隧道混凝土工程裂缝控制技术研究.docx

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1、引言随着国家大力发展基础设施建设，地铁、隧道等百年工程越来越多地出现在人们的生活 中，大体积混凝土也因此应运而生。然而大体积混凝土由于胶凝材料使用量高,水化热过大， 混凝土结构容易开裂，同时市场上砂、石等优质混凝土原材料越来越匮乏，导致混凝土自身 的收缩加大，并且施工单位过度的追求施工周期，也在一定程度上不利于裂缝的控制，这些 方面叠加在一起导致现在的隧道大体积混凝土结构开裂现象愈发严重。要解决大体积混凝土 开裂问题，首先要了解开裂的原因，温度收缩是混凝土结构产生裂缝的重要原因之一，在大 体积混凝土结构中尤为明显。温度裂缝主要是由于水泥早期集中水化，水化热在混凝土内部 聚集形成温升及温差进而产

2、生的温度应力造成的。因此，要抑制结构温度裂缝，需要降低结 构混凝土温升”，可以尝试加入具有温度调控作用的温控型膨胀剂，不仅可以产生体积膨胀 抵抗混凝土的收缩，同时可以延缓大体积混凝土早期的水化速率，降低温峰值和温峰出现时 间，也同步降低了后期温度急剧降低带来的收缩开裂风险。合理设计分段长度、控制混凝土 质量和施工水平以及合理选择养护方案对于隧道等大体积混凝土结构裂缝控制也很重要， 因此需要针对工程特点和难点提前预测风险点，并制定针对性的技术方案，通过各种措施来 解决裂缝问题。1、工程概况无锡某隧道是341省道马山至宜兴周铁段工程中的一个重要节点工程，项目全长约 7810m,其中敞开段长度620

3、m,暗埋段长度7190m,整个项目湖中段施工较多，长达6750mo 如图1所示。项目底板/侧墙厚度绝大多数在L31.5m之间，顶板厚度在1.21.4m 之间。主体结构防水等级为二级以上，混凝土强度抗渗等级为C40P8。项目采用双孔一 管廊形式，孔净宽16. 5m,净高5m,主线设计时速IoOkmh图1 某隧道断面图1.1项目特点及难点（1）项目主线隧道底板、侧墙、顶板属于大体积混凝土，原设计结构 单段长度25351,侧墙分段过长，裂缝控制难度极大。（2）整个项目湖中段长度占整个隧 道长度的85%以上,采用围堰模式封闭施工,暗埋段占主体长度的92%以上,施工难度较大， 对结构自防水要求更高。（3

4、）项目绝大部分主体采用台车一体化浇筑，侧墙和顶板同时施 工，侧墙受到基础底板、顶板以及地下连续墙的约束，开裂风险极高。（4）台车下部采用 液压的方式固定，容易产生模板扰动，引起结构开裂。L2解决方案针对该项目的复杂性，根据项目特点设计整套防水技术方案，从设计、材料、 施工等多维度一起，共同解决该项目防水技术难题，具体方案如下：（1）采用ANSYS软件 对该尺寸的结构及混凝土配合比进行有限元模拟分析，预算抗裂安全系数。（2）结合该 项目大体积混凝土施工的特点，选择FQY温控型膨胀剂，补偿大体积混凝土内部的温度收缩 和干燥收缩，同时抑制早期的水化放热速率，延缓温峰值的出现时间，从而达到降低温峰值

5、的效果。（3）对搅拌站配合比进行优化，优选原材料，提前进行平板抗裂和限制膨胀率检 测等相关试验，将掺FQY温控型膨胀剂的混凝土配合比调整到最优。（4）规范施工过程， 采取一系列可行的措施控制混凝土的入模温度，把控施工中的关键环节。（5）关键部位埋 设应变计和温度线等监测点，根据结构内部监测数据，调整养护方案。2、有限元抗裂仿真分析2。从两方面对大体积混凝土抗裂安全性进行评价：一方面是特征温度控制值，如浇筑温度、 内部最高温度及里表温差等，可将混凝土温度仿真计算值及后期实测值与相关规范的规定值 进行对比分析；另一方面是抗裂安全系数，通过混凝土轴心抗拉强度试验值与对应龄期温度 应力计算最大值之比作

