澆筑工藝對沉管裂縫控制的影響分析

張宇航

（惠州交投公路建設有限公司，廣東 惠州 516001）

1 引言

混凝土沉管隧道已在世界很多越江和跨海工程中廣泛應用，過去的70年來，預制方法也從傳統的干塢法預制發展為工廠預制。沉管管節的預制是沉管隧道施工的難點之一，在預制過程中，由于沉管管段體積大、結構形式復雜、施工工藝復雜，沉管結構容易因溫度、收縮以及約束等因素的影響在預制階段便出現危害性裂縫。危害性裂縫的出現不僅會影響結構的外觀，還會加速有害物質侵蝕混凝土，從而更快地導致混凝土結構破壞，削弱沉管混凝土結構整體的耐久性。另外，沉管是造價高、腐蝕環境惡劣且無法更換的主要構件，因此，在沉管預制施工過程中必須采取合理有效的措施防止有害裂縫的產生。

2 沉管混凝土裂縫控制的基本思路

為了控制沉管混凝土裂縫，一般在廠房提前制作沉管節段，廠房內的環境為沉管節段制作提供了優良的條件。該工藝在當今澆筑行業已經被大范圍應用。但要注意幾點事項：（1）原材料優選質量高并具有良好防裂性能的材料。（2）要降低混凝土開裂的可能性，必須通過碎冰加冷卻水的方式降低原材料的溫度，從而調節沉管混凝土的最適溫度。（3）原材料首先應具備抗裂和耐久的最低要求，還需要有低溫、收縮性低、性能強、質量優的特點。在澆筑沉管的過程中，混凝土具有這些特點能夠使其擁有更優良的特性，提高澆筑產品的質量。

3 混凝土原材料溫度的調整

在沉管結構的混凝土試驗過程中，為達到減小沉管開裂風險，需要通過控制原材料溫度的方式降低混凝土澆筑的溫度。（1）在澆筑前，必須與膠凝制造廠家約定，不同的材料有不同的進場溫度，其中，礦粉進場溫度為60℃。（2）對外壁進行噴水處理，達到降溫的效果。建設避陽擋雨的材料堆放棚，料堆頂部與堆放棚之間的高度差約為10 m，使便棚內空氣暢通。為降低骨料溫度，可在棚內裝設噴霧裝置，通過降低棚內的溫度降低骨料的溫度。（3）為降低膠凝原料的溫度，應延長其在儲料瓶與存儲倉的存放時間及轉運倒倉過程。（4）在儲料罐外壁與膠凝原料中間的存儲倉涂上淡色顏料。（5）可以將溫度傳感器安裝在膠凝原料材料儲料倉內，從而起到暗中監察的作用。

4 沉管混凝土的制造

4.1 冷水和細小冰塊

采用冷水和細小的冰塊代替攪拌水，以此控制混凝土的溫度。生產混凝土需要做好準備工作，提前生產冷水并且置于保溫裝置中，控制混凝土的溫度≤5℃。使用冷藏溫度≤-8℃的冰庫儲存厚度≤3 mm的細小冰塊。為避免細小冰塊融化，應借助外覆保溫層的水平螺旋運輸機進行運輸工作。這樣能夠確保試驗結論的準確性，達到預期的試驗結果及數據。

4.2 混凝土配置

選用混摻粉煤灰與礦粉的低開裂敏感性、低水化熱膠凝材料（水泥45%、粉煤灰25%、礦粉30%，以占膠凝材料總質量分數計數），沉管配合比應符合全斷面澆筑作業的要求。在進行性能對比后，還應結合混凝土溫度應力測試試驗、現場小尺寸模型試驗以及足尺模型試驗，篩選出性能高、抗裂性能及持久性高的混凝土。

4.3 混凝土運送

沉管節段的混凝土材料需要先后到達廠房旁邊的拖泵處和澆筑現場，一般需要用兩種運輸方式：混凝土攪拌運輸車和地泵。前者運送到拖泵處，后者運送到澆筑現場。控制泵送的壓強是入泵前的準備工作，一般壓強調整為14～18 MPa。在運輸混凝土時，為保證運輸的連續性，應將混凝土出機后到進入泵機的時間控制在1 h以內。泵送過程中，要防止泵送管吸入空氣導致堵塞，必須在運送過程中使受料斗中有充足的混凝土。因為在混凝土的運輸過程中，陽光直射和摩擦等因素會使混凝土溫度升高，所以，在溫度較高的季節施工時，應加入冷卻水及碎冰，起到降溫的目的。

