現澆隧道裂縫控制大尺寸模型試驗研究

高健岳，藺威威，谷坤鵬，劉思楠，張君韜

（中交上海港灣工程設計研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

隨著城市道路交通的日益發展，地上空間趨向飽和，地下空間亟需開發利用，建設隧道工程的需求日益增加[1-2]。湖底隧道常用明挖現澆法施工，考慮澆筑混凝土大方量和支護情況限制，底板與側墻結構多采用分開澆筑的方式，由于不同步澆筑引發的收縮開裂問題，常常使側墻每間隔2～5 m 出現1 條豎向裂縫，呈規律性分布[3-5]。為控制側墻裂縫開展，國內外從大體積混凝土的受力狀態、原材料配合比及施工技術層面做了大量的研究[6-9]。其中，傳統的冷卻水管布設因施工簡便、降溫顯著等優點常應用于工程施工，但控制不同步收縮裂縫效果并不理想。

為此，鑒于降低新老混凝土結合面溫差[10-12]，補償不同步澆筑約束影響的角度，提出新老混凝土溫度場自平衡系統，即利用后澆筑混凝土結構自身水化熱通過水管聯通加熱先澆筑混凝土的技術原理抑制裂縫開展，并設計抗裂模型尺寸，結合施工工藝進行應用研究，為現澆隧道主體結構控裂提供參考。

1 新老混凝土溫度場自平衡系統開發

新老混凝土溫度場自平衡系統（圖1）主要包括供水系統、聯通系統、自動監測系統和控制系統等。它主要基于新型水管布設結合循環水控制系統，通過聯通不同步澆筑混凝土結構，充分利用上部新澆筑結構混凝土自身水化放熱，經過循環水系統的水循環，加熱下部后澆筑混凝土，平衡分步澆筑混凝土的溫度場，減小新老混凝土之間的綜合溫度差異，調節上下部混凝土的彈性模量差異，從而大幅度縮小下部混凝土對上部混凝土的約束作用，降低了混凝土不同步收縮和溫度應力的影響。

圖1 新老混凝土溫度場自平衡系統技術原理圖Fig.1 Schematic diagram of self-balancing system of new and old concrete temperature field

2 抗裂模型

2.1 模型建立與材料參數

基于太湖隧道主體結構特點，設計抗裂模型結構尺寸，模型長10 m，寬5.1 m，底板、側墻、頂板厚均為1.3 m（圖2）。

圖2 抗裂模型尺寸設計（mm）Fig.2 Dimensional design of crack-resistant model(mm)

按照設計尺寸建立三維有限元結構，采用順序熱力耦合分析方法即先計算溫度場，后將溫度數據作為預定義場進行計算應力場。采用笛卡爾坐標系，按照0.3 m 進行劃分網格，側墻共劃分1 848 個網格。采用1.6 cm 厚木模板，底部設置20 cm 厚C30 混凝土墊層。環境溫度取30～38 ℃，絕熱溫升取40 ℃，自生變形取-100 με。

混凝土入模溫度取28 ℃，表1 為具體混凝土熱力學物理參數取值。邊界約束條件為底部墊層全約束，澆筑層之間利用TIE 連接。

表1 混凝土熱學物理參數Table 1 Thermal physical parameters of concrete

2.2 開裂風險分析

利用MODEL CHANGE 功能實現底板、側墻、頂板分步澆筑，設置澆筑間隔時間（分析步）為30 d，計算結果得知，側墻混凝土結構為最大開裂風險結構。澆筑2 d 時，側墻內部出現最高溫度57.1 ℃，側表溫度為39.6 ℃，最大內表溫差約為19.2 ℃；澆筑完成30 d 時，側墻混凝土與底部收縮不同步影響顯著，在側墻長度方向底部出現最大拉應力2.33 MPa，根據文獻[13-14]定義的抗裂評估標準可知開裂風險系數為0.97，大于控制系數0.7，亟需針對結合面約束問題采取控裂措施。

2.3 隧道新老混凝土溫度場自平衡系統設計

基于表1 熱力學參數，建立水管模型結構，管徑取40 mm，流速取2 m/s，自澆筑混凝土覆蓋水管時進行通水，通水周期按照72 h 考慮。水管對流系數取740 kJ/（m2·h·℃）。并將水管采用與右側結構綁定的方式，以實現溫度平衡的仿真效果。

通過對不同水管布設方案的多次仿真計算，采用如下方案：側墻水管縱橫向間距均為300 mm，側墻布設6 層水管，最下層水管距離結合面為300 mm，底板布設4 層水管，最上層距離結合面為300 mm（圖3）。圖4 可知，當澆筑時間為2 d時，左側側墻中心出現最大溫度值57.0 ℃，底板溫度由環境溫度值影響；右側側墻中心出現最大溫度值46.0 ℃，底板最大溫度由于上側側墻通水聯通被加熱到41.6 ℃。仿真結果表明，設計的隧道新老混凝土溫度場自平衡系統不僅可降低內表溫差約11 ℃，還有效補償分步澆筑結構約10 ℃的溫度差約束應力，將開裂風險系數控制在0.7以內，可進行抗裂試驗開展并研究實際控裂效果。

