明挖現澆隧道大體積混凝土開裂風險評估分析

陳英振

摘要 文章旨在研究明挖現澆隧道中大體積混凝土開裂的風險評估及控制方法，有效控制大體積混凝土開裂的風險，提高隧道工程的質量和安全性，通過從原材料選擇、大體積混凝土抗裂性技術指標及參數等方面對抗裂性評估的方法進行了論述，得出結論；介紹了低溫升、低收縮混凝土的制備及相關指標控制方法，以確保混凝土的質量；提出了隧道側墻部位大體積混凝土作業施工控裂的施工工藝措施，應用于實體結構工程中，取得了良好效果。

關鍵詞 隧道工程；大體積混凝土；裂縫控制

中圖分類號 TU755文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0105-03

0 引言

隨著我國交通基礎設施建設水平不斷提升，規模不斷擴大，大體積混凝土在交通工程建設中也得到了廣泛應用。但大體積混凝土結構因長期受外部環境影響，易產生貫穿裂縫，從而破壞整體結構的防水性能和耐久性能，縮短其使用壽命，影響工程質量[1]。因此在大體積混凝土工程結構施工中，不斷加強對其開裂風險的分析研究具有相當重要的意義[2]。

1 工程概況

某市政道路下穿隧道工程，采用明挖法施工工藝進行開挖。隧道全長0.75 km，隧道寬27.2～29.8 m，隧道起點擋土墻長度是20 m、終點擋土墻長度是30 m，隧道起點敞口路段長0.14 km、終點敞口路段長0.18 km，隧道中間暗埋路段長0.38 km。該工程的混凝土設計強度是C28d45和C56d50，混凝土坍落度是200±20 mm。隧道單個階段的混凝土用量為3 000 m?。

2 抗裂性評估方法與結果

2.1 抗裂性評估方法

在工程完成混凝土澆筑之后，混凝土自身受到溫度、自身性能以及水分散失等影響，會導致混凝土體積發生變化，然后在混凝土內部產生收縮應力。在混凝土內部產生的這種收縮應力比混凝土抗拉力大時，就會出現混凝土裂縫現象[3]。該工程中對混凝土結構開裂風險的計算分析是建立在“水化－溫度－濕度－約束”多場耦合機制的抗裂性評估理論與方法基礎之上的，計算公式如（1）式所示：

式中，η——混凝土開裂風險系數；σ——在t時刻的混凝土最大拉應力（MPa）；ft——在t時刻的混凝土抗拉強度（MPa）。

通過多次試驗和大量工程實踐表明，當η<0.7時，大體積混凝土結構基本不會出現裂縫現象；當0.7≤η<1.0時，大體積混凝土結構發生裂縫的可能性極大；當η≥1時，大體積混凝土注定會發生裂縫問題[4]。

2.2 抗裂性評估結果

假設入模的混凝土溫度比日平均溫度低5 ℃，對不采取任何措施情況下的混凝土開裂風險（REF）、在混凝土墻體中心縱向布設兩根間距為1 m的冷卻管基礎上的開裂風險（LQSG）、摻雜具有溫升抑制膨脹功能抗裂劑下的開裂風險（HME）三種情況分別進行評估，當混凝土入模溫度為15 ℃、混凝土絕熱溫升為45 ℃時，三種情況下側墻混凝土結構中心開裂系數情況如圖1所示[5]。

由圖1可以看出，在混凝土沒有采取任何措施的情況下，混凝土的開裂系數大于1，結果是混凝土必然出現開裂現象；當側墻中心布設冷卻管時，混凝土的開裂風險系數雖有所減小，但仍大于1，仍有開裂的可能；將具有溫升抑制膨脹作用的抗裂劑摻入混凝土時，可使側墻混凝土開裂系數小于0.7，且大概率不會出現開裂現象。

為了達到預防開裂現象的最佳效果，采取當側墻混凝土中心點溫度達到峰值后，立即在其表面加設一層1 cm厚的保溫棉，以達到控制混凝土內外溫差的效果。此時，三種情況下混凝土表面開裂風險系數如圖2所示。

