綜合管廊混凝土裂縫控制研究

胡振環 北京東方園林環境股份有限公司

1 前言

建筑結構的工程質量影響著人民的生命安全和公眾利益。裂縫，作為不可避免而又可以盡量減輕的災害，直接影響結構或構件的外觀和正常使用，甚至會降低結構的耐久性和整體性[1]。故深入分析理解裂縫產生機理，進一步研究工程實用的防治措施，已成為亟待解決的重要工程問題。

綜合管廊即城市地下管道綜合走廊，是以集約化方式敷設各種管線，從而高效利用城市的地下空間[2]。然而綜合管廊多深埋于地下，且易滲漏，作為超長混凝土結構即通常所說的大體積混凝土結構，施工過程中的溫度應力顯著，故裂縫控制是關鍵的技術難題。

本文首先討論了綜合管廊工程混凝土裂縫開展的主要原因；指出了裂縫的種類，成因和控制措施；同時結合工程實踐，總結了綜合管廊混凝土結構的裂縫控制有效措施，以及最新的大體積混凝土施工溫度裂縫控制方法，對提高工程質量具有較高的現實意義。

2 綜合管廊工程混凝土裂縫開展原因

從力學角度分析混凝土的開裂原因為：假設混凝土在初始硬化的情況下不受力，發生干燥冷卻時開始收縮，而混凝土兩端因受到約束不能自由改變長度，就會在混凝土內部引起拉應力，當收縮拉應力到達材料的極限拉應力時，材料就會產生裂縫。

凝結硬化收縮和溫度收縮是混凝土的主要收縮形式。混凝土產生收縮的原因有二，一是混凝土級配合理，孔隙得到填充，密實度高；二是混凝土的凝結硬化收縮，使其更加密實。溫度收縮，即混凝土水化過程發出大量的水化熱，混凝土溫度上升，引起混凝土內部與表面的溫差以及混凝土結構與外部環境的溫差，溫度拉應力進而產生。當溫度拉應力大于材料的極限拉應力時開裂產生。

綜合管廊工程一般為超長結構，其混凝土體積大，水化熱高且不易釋放，局部位置內部溫度可高達80℃，溫度收縮嚴重。

根據上述混凝土開裂機理，不難歸納出控制綜合管廊工程的混凝土開裂的基本原則：（1）減少混凝土的總體收縮及不均勻收縮，重點是溫度收縮；（2）減少混凝土所受的約束程度。

3 裂縫的分類

裂縫分為受力裂縫和非受力裂縫。前者由直接荷載引起，由上部結構設計不合理，導致不均勻沉降產生的沉降裂縫，地震造成的地震裂縫均屬此類。后者即變形裂縫，由材料硬化收縮、溫度變化等引起。

對于工期較長的綜合管廊工程，混凝土裂縫多為變形裂縫，發生在施工階段或者在工程交付正式使用以前。本文主要討論變形裂縫，這類裂縫與設計要求、混凝土配比、環境條件、施工方案、養護方法等直接有關。

3.1 塑性收縮裂縫分析及控制

塑性收縮裂縫又分塑性干縮和塑性沉降兩種。

3.1.1 塑性干縮裂縫

塑性收縮裂縫是水泥基材料在硬化前，由于表面水分蒸發而產生的干縮裂縫。其影響因素包括風速氣溫和濕度。

防止塑性收縮開裂的措施可歸納為：①預冷，降低混凝土的入模溫度；②用噴霧濕潤混凝土上方的空氣；③設置風障減少現場風速；④設置遮陰棚，防止陽光直射；⑤限制攪拌時間在最低所需程度；⑥縮短混凝土澆筑時期總工作時間（包括配置、泵送、澆筑和養護等階段）；⑦澆筑前潤濕模板和底板。必要時將鋼筋加濕降溫；⑧澆筑后保持混凝土表面濕潤，如用塑料薄膜覆蓋；⑨及時抹面和壓光。

3.1.2 塑性沉降裂縫

混凝土在制備時，水泥漿體中懸浮骨料顆粒。骨料密度高，易“沉降”；漿體密度低，水分易向上轉移，發生“泌水”。當下沉的骨料遇到鋼筋螺栓等預埋件，下沉減緩或停止，與附近的骨料形成沉降差，混凝土表面就出現了塑性沉降裂縫。