4.4 混凝土澆筑振搗

沉管節段混凝土澆筑區域分為底板（Ⅰ澆筑區）、墻體下部及底板上部（Ⅱ澆筑區）、墻體上部（Ⅲ澆筑區）、頂板（Ⅳ澆筑區），澆筑厚度控制在約40 mm，布料施工方式為分層連續作業。從加入水進行攪拌作業開始，至插入式振搗棒依靠自身重量下沉插入混凝土，最后經過15 s的振搗后，其周圍100 mm仍然可以翻漿的時間為混凝土的重塑時間。如果上下層混凝土的澆筑時間間隔比重塑時間長，澆筑界面將出現冷縫。在混凝土的重塑時間內進行上下層混凝土的澆筑則不會出現上述情況。單次沉管澆筑的混凝土方量大、持續時間長、由一端向另一端分層連續布料。為防止出現施工冷縫，應使上下層混凝土布料和振搗間隔控制在8 h之內[1]。

5 沉管混凝土澆筑防護措施

完成沉管混凝土的澆筑工作后，應立即將其送入預制廠房的自動化養護系統內，對其進行全方位的保溫保濕處理[2-3]。沉管節段混凝土保養可選用廠外固定式養護棚和廠內伸縮折疊式養護棚。上述兩種養護棚均采用噴霧及淋水的方法使噴淋水霧控制控制設施的環境溫度降低，并在沉管節段的養護棚區、澆筑臺座區及過渡區均使用該養護裝置。

沉管節段的內部溫度和外部環境溫度可以被養護系統實時監測，以便相關工作人員對溫度進行及時調控。養護系統的自動控制系統由各種自動化模塊組成，可在無人的情況下開啟，根據實際情況進行噴淋水霧作業，以達到無人化調節溫度的目的。沉管節段混凝土的養護時間應當在15 d以上，確保沉管混凝土澆筑質量符合工程要求。在養護期間，需使混凝土的表面維持在一定的潮濕狀態。

6 沉管開裂與溫度應力的關系

現場檢查和軟件估算是得到混凝土溫度應力常用的兩種方法。但是，通過軟件估計的方法得到的混凝土應力數據比較精確。

本文以某沉管澆筑工程為例，當混凝土性質及防護條件相同時，對某沉管試驗段分層澆筑工藝和全斷面澆筑工藝下沉管的溫度應力進行分析。其中，沉管分層澆筑中第1層與第2層的澆筑時間間隔為45 d。混凝土配合比及材料性能參數為：細骨料的密度為727 kg/m3，膠凝材料的密度為440 kg/m3，比熱容為0.92 kJ/（kg·℃），混凝土28 d絕熱溫升為50℃，水膠比為0.34，散熱系數為8.0 kJ/（m2·h·℃），混凝土的導熱系數為8.9 kJ/（m·℃·h），環境溫度25～35℃，進入模板的溫度為28℃。根據最高應力和溫度數據可以看出，分層澆筑工藝中，兩層之間存在最大應力。全斷面澆筑工藝的最大應力處則位于沉管內測拐角的地方。具體應力、溫度值見表1。

表1 沉管溫度、應力值

依據大體積混凝土抗裂安全系數的理論，通過表格可以得出很多重要的數據，如表1中沉管分層澆筑第1層最大溫度應力為1.71 MPa，其抗裂安全系數為1.67，所以，混凝土發生開裂問題的概率非常低。沉管分層澆筑第2層最大溫度應力為4.04 MPa，其抗裂安全系數為0.71＜1。由此可知，混凝土一定會發生開裂。全斷面澆筑工藝的最大溫度應力2.50 MPa，其抗裂安全系數為1.14，存在一定的開裂概率。

7 齡期差下混凝土收縮開裂的風險分析

對于分層澆筑工藝，如果澆筑時間過短，容易出現開裂問題，且易出現干燥收縮。一般在進行第一層澆筑后，混凝土結構基本固定不變，后澆筑的第2層混凝土剛開始收縮，以下為某沉管試驗段混凝土分層澆筑收縮曲線，澆筑時間間隔為45 d。

圖1 混凝土分層澆筑收縮曲線

第二層混凝土收縮將形成很大的應力，相比較于黏性介質，其自由度系數近于1.0，約束系數近于0；相對于固體結構物質，其自由度系數近于0，約束系數近于1.0。

試驗組中混凝土節段的收縮量及彈性滿足如圖2所示曲線。

圖2 混凝土彈性模量與收縮變化曲線

第2層新澆筑的混凝土相對于第1層舊混凝土約束系數接近1.0。第二層的形變受到了很大的制約。如果忽略混凝土形變的彈性力學，則應力=Σ瞬時收縮值×瞬時彈性模量，忽略彈性力學的影響。混凝土瞬時收縮值如圖3所示。

8 結語

通過本文的研究可以得到以下結論，就控制混凝土開裂來講，分層工藝要優于全斷面一次性工藝。從實驗段的澆筑結果可看出，全斷面澆筑工藝的最大溫度應力2.50 MPa，其抗裂安全系數為1.14，存在一定的開裂概率。由此得出結論，在使用分層工藝時，需要減小兩層之間的溫升，調節澆筑后面一層的時間和溫度，減小混凝土自身的收縮程度，降低混凝土溫度應力，并且需要降低混凝土收縮的強度。