基于跳倉法施工的深基坑大體積混凝土裂縫控制技術

周曉剛

(江陰市交通運輸綜合行政執法大隊)

0 引言

隨著地下工程的發展，建造了大量的大型地下商場、停車場、大空間和超深度地鐵站、超規格長度市政隧道等，這些地下工程結構為了克服水土壓力，需要施工大面積、超厚度的大體積混凝土[1]。在一次連續整體施工時，大體積混凝土固化過程中，水化反應不斷產生和積累熱量，內外溫差差異作用下使得混凝土的膨脹收縮不一致，進而導致裂縫產生，給地下工程結構的防滲造成威脅。因此采用科學合理的施工工法和有效的防裂措施是有效確保大體積混凝土順利施工的關鍵[2]。

1 工程概況

某隧道工程采用明挖順作法施工，隧道全長約2.4km，其中暗埋段長1880m，南、北側敞開段長分別為255m和280m；該工程占地面積約8.64萬m2，底板總面積約8200m2，隧道主體結構基礎厚度為900～1700mm 不等，側墻厚度900～1600mm；隧道基坑開挖深度約15.21m，開挖寬度約29.74～49.94mm，變形縫設置36m一道。

在隧道施工中，由于隧道施工縫的存在，導致以下幾個施工難題：①主體結構橫向施工縫（環向施工縫），根據實際工況設置，一般不超過20m，基礎及側墻配筋較密集，施工縫留置時間較長，混凝土面鑿毛、鋼筋除銹、界面處理等難度較大，致使隧道側墻施工縫處的滲漏水的現象時有發生；②施工縫處容易有泥土、流水等進入該界面，后期如果清理不干凈直接影響施工質量；③施工縫增加了防水施工質量的難度，增加滲漏隱患[3]。

為控制隧道混凝土結構裂縫發展和減少施工縫引起隧道側墻滲漏現象，項目隧道底板及側墻結構采用了跳倉法工藝施工和外摻氧化鎂膨脹劑等措施，目前隧道已回填完成1.2km，降水停止將近1年，現場結構自防水效果較為理想。

2 氧化鎂膨脹劑在大體積混凝土中的性能試驗

氧化鎂膨脹劑可使混凝土在固化的過程中產生一定的微膨脹性，有效改善混凝土的極限抗拉強度和抗滲能力；同時工程應用實例也表明，外摻輕燒氧化鎂時，混凝土的極限拉伸值可從133×10-6增長至142×10-6，且混凝土的齡期越長其抗裂性能也越好，因此在大體積混凝土施工中，加入氧化鎂膨脹劑可以改善混凝土的抗裂性能。此外，李承木教授[4]將齡期10 年和12 年的氧化鎂混凝土抗壓強度與其1 年空白強度比較，發現混凝土強度僅分別降低了3.1%和4.7%，說明外摻氧化鎂基本不會影響混凝土的安定性和結構穩定性；經長科院進行的氧化鎂試驗表明[5]，氧化鎂混凝土的彈性模量隨齡期的增加而增大，外摻氧化鎂的混凝土抗壓彈模與未摻氧化鎂混凝土基本相當；大量的碳化性能試驗結果表明[6-8]，經過28d連續碳化，混凝土中摻入30%粉煤灰后，外摻輕燒氧化鎂混凝土的碳化深度比未摻氧化鎂的混凝土減小34.3%，前者能夠明顯地影響混凝土的碳化進程，保持混凝土優良的工作性能。綜上所述，摻入氧化鎂膨脹劑可以有效提高混凝土的抗壓強度、彈性模量、抗裂性能、抗滲性能等，因此在其使用性能上有必要展開進一步的研究，以適用于大體積混凝土結構的抗裂控制。

為了更好地研究氧化鎂膨脹劑的使用性能，采用室內試驗的方法對大體積混凝土中氧化鎂膨脹劑的發展規律進行研究。在現有使用較為廣泛的氧化鎂膨脹劑中，主要有R 型氧化鎂膨脹劑、M 型氧化鎂膨脹劑和S 型氧化鎂膨脹劑，其主要性能指標如表1所示。