防止塑性沉降開裂的主要措施有：①混凝土的科學配比。保證稠度和保水性；②增加表面鋼筋的保護層厚度；③合理振搗；④加入引氣劑；⑤保證模板剛度及地基的穩定性。

3.2 干燥收縮裂縫分析與控制

干燥收縮是混凝土的固有特性，存在于制備和工作的各個階段。其影響因素包括混凝土配比、水泥和骨料種類、外加劑、構件尺寸等。

控制凝結硬化混凝土收縮裂縫的主要措施有：①科學配比；②科學養護；③采用后澆帶、伸縮縫等施工措施。

3.3 溫度收縮裂縫分析與控制

溫度收縮裂縫是綜合管廊工程等大體積混凝土施工的重要技術問題，其水化熱產生速度快，熱量高，難以排出，產生的溫度應力易導致混凝土開裂。

混凝土澆筑的升溫和隨后的降溫，以及峰值溫度取決于諸多因素，包括混凝土的入模溫度，澆筑溫度，混凝土外露表面與其體積的比值，外部環境溫度等。

溫度收縮裂縫的防治措施：①降低水化熱及其釋放速度；②降低混凝土的澆筑溫度（入模溫度）；③控制散熱過程并防止混凝土表面溫度的驟然變化；④采用具備高抗拉性能和低熱膨脹系數的新型混凝土材料；⑤設置構造鋼筋限制裂縫的寬度。

4 綜合管廊的混凝土裂縫控制

從美國的胡佛大壩工程，到前蘇聯的托克托古爾電站工程，再到我國的三峽大壩工程，其建造難度之高，花費的人力財力之多，建造時間之久，都說明了大體積混凝土施工已成為世界性難題[3-4]。近年來我國陸續出臺或更新了相關規范，如北京地方標準DB11/T 1200—2015《超長大體積混凝土結構跳倉法技術規程》，對大體積混凝土施工方法和抗裂性能做出要求。

筆者參與的“北京新機場臨空經濟區市政交通配套工程永興河北路（大廣高速—磁大路）道路及綜合管廊工程三標段”工程項目，位于北京新機場北側。道路總長1700m，總工期歷時700余天。該管廊混凝土結構是超長混凝土結構，混凝土施工為大體積混凝土施工。其實，大多數綜合管廊現澆混凝土結構都具備地下、超長和大體積的通性。本章筆者結合該工程項目，重點從結構設計、材料選擇和施工工藝三個方面，介紹綜合管廊的大體積混凝土結構的裂縫控制方法，并給出工程上最新的大體積混凝土施工溫度裂縫控制方法。

4.1 結構設計

本工程主管廊及支管廊標準斷面采用整體現澆一～五跨閉合框架結構。混凝土裂縫雖產生于施工時及施工后若干時間，但其控制絕非只在施工時進行，應同時在結構設計和施工階段重點關注。超長混凝土結構在此方面要求更為嚴格，如果結構存在不可控的非結構性裂縫，將對耐久性造成重大損害。

為控制裂縫，本項目從在結構設計階段，從結構形式、配筋、構造措施方面采取措施。

（1）綜合管廊混凝土工程作為超長結構，需進行溫度應力校核計算，并重點考慮以下因素的影響：①下部結構的水平剛度對變形的約束作用；②結構合攏后的溫度變化；③混凝土開裂導致的結構截面剛度降低的負面影響；④混凝土結構的徐變對減少結構裂縫的有利影響。

（2）在設計階段，就應對混凝土結構施工提出如下要求：①針對大體積混凝土結構巖石地基方面，設滑動層，減弱混凝土受到的約束。②針對超長結構，設置后澆帶和加強帶；變形縫應滿足相關規范要求，除基礎外，在外壁，頂板，底板設變形縫,因綜合管廊多位于地下，設計時要同時兼顧防水問題。圖1為本工程的變形縫設計圖，僅供參考。③針對大面積底板混凝土，采用分倉法施工。

圖1 綜合管廊變形縫設計圖

4.2 材料要求

對于大體積混凝土工程和非大體積混凝土工程，材料選取的原則上差別不大，原理上都是為了抑制干燥收縮裂縫和塑性沉降裂縫。只是大體積混凝土工程對此有著更嚴格的要求。為控制裂縫，本項目主要從混凝土原材料控制和配合比設計兩方面采取措施：