由圖2可以看出，不采取任何措施的混凝土，最大開裂系數仍大于1；結果表明：當在側墻中心布設冷卻管后，混凝土的最大開裂系數介于0.7與1之間，裂縫風險較大；加入抗裂劑后，混凝土抗裂系數小于0.7，抗裂性能良好。

3 低溫升、低收縮混凝土的制備及相關指標控制

3.1 原材料選擇

混凝土澆筑后自身內外溫差較大是造成混凝土裂縫的一個重要原因，因此選擇化學性能較為優質的混凝土原料進行科學的實驗配比，由此實現混凝土澆筑后熱量釋放和降低的有效結果。因此，根據上述分析評估，在滿足有關標準規范的前提下，相關原材料的參數指標應滿足以下要求：

（1）水泥應采用標號為42.5的硅酸鹽水泥，考慮到硅酸三鈣和堿含量過高都會增大混凝土的收縮和放熱速率，故而要嚴格控制硅酸三鈣的含量，以＜6%為最佳控制量，同時將堿的含量也控制在0.6%以內。

（2）可將Ⅰ級粉煤灰作為主要原料，且選擇的粉煤灰要符合相關規定的參數要求。

（3）礦粉宜選擇型號S95級的渣粉類型，輔助減水劑可選用南方廠家生產的高性能聚羧酸型。

（4）砂子選用Ⅱ區中砂，含泥量要控制在2%以下，細度模數在2.6左右為最佳。碎石粒徑篩選直徑在5～

25 mm之間的原料即可，而且質地要硬、體積要勻稱。

3.2 大體積混凝土抗裂性技術指標及參數

依據《大體積混凝土施工標準》（GB50496—2018） 《水運工程混凝土施工規范》（JTS202—2011）《公路橋涵施工技術規范》（JTG/TF50—2011）等現行規范標準，根據上述有關計算評估方法可知，該工程混凝土分段澆筑的長度應小于20 m。同時，結合現場施工情況，得出大體積混凝土有關抗裂指標如表1所示。

在此基礎上，該項目擬通過降低水泥用量和摻入抗裂劑等措施，來降低混凝土的溫升值；通過優化混凝土配比參數和使用減縮型高性能化學減水劑等方式，來實現混凝土收縮數值下降的最終結果。表2給出了具有較低混凝土溫升值和收縮值的混合配比，圖3～4中給出了混凝土的絕熱溫升及體積的變形情況。

從圖3可知，在第7 d時混凝土的絕熱溫升值升至45 ℃，第1 d與第7 d混凝土絕熱溫升值的比值為0.4，上升在?35 με時，正好是7 d的一個周期，四周后該混凝土體積值變化為?84 με，試驗結果符合表3中對混凝土低溫升和低收縮的設計參數要求。

4 隧道側墻部位大體積混凝土作業的施工控裂

4.1 施工工藝措施

混凝土澆筑施工工藝是影響混凝土開裂的又一重要因素，考慮到隧道工程結構復雜、工程量體積龐大的特點，為了盡量減少隧道側墻受外力影響而出現開裂的問題，在進行隧道施工設計時，應對側墻施工縫進行優化，將通常采用的三層縱向依次澆筑法改為2層縱向澆筑的方式，對底板和側墻同時進行一體化澆筑，最后再澆筑頂板，同時要將縱向分段澆筑長度控制在20 m內，不能過長。同時，應盡可能地減少側墻之間的水平施工連接縫，從而減小底板對側墻的約束作用。

4.2 隧道作業中大體積混凝土冷卻管操作

在隧道大體積混凝土中采用冷卻水管施工工藝，也可以有效降低混凝土的開裂風險。該工程通過布設由現場溫度信息采集、數據閾值處理、冷卻循環水職能控制三個分系統組成的智能溫控系統，對現場冷卻管進行指令性控制。介于隧道作業的環境特殊性，針對大體積部位的混凝土施工中，選用冷卻水管工藝可明顯改善混凝土的化學性能，增強原料與墻面的連接性，減少開裂情況。同時，借助專業的溫控系統，實現隧道施工中重要環節的數據采集、處理及循環操作，便于對施工現場冷卻管作業的順利開展。其工作原理是通過冷卻循環水將混凝土內部熱量帶走，從而降低混凝土內外溫差，降低收縮應力，達到降低混凝土因溫差過大而產生開裂風險的目的。表3為關鍵溫控及控制指標。