表1 氧化鎂膨脹劑的主要性能指標

本研究中選用與工程實際使用相符合的R 型氧化鎂膨脹劑進行試驗，制作混凝土試塊進行標準養護360d，加入氧化鎂膨脹劑后研究混凝土的膨脹發展規律。為了更好地定量分析，在試驗中設置了不同的氧化鎂膨脹劑摻入量，分別為0%、4%、6%、8%和10%，同時所有的試塊都經歷了4 種不同的養護溫度，分別為20℃、40℃、60℃和80℃，以研究大體積混凝土在不同的水化熱條件下的膨脹發展規律。不同養護溫度和不同氧化鎂摻量條件下，混凝土試塊的膨脹曲線測試結果如圖1～圖4所示。

從圖1～圖4 中可以看出，在相同的養護溫度條件下，不同的氧化鎂膨脹劑摻量的混凝土膨脹發展規律較為一致，膨脹率先呈非線性增加后逐步趨于平穩；相比于不摻和氧化鎂膨脹劑，摻和氧化鎂膨脹劑的混凝土的膨脹率顯著增加，且隨著氧化鎂膨脹劑的增加，混凝土的最終膨脹率也不斷增加，有效地改善了混凝土的抗裂能力，而增加混凝土的養護時間對于氧化鎂混凝土的最終膨脹率改善不顯著，但是可以提高氧化鎂混凝土的膨脹速率，隨著養護溫度的增加，鎂質膨脹材料膨脹反應速率也逐步增加，因此可以更快地達到最終膨脹率。結合實際混凝土養護溫度，調整摻量就可以設計不同的膨脹量和膨脹反應歷程。其膨脹性能與鈣質膨脹劑相當，且其膨脹反應需水量較小，適宜于夏季混凝土和大體積混凝土施工。

圖1 養護溫度為20℃時摻量混凝土膨脹曲線

圖2 養護溫度為40℃時摻量混凝土膨脹曲線

圖3 養護溫度為60℃時摻量混凝土膨脹曲線

圖4 養護溫度為80℃時摻量混凝土膨脹曲線

3 跳倉法施工在深基坑大體積混凝土裂縫控制中應用

3.1 跳倉法施工的基本原理

目前，地下工程技術發展迅速，地下工程結構也逐步向超長、超寬和超厚的方向發展，這些大體積和超規格長度的結構在施工過程中如果整體一次性澆筑，極難控制混凝土內部的溫度，造成混凝土內外部裂縫分布不均，導致混凝土產生溫度裂縫，影響地下結構的抗滲性能。跳倉法施工工藝是解決混凝土開裂的有效途徑之一，這是因為混凝土在施工5～10d 期間，其工作性能不穩定，未徹底凝固，跳倉法利用該期間混凝土內應力釋放出來的“抗與放”特性，采用隔一段澆一段分倉措施，且相鄰兩段澆筑間隔時間不小于7d，避免了混凝土初期的溫差和干燥，達到控制裂縫開展的目的。

3.2 深基坑大體積混凝土跳倉法施工工藝

為了控制本工程隧道大體積混凝土施工時的裂縫開展，采用跳倉法施工時，主要施工控制技術如下：①科學劃分“跳倉塊”，采取綜合施工管理措施，有效控制混凝土早期裂縫及減少滲漏水現象；②隧道側墻增加小直徑帶肋，在主鋼筋外側布設鋼筋網片，以改善表面混凝土的抗裂性能；③隧道側墻選擇低水化熱水泥，增加氧化鎂，減少混凝土收縮變形；④形成流水施工，縮短隧道底板及側墻施工間隙（即縮短第一次與第二次混凝土施工間隔），減少對后期施工的側墻砼約束裂縫。

