基于無線測溫技術的超大直徑盾構管片裂縫控制研究

張益翔，楊松強

(1.中交裝配式建筑科技有限公司，北京 100024； 2.北京東六環管片預制廠，河北 廊坊 065906)

0 引言

盾構管片的裂縫控制是影響成品質量的關鍵，而溫度則是引起管片開裂的主要原因之一。設計要求在各個養護階段，管片自身溫度與環境溫差不得超過20℃。因此，其生產過程中各個養護階段的溫度如何控制就顯得尤為重要。

綜合國內外研究現狀，學術界對于盾構管片生產的溫度控制持有不同觀點。謝鴻飛[1]研究了不同靜養時間、升溫速率、恒溫溫度、恒溫時間和降溫速率對盾構管片高性能混凝土的影響。試驗結果表明：靜養時間不小于2 h，升溫速率不宜超過15℃/h，恒溫時間宜控制在2～4 h且不宜超過50℃，降溫速率不超過20℃/h。齊莉莉等[2]認為，管片靜養4 h，升溫速率控制在20℃/h，恒溫控制在60℃養護8 h，管片出窯溫度控制在20℃，脫模后立即進行水養，水養7 d后的管片抗滲性能最佳。

綜上，為了探究盾構管片在全生產周期的溫度變化，進而控制養護溫度減少裂縫的產生與發展，本文采用了無線測溫技術對管片的全生產周期進行了溫度數據采集，同時提出了相關裂縫防治措施，以期為管片的生產提供參考依據。

1 工程概況

北京某工程盾構管片由高性能混凝土澆筑而成，強度等級C60，抗滲等級P12，襯砌環設計直徑15.4 m，環寬2 m，壁厚0.65 m。

2 管片裂縫分析

盾構管片預制生產過程中在自身混凝土材料或骨架應力反應、環境溫度、濕度或者澆筑操作工藝等分別作用或者同時作用下產生裂紋。超大直徑管片對管片成品外觀質量要求為：內弧面禁止出現任何裂縫，在拼接面裂縫深度不得超過止水密封槽，外弧面允許出現裂縫但寬度不得大于0.2 mm且不得出現貫穿裂縫。

2.1 外弧面裂縫

管片外弧面裂紋常見形式有網狀式龜裂、斷續式長條波紋狀裂紋、弧面漿體過厚振搗中造成骨架反力式裂紋。主要原因有管片外弧面混凝土水分散失太快，未充分進行保溫保濕，引起干裂。

管片內部混凝土水化熱溫度太高，表面溫度與環境溫差較大，同時在管片澆筑混凝土過程中由于振搗表面漿體超過1.5 cm以上，內部石子與表面距離太大，無法對外弧面形成支撐作用；與內弧面相比，表面混凝土處于散射松弛狀態，雖表觀密實無異常，但受外界溫差及內部水化熱引起溫度張裂。

2.2 定位桿槽裂縫

定位桿槽位于管片端面兩側中間位置，一側為貫通定位桿槽，另一端為斷續式定位桿槽，位于端面中心位置，距內外弧面距離32.5 cm。

從成品管片可以觀察出上下兩層管片僅在定位桿槽上下形成色差，而在側面未見色差情況，往往這種有輕微色差的情形同時附帶裂紋的出現。為了驗證上述裂縫缺陷是否因管片溫度與環境溫差大于20℃所致，基于無線測溫技術，進行了管片全生產周期的溫度采集試驗。

3 無線測溫試驗

3.1 試驗方法

采用無線測溫和分布式應變采集的形式，獲取結構物的實時狀態數據，通過在管片內預埋溫度傳感計與采集箱主機相連接，進而采集管片溫度。溫度數據可實時傳送至數據后臺終端，通過云端實現遠程無線狀態監控。

3.2 試驗設備

本次試驗所需設備由傳感器采集箱、溫度傳感計等部分組成。①傳感器采集箱:所用設備包含智能型振弦式傳感器采集箱，該采集箱內含16個溫度測量通道，數據可以方便且安全地存儲在采集箱的內存中。②溫度傳感計:該傳感計一端連接采集箱通道，一端埋入混凝土中，可對管片溫度實施監測。當試驗結束后，須對管片外弧面外露部分進行切除。