圖3 水管系統布設方案Fig.3 Layout of water piping system

圖4 新老混凝土溫度場自平衡系統仿真云圖Fig.4 Simulation cloud diagram of self-balancing system of new and old concrete temperature field

3 現場試驗

3.1 混凝土配合比

隧道模型澆筑前，在實驗室進行絕熱溫升及自生體積變形性能測試，結合上述有限元設定熱力學參數，采用的混凝土絕熱溫升為42 ℃左右，自生收縮約-100 με，具體配合比如表2 所示。

表2 混凝土配合比參數Table 2 Concrete mix parameters

采用的水泥密度3 000 kg/m3，比表面積345 m2/kg，堿含量0.43%；采用的粉煤灰密度2 340 kg/m3，需水量比95%；采用的礦粉密度2 800 kg/m3，比表面積413 m2/kg；外加劑采用PCA-IV 聚羧酸減縮、抗裂減水劑，28 d 干燥收縮率比為98%。

3.2 水管連接、安裝與通水

新老混凝土溫度場自平衡系統由水管、分水器、循環水池、流量控制器、監測元件等組成，按照設計方案布設水管，采用扎絲等將水管與鋼筋綁扎牢固，水管轉彎處采用帶墊圈的彎頭連接，防止水管漏水及水泥漿滲入水管中。

水管安裝完成后即刻進行水壓試驗，查找是否存在漏水及阻水現象，并在澆筑前在水管中預先注滿水。側墻混凝土澆筑覆蓋后約4 h 開始通水，初始水溫約27 ℃，流量約為4 m3/h。水流方向見圖3：水泵5→分流器6 →側墻入口2→側墻出口2→側墻入口3→側墻出口3→底板入口1→底板出口1→儲水器→水泵5 形成一個循環回路，溫度平衡結束后，及時用水泥漿對水管進行壓漿封堵。

3.3 裂縫控制效果分析

現場模型實際澆筑時，側墻與底板澆筑間隔時間為25 d，頂板與側墻澆筑間隔時間為8 d。混凝土澆筑前，為研究新老混凝土溫度場自平衡系統的溫度平衡作用，在側墻與底板長度方向的中部沿高度方向布置溫度計，且在側墻表層布置溫度計用以監測內表溫差；除此之外，側墻與底板中部結合面處沿高度方向布置應變計，研究應變發展規律。

3.3.1 溫度控制效果

基于新老混凝土溫度場自平衡系統的溫度實測數據顯示（圖5），在夏季高溫環境下，當側墻混凝土澆筑完成40 h 時，側墻中部中心最高溫度為46.6 ℃，最大溫升約為19 ℃，最大內表溫差約為10.1 ℃，側墻下部中心溫度為43.1 ℃；結合面向下15 cm 處最高溫度達到39.0 ℃，隨著距離的增加，升溫影響較小，分別為6.4 ℃、3.0 ℃和1.4 ℃。由側墻下部中心和底板頂部溫度曲線計算可得上下結構結合面最大溫差為4.6 ℃。

圖5 基于新老混凝土溫度場自平衡系統的溫度實測曲線Fig.5 Temperature measurement curve based on self-balancing system of new and old concrete temperature field

3.3.2 應變、裂縫監測結果

側墻-底板應變實測曲線如圖6 所示。

圖6 側墻-底板應變實測曲線Fig.6 Curve of measured side wall-floor strain

由圖6 可知，側墻澆筑完成后，由于水化熱作用結構出現膨脹變形；溫降階段，開始收縮變形；由于后澆筑頂板水化熱聯通水管使側墻內部結構進一步加熱，出現一定的補償收縮作用；隨著側墻與頂板距離的接近，作用愈加明顯。側墻最大應變出現在結合面上方45 cm 處，最大應變為176 με，30 d 應變值為6 με，結合面下方20 cm 處30 d 應變區域為（-37～45）με；30 d 內側墻整體應變區域為（-60～180）με；整體抗裂模型澆筑完成后，持續監測6 個月，僅1 條裂縫產生，出現在底板側墻結合面向上1.6 m，寬度為0.15 mm，開裂風險大幅度降低。

4 結語

1）基于太湖隧道混凝土主體結構尺寸特點，開展了大尺寸（長×寬×高=10 m×5.1 m×6.65 m）的抗裂模型試驗，底板、側墻和頂板厚均為1.3 m，研究了新老混凝土溫度場自平衡系統的控裂效果。

2）采用有限元仿真計算，設計了具體的水管布設技術方案，以降低溫差補償不同步收縮控制開裂風險系數＜0.7。

3）現場實測數據顯示，在高溫30～38 ℃環境下，提出的新老混凝土溫度場自平衡系統使得模型側墻混凝土溫峰值降至46.6 ℃，絕熱溫升值降為19 ℃；底板溫度升至39.0 ℃；新老混凝土結合面最大溫差降至4.6 ℃，最大內表溫差降至10.1 ℃；30 d 內側墻整體應變區域為（-60～180）με。

4）整體抗裂模型澆筑完成后，持續監測6 個月，僅1 條裂縫產生，出現在底板側墻結合面向上1.6 m，寬度為0.15 mm，開裂風險大幅度降低。