跳倉法施工的總體工藝流程如圖5 所示。具體的施工操作要點分別為分倉劃分、分倉澆筑順序確定、大體積混凝土結構施工及溫度控制、施工縫處理。

圖5 跳倉法施工的工藝流程圖

在分倉劃分時，利用“抗放兼施”的原理，先將超長混凝土結構根據現場工況合理大小分倉，倉的縱向邊長在20m 左右。分倉時需要考慮的因素有分倉縫設在混凝土結構剪力最小處，對結構影響最小；在大體積混凝土結構施工及溫度控制時，分倉澆筑順序的確定原則主要為相鄰倉施工間隔大于7d；根據現場實際情況調整分倉澆筑順序。混凝土澆筑前，規范布設測溫芯片，隨時跟蹤檢測砼體內溫差，及時采取措施，保證溫控達到預期目的；混凝土澆筑完成，規范測溫時間及測溫記錄；掌握環境溫度；掌握混凝土的入模溫度；分倉施工完成后，對施工縫進行處理，具體為在施工縫處設置止水鋼板并支模嚴密，防止漏漿。

3.3 大體積混凝土跳倉法施工中的其他抗裂措施

大體積混凝土裂縫產生的主要原因有水泥用量大、活性高，水化熱大，含水量高；構造配筋率小、間距大；養護不及時，混凝土暴露面大；環境及混凝土溫度高，風速大；未形成流水施工，前期澆筑混凝土約束后期澆筑的混凝土應力變形；混凝土早期塑性收縮較重要，其它收縮還有：混凝土自生收縮、碳化收縮（大氣中CO2和混凝土水化物形成CaCO3）和混凝土干燥收縮（潮濕膨脹）。

因此在大體積混凝土跳倉法施工中，主要采取了以下幾個其他裂縫控制措施：

⑴優化設計

由于設計軟件基本假定、設計參數等脫離現場實際，造成定量甚至定性的誤差；合理配置側墻構造配筋或另行增加抗裂鋼筋網，保護層控制為25mm。

⑵跳倉分塊

分塊澆筑長寬盡可能控制在20m 以內，采用跳倉澆筑，確保分段混凝土獨立收縮變形而不影響整個結構收縮開裂。

⑶優選配合比

底板及側墻混凝士采用60d 至90d 齡期，采用水化熱低和凝結時間長的水泥，適當摻入氧化鎂，降低側墻混凝土溫縮應力；坍落度宜控制在140～180mm 以內，水膠比不大于0.5，澆灌速度不宜過快，混凝土自由落差符合規范要求。

⑷混凝土澆筑

加強管理嚴禁冷縫出現，混凝土澆灌后約2 小時進行二次振搗；混凝土施工前，根據天氣情況等做好周密的施工計劃方案，加強過程監督及振搗質量。加大施工力量，縮短底板和側墻施工間隔時間小于7d，減小隧道底板對側墻混凝土的變形約束；

⑸側墻混凝土養護

混凝土澆筑完成后，8～12 小時內開始帶模噴淋水或噴霧保濕養護。延長拆模時間，模板拆除后及時覆蓋專用養生薄膜及棉被覆蓋。

4 結論

⑴在相同的養護溫度條件下，不同的氧化鎂膨脹劑摻量的混凝土膨脹發展規律較為一致，膨脹率先呈非線性增加后逐步趨于平穩；相比于不摻和氧化鎂膨脹劑，摻和氧化鎂膨脹劑的混凝土的膨脹率顯著增加，有效地改善了混凝土的抗裂能力，隨著養護溫度的增加，鎂質膨脹材料膨脹反應速率也逐步增加，因此可以更快地達到最終膨脹率；

⑵基于跳倉法施工時，采用隔一段澆一段分倉措施，有效降低了隧道混凝土結構的裂縫開展，目前隧道已回填完成1.2km，降水停止將近1年，現場結構無裂縫出現，自防水效果較為理想。