3.3 測點布設

取標準塊B2為試驗塊，管片寬為2 000 mm，厚度為650 mm，外弧面弦長為5 086.3 mm，內弧面為4 656.9 mm，混凝土體積為6.45 m3。測點以能反映整個管片溫度場變化，同時兼顧布點少、具有代表性為原則布設，沿管片長度、寬度、厚度方向分別取1/2尺寸標量。即試驗塊1/8體積，布置P1～P7共7個測點，每個測點沿厚度方向設置“上、中”2點，其中，“上”距外弧面20 mm，“中”距外弧面325 mm。如圖1所示。

圖1 測點布設示意圖

試驗塊共布設14個測點，分布于管片約1/8體積。附加一個測點位于大氣中，隨管片模具移動，記為環境測溫點。

3.4 數據讀取

澆筑完成后立即打開采集箱蓄電池開關，開始溫度數據采集。設置采集時間間隔10 min，可隨時登錄云平臺實時獲取溫度數據，同時支持云端下載。

3.5 試驗結果與分析

3.5.1 全生產周期溫度變化趨勢

P1-1測點作為表面溫度，P1-2測點作為核心溫度，試驗管片自澆筑至水養池的全生產周期溫度變化如圖2所示。

試驗管片自澆筑起共經歷89 h，其中蒸養階段由于處于蒸養窯高溫、高濕的環境，設備無法采集數據。

管片靜養、脫模、水養等階段的溫度數據，仍可為生產提供參考。管片自澆筑至入窯，共經歷6 h，此階段內，管片的表面溫度和核心溫度變化在±1℃以內，因此并未發生水化熱反應。

由圖2可以看到，管片在脫模時(22 h)表面溫度53℃的條件下，自然冷卻至滿足入池條件時(65 h)需要經歷43 h，降溫速率0.65℃/h，此階段靜停時間較長，會影響車間內生產空間。因此綜合來看，可以考慮采取控制降溫區溫度的措施，使管片脫模后的溫度控制在約30℃，既滿足設計溫差要求，又不會占用車間內生產空間影響生產進度。

圖2 試驗管片全生產周期溫度變化曲線

3.5.2 溫度場分布

為了探究管片溫度場的分布規律，分別沿管片弧長方向、寬度方向和對角線方向，對相應測點進行溫度采集，結果如圖3所示。

圖3 管片溫度隨結構變化趨勢

由圖3可以看出，無論是表面溫度還是核心溫度，管片溫度沿弧長方向、寬度方向和對角線方向均呈現從外側向內側遞增趨勢。

4 管片裂縫防治

經試驗研究分析，項目部采取如下措施減少或避免管片裂縫的產生與發展，并取得良好效果。

一是降低管片生產流水節拍，改雙班作業為單班作業，選擇在白天氣溫較高時間段進行生產；二是在蒸養窯降溫區開模散熱，盡快讓管片表面溫度降低至30℃以內。此時可保證管片溫度與環境溫差不高于20℃；三是脫模后的管片立即噴涂養護劑，之后將管片置于室內保溫棚降溫，待24 h后再轉運至堆場存放。堆場存放采用保溫棉被覆蓋管片，避免表面降溫過快造成裂縫發展。

5 結論

本文借助無線測溫傳感器設備及云平臺數據傳輸技術，對盾構管片的全生產周期進行了溫度數據采集，同時對管片裂縫成因進行了相關分析并提出了防治措施，得到的主要結論如下。

1)盾構管片溫度無論沿弧長方向、寬度方向還是對角線方向，均呈現外側向內側遞增趨勢，即管片結構幾何中心處溫度最高。

2)當環境溫度過低時，由于溫差所致，管片外弧面及定位棒榫槽處易出現開裂，可采取降低流水節拍、提前在降溫區開模散熱、室內增設保溫棚及室外覆蓋保溫棉被等措施加以防治以減少或避免裂縫的產生與發展。