討論，并根據拌合站試拌確定可行性，將加冰率由原來的20%提高到40%，這樣可使混凝土出機溫度在原來基礎上再降低2.6℃左右。

③原材料溫度控制

為保證混凝土原材料溫度盡可能降低，在原材料到達現場后，在船上擱置一段時間，讓原材料溫度充分降低后卸船；分別在砂石料倉上方設置遮蔭棚，防止陽光直射砂石料。并且在混凝土澆筑前，對原材料溫度進行觀測；根據現場實際情況在水泥罐上設置了環形冷卻水管，通過淋浴水泥罐降低水泥溫度。

④混凝土運輸溫度控制

為減小混凝土在運輸、澆筑過程中溫度的上升，在罐車罐體上包裹保溫布，并在拌和站下灰口附近設置冷卻水管噴頭?，F場設置調度人員，根據澆筑情況調配兩側罐車卸料次序及拌和站是否攪拌，避免混凝土因罐車在現場停留時間過長而升溫。

⑤澆筑混凝土時段選擇

混凝土各種原材料經過一夜的降溫后，在早晨5、6點鐘時溫度達到最低，此時拌和混凝土，可使混凝土有較低的出機溫度。

2）優化布置OW1-1側墻冷卻水管

通過降低側墻混凝土內部最高溫度，可以達到減小混凝土降溫收縮的目的。根據溫度應力仿真計算得到的側墻溫度應力分布特點，對冷卻水管進行優化布置，即在側墻下部距施工縫3 m高度范圍內加密布置冷卻水管，冷卻水管間距取0.3 m，距施工縫3 m以上部分冷卻水管間距取0.8 m[4]。冷卻水管采用外徑40 mm、壁厚2 mm的輸水黑鐵管。優化后的冷卻水管布置方案如圖5所示。單根冷卻水管累計循環長度不大于200 m，冷卻水管長度每超過200 m增設1組進水口和出水口，組成另外一個冷卻水管循環。

圖5 側墻冷卻水管布置立面圖（cm）Fig.5 Elevationdiagramofsidewallcoolingwaterpipe（cm）

3） 混凝土的保溫

剛澆筑的混凝土強度低、抵抗變形能力小，如遇到不利的溫濕度變化情況，其表面容易發生有害的冷縮和干縮裂縫。保溫的目的是減小混凝土內表溫差及表面混凝土溫度梯度，防止表面裂縫的發生。對混凝土的保溫工作不宜過早開始，對于混凝土側墻尤其如此，合理的保溫時間應根據現場混凝土溫度監測結果加以控制確定。

4） 延長初凝時間

適當使用緩凝劑，將初凝時間延長至20 h。

4.2 減小側墻混凝土自身收縮的技術措施

針對混凝土的自身收縮主要是采取保濕養護的技術措施。混凝土收縮受環境相對濕度影響顯著，環境相對濕度越低，其干縮值越大。因此可以通過對側墻混凝土進行充分保濕養護，來減小混凝土的自身收縮。側墻拆模后立即覆蓋2層復合土工布（帶1層塑料薄膜），進行密封保濕養護。密封保濕養護時間越長越好，但最短也不能少于14 d。

4.3 充分潤濕底板混凝土

利用混凝土“干縮濕脹”的特性，在側墻混凝土澆筑前，將已澆筑的底板混凝土上表面用水浸泡不少于7 d時間，使底板混凝土充分吸水潤濕，這樣可以使底板混凝土產生大約40 με的濕脹[5]。側墻澆筑完成后，底板混凝土隨著內部水分的不斷散失，會產生一定量的干縮，從而達到減小對側墻混凝土收縮約束的目的。

4.4 提高混凝土抗裂性能技術措施

1）改進攪拌工藝。在攪拌混凝土時，改變以往的投料順序：先向攪拌機中依次投入砂、70%的水、外加劑、水泥、粉煤灰、礦粉，充分攪拌后再投放石子，最后再把剩余30%的水加入進行攪拌。這種攪拌工藝的主要優點是無泌水現象，能夠提高混凝土的抗拉強度和極限拉伸值。

2）對澆筑后的混凝土進行二次振搗，能排除混凝土因泌水在粗骨料、水平鋼筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土與鋼筋的握裹力，增加混凝土密實度，提高混凝土的抗拉強度，從而提高混凝土抗裂性能。