5 實體結構工程應用

隧道工程中，混凝土澆筑通常在夏季高溫季節進行，此時平均氣溫為35 ℃左右。該工程在進行混凝土澆筑作業時，將入模溫度控制在28 ℃范圍內，采用2層縱向澆筑的方式，按照底板和側墻同時澆筑的順序，由兩側分別向中間澆筑。澆筑作業前，先對側墻角底部位進行澆筑，當混凝土料擴散至側墻底部時，再對側墻內進行澆筑。此外，還需要在側墻中心、側墻底部中心，以及距離側墻表面5 cm的位置，分別布設溫度檢測裝置，以便對溫度進行實時監控。

結果顯示，該次混凝土入模溫度控制在27 ℃左右，溫度的最高值出現在第二天，側墻中心溫度最高值為62.5 ℃，絕對溫升值35.5 ℃比表2中的抗裂性控制指標要求略高，因此在后期作業中，需對冷卻水管的降溫措施進行有效控制。該工程采用了保溫性能良好的木模板工藝，并在拆模后進行土工布覆膜養護，使混凝土澆筑過程中的整體內外溫差始終保持在15 ℃以內，且側墻中心溫度的下降速度為2.5 ℃/d，側墻表面溫度的下降速度為2.1 ℃/d，混凝土整體溫度的下降速度未超過3 ℃/d，所用的穩控措施也取得了較為明顯的冷卻效果。隧道主體完成大體積混凝土澆筑后，經過半年跟蹤觀察，未發現有貫穿性收縮裂縫。

6 結論

綜上所述，隧道施工作業過程中，對大體積混凝土裂縫的控制工作，是一個可以衡量工程質量是否達標的重要指標。該文以實際案例為分析背景，以多因素耦合抗裂性評估方法為基礎，從材料選擇到施工措施應用，對大體積混凝土裂縫進行了全方位的控制，具體得出如下結論：

（1）通過多因素的耦合抗裂性試驗方法，評估出不同入模溫度情況下的側墻開裂風險參數，也由此得出在入模溫度超高時，結構尺寸厚度就越大，由此帶來的混凝土開裂風險也越大。

（2）結合（1）的評估結果，對混凝土抗裂性關鍵控制指標進行了測試，測試結果顯示，通過降低水泥用量和摻入抗裂劑后，混凝土的抗裂性能滿足低溫升和低收縮的要求。

（3）在（2）的結果應用基礎上，結合2層縱向澆筑施工方式和冷卻管技術等綜合措施應用，使得混凝土入模溫度達到27 ℃左右，側墻中心溫度最高值達到62.5 ℃，結合采用保溫性能好的木模板工藝，同時在拆模后進行土工布覆膜養護處理，使得混凝土澆筑過程中的整體內外溫差始終保持在15 ℃范圍內，側墻中心和側墻表面溫度下降速度小于3 ℃/d，混凝土拆模至今未發現有害裂縫，控裂效果顯著，實現施工質量及經濟效益的雙重效果。

參考文獻

[1]強尕文. 隧道大體積混凝土施工質量控制措施[J]. 低碳世界， 2021（1）： 148-149.

[2]嵇宏山. 淺談城市隧道大體積混凝土施工質量控制[J]. 江西建材， 2020（9）： 137-139.

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[4]姜虎成. 隧道襯砌澆筑混凝土施工技術[J]. 工程建設與設計， 2020（7）： 211-213.

[5] 陳才智. 大跨徑明挖隧道混凝土結構施工裂縫成因分析及防治措施[J]. 交通科技與管理， 2021（22）： 1-3.