4.2.1 原材料要求

如上文4.2 所述，合理選用原材料，可極大程度上控制干燥收縮。①水泥。選用合適的水泥種類。保持低水泥比表面積，低水泥堿含量，低水泥溫度。②粗骨料。采用多級級配，保持高粗骨料堆積密度，低緊密堆積密度的空隙率。此外，骨料不可暴曬，露天堆放，宜保持低骨料使用溫度（＜28℃）。③減水劑。應根據工程實際情況，考慮季節和施工工藝因素的影響，合理選用緩凝型、防凍型或標準型高性能減水劑。使用時應注意由減水劑引起的混凝土中堿含量、氯離子含量和硫酸鹽含量的增加，分別不應高于0.3kg/m3，0.02kg/m3和0.2kg/m3。④摻合料。可復合使用粉煤灰和礦渣粉礦物摻合料。⑤纖維混凝土。可根據工程需求和混凝土的形能需求，選取短切鋼纖維混凝土或合成纖維混凝土等新型材料。鋼纖維混凝土具備高抗拉強度和更好的抗疲勞性能。

4.2.2 配合比要求

①低水泥用量。保持低混凝土水膠比（＜0.45），低水泥用量（如C60 以下混凝土小于550kg/m3）。②多使用摻礦物。③混凝土設計齡期，驗收依據宜為長齡期強度。部分構件可取60d作為齡期。

4.3 施工要求

為控制裂縫開展，本項目施工階段采取以下措施：（1）作為超長混凝土結構，應按設計要求在施工前采取降低混凝土收縮的有效措施，本項目采用了分倉法，跳倉法和后澆帶施工。①分倉法施工。綜合管廊混凝土工程分倉澆筑，區段長度小于40m，澆筑間隔時間多于7d。②后澆帶施工。后澆帶寬度可為800mm 左右，設置間距為50m 左右。其混凝土采用更高一等級的無收縮或微膨脹混凝土。（2）從混凝土澆筑、水化熱溫升控制、方面控制溫度裂縫，從綜合養護技術方面控制塑性收縮裂縫。①施工前，采用理論分析，數值模擬或試驗研究等方法校核驗算澆筑時的溫度應力。②通常，混凝土澆筑時，應擋風，防雨，避免陽光直射，及時覆蓋，合理拆模。③采用多種方法科學養護。如摻加養護劑，外包節水養護膜等。

4.4 大體積混凝土施工最新溫度裂縫控制方法

大體積混凝土施工溫度裂縫控制是重點也是難點，以下總結了近年來較流行的控制方法。工程實踐中，應根據實際需求，從現場條件和環保等方面綜合考慮，選取控制方法。

4.4.1 保溫材料覆蓋法

該方法是使用保溫材料（如塑料薄膜、草木編織物等）覆蓋混凝土表面。該方法優點是簡單直接，成本較低。缺點是只適用于尺寸較小的結構，且由于所用材料多為一次性材料，不夠綠色環保。

4.4.2 預埋冷卻水管法

即在混凝土內部預埋冷卻水管，澆筑時通入冷水降溫。該方法降溫顯著，但施工操作復雜，造價較高。

4.4.3 相變材料（PCM）控制法

PCM相變材料在高溫時儲能，降溫時釋放能量。利用這一特點將相變材料（如石墨、月桂酸、十八烷等）用于水化熱的控制，改善溫度裂紋。目前該方法處于試驗和工程的初級階段，尚不成熟。

4.4.4 循環蓄水控制法

該方法主要適用于大體積混凝土基礎底板施工的溫度裂縫控制。利用天然降水，在調溫槽和基礎底板表面的降溫池之間水循環，控制養護水的濕度和溫度[5]。該方法有效利用水資源，有助于構建“海綿城市”，目前已應用于北京部分工程項目。

5 結束語

裂縫控制經過眾多學者和工程同仁的百年努力，已經取得了一定的成果。本文討論了綜合管廊結構混凝土開展裂縫的主要原因，針對不同種裂縫，給出了具體成因，影響因素和防治方法；并結合筆者參加的綜合管廊工程，從結構設計、材料選擇和施工工藝三方面，歸納了綜合管廊混凝土結構的裂縫控制的有效措施，總結了大集體混凝土澆筑的控制溫度裂縫的最新工程技術。

在永興河北路（大廣高速—磁大路）道路及綜合管廊工程三標段的施工中，筆者結合相關規范、施工組織設計和本文裂縫的分類等相關內容，實地應用，深刻總結，裂縫開展得到了有效的控制，保證了項目的工程質量。