4.5 側墻混凝土內部溫度監測技術措施

在混凝土結構中埋設溫度傳感器，以便對混凝土內部溫度變化情況進行實時監測。混凝土的溫度實時監測主要達到如下目的：

1）監測混凝土內表溫差。當監測到混凝土內表溫差接近或超過25℃時，應及時在混凝土表面覆蓋保溫材料，來提高混凝土表面溫度，從而防止由于內表溫差過大引起的開裂。

2）監測混凝土內部降溫速率。當監測到混凝土內部降溫速率接近或超過2℃/d時，應及時停止通冷卻水，并在混凝土表面覆蓋保溫材料，防止因混凝土溫度下降過快而出現約束裂縫。

3）控制冷卻水與混凝土內部溫度之差。由于側墻下部采取了加密布置冷卻水管方案，因此應更加嚴格檢測混凝土及冷卻水的溫度，確保冷卻水與混凝土內部溫度之差不超過25℃，從而防止冷卻水管附近混凝土形成冷擊裂縫，影響混凝土結構強度。

4）確定合理的拆模時間。當監測到混凝土表面溫度與環境溫度之差大于15℃時，應推遲拆模時間，防止側墻表面形成冷擊裂縫。

5 側墻混凝土溫度和應變原位測試

為了解采取裂縫控制技術措施后側墻混凝土收縮應變隨時間發展變化規律，在OW1-1北側墻內埋設了4層混凝土應變計，每層應變計距離施工縫高度分別為0.1 m、1.2 m、5.0 m和9.0 m，每層布置6個應變傳感器[6]。

5.1 溫度測試結果

側墻冷卻水管加密區混凝土內部最高溫度為50℃，溫峰出現在混凝土澆筑完成后12 h，最大內表溫差13℃；側墻冷卻水管未加密區內部最高溫度為67℃，溫峰出現時間為澆筑完成后31 h，最大內表溫差16℃，側墻內部溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 側墻內部溫度變化曲線Fig.6 Internal temperature variation curve of side wall

5.2 應變測試結果

OW1-1北側墻典型位置應變隨時間發展變化規律如圖7所示。由圖7可以看出，最底層應變計（距施工縫垂直距離0.1 m）的收縮應變最大值在（75～100）με左右；冷管加密區域混凝土應變計（距施工縫垂直距離1.2 m）值在（100～175）με左右；冷管未加密區域混凝土應變計（距施工縫垂直距離5.0 m）值在（200～250）με左右。

圖7 側墻應變隨時間發展變化規律Fig.7 Development of side wall strain with time

5.3 測試結論

由以上測試結果，可以得到如下結論：

1）加密布置冷卻水管能夠起到顯著降低混凝土內部溫度作用。

2）施工期的大體積混凝土收縮以降溫收縮為主，降低混凝土的內部溫度可以顯著減小混凝土收縮。

6 結語

本工程側墻混凝土控裂難度很大，經過一系列的分析、研究，創造性地提出僅在施工縫附近加密布置冷卻水管，冷管最小間距僅為0.3 m，大幅度降低了側墻混凝土內部相應區域溫度，從而最大限度減小了混凝土降溫收縮，這是側墻裂縫能夠得到控制的關鍵技術，然后再輔以其他裂縫控制技術措施，最終側墻未出現需要修復的裂縫，達到了預期目的，為港珠澳大橋西人工島敞開段墻體施工提供了有力的技術支持。

參考文獻：

[1]王新剛.港珠澳大橋主體島隧工程西島敞開段OW1中外墻大體積混凝土溫度應力仿真分析及防裂技術措施[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2015.WANG Xin-gang.The HZMB island tunnel project main island open OW1 exterior wall mass concrete temperature stress simulation analysis and anti-crack technology measures[R].Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2015.

[2]JTS 202-1—2010，水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程[S].JTS 202-1—2010,Technical specification for thermal cracking control of mass concrete of port and waterway engineering[S].

[3] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京：中國電力出版社，1999.ZHU Bo-fang.Temperature stress and temperature control of mass concrete[M].Beijing:China Electric Power Press,1999.

[4]王新剛.大體積混凝土溫度應力實用計算方法及控裂工程實例[M].北京：人民交通出版社，2017.WANG Xin-gang.Practical calculation method for mass concrete temperature stress and crack control engineering examples[M].Beijing:China Communications Press,2017.

[5]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社，1997：18.WANG Tie-meng.Crack control of engineering structure[M].Beijing:China Architecture&Building Press,1997:18.

[6]王新剛.港珠澳大橋主體島隧工程西島敞開段OW1清水混凝土側墻溫度及應變原位測試報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2015.WANG Xin-gang.The temperature and strain in-situ test of OW1 fresh water concrete side wall of opening part of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge main island and tunnel project west island[R].Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2015.