6、为控制标准进行评价。根据GB 50496-2018大体积混凝土施工标 准，按式（1）进行判定：AI2k（1）式中：Q混凝土的温度应力，MPa;A（r）龄期为7时混凝土的轴心抗拉强度，MPa;K混凝土抗裂安全系数，取K=I.4。混凝土的结构尺寸、配合比、强度、预拆模时间等均为己知，假设环境温度为1527, 入模温度为27,隧道主体结构温度场模拟试验和抗裂验算应力场计算结果见表1、表2。表1 隧道温度场计算结果浇筑部位分段长度/m内部最高温度/七最大里表温差/1温峰出现时间/h隧道底板64.621.246隧道侧墙1755.416.239隧道顶板64.921.445隧道底板64.922.148隧道侧

7、墙2555.816.540隧道顶板65.522.247注：混凝土最大里表温差指混凝土内部最高温度与同一时刻距表面50mm处的混凝土最低温度之差。浇筑部位分段长度_ /mPl主应力/MPa抗裂安全系数3d7d2M90d3d7d28d90d隧道底板1.151.502.242.462.161.811.412.75隧道侧墙171.24-0.42-0.63-0.601.9320.020.020.0隧道顶板0.870.16-0.02-0.023.0117.420.020.0隧道底板1.131.492.242.622.171.801.381.22隧道侧墙251.95-0.42-0.62-0.621.0320

8、.020.020.0隧道顶板0.920.171.051.222.7615.91.241.93由表1、表2可知，（1）该隧道分段长度不论是17m还是25m,主体结构内部温峰值大小和 温峰出现时间差别不大，温升值均接近30,最大里表温差均在25七以内，温控指标满足 GB 504962018中关于混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值不宜大于50,混凝土浇 筑体里表温差不宜大于25C的要求。（2）根据抗裂安全系数分析，该隧道在分段长度为17m 时，主体结构底板、侧墙、顶板在90d内抗裂安全系数均大于1.4,不存在开裂风险；当分 段长度为25m时，底板28d抗裂安全系数为1.38,略微低于1.4,存在较

9、小的开裂风险，隧 道侧墙3d抗裂安全系数仅为1.03,存在较大开裂风险，顶板28d抗裂安全系数为L 24,低 于L4,存在一定的开裂风险。结合抗裂验算结果，项目的分段长度在25m存在一定的开裂 风险，因此项目设计更改为每20m设置一道施工缝，40m设置一道变形缝。3、FQY温控型膨胀剂的产品性能及配合比优化3.1产品性能FQY温控型膨胀剂是一种多功能复合型材料,通过在膨胀材料中引入水化热抑 制组分，兼具有减缓水泥基材料水化放热及补偿水泥基材料收缩作用的产品。其产品性能满 足GB/T 234392017混凝土膨胀剂中的技术指标，并符合GB/T129592008水泥水化 热测定方法中对于水化热调控

10、的技术要求，具体指标见表3。项目指标值I型Il型比表面积/(r2kg)200细度1.18mm筛筛余/%0.5凝结时间初凝45mi终凝600限制膨胀率水中7d0.0350.050/%空气中21d-0.015-0.010抗压强度7d三22.5/MPa28d42.5水化热降低率1d三50/%7d153. 2混凝土配合比优化针对搅拌站原材料对温控型膨胀剂适应性及混凝土配合比设计调整 试验。在分析了各种原材料特性和相关技术参数后，形成了主要原材料分析报告，拟采用水 泥+粉媒灰的体系，控制总胶材用量W420kg,其中水泥用量320kg根据各原材料特 性进行配合比设计优化，分别对主体结构的混凝土配合比和限制

11、膨胀率进行温控型膨胀剂的 最优掺量试验研究。在保证各组混凝土配合比满足工作性、力学性能的基本前提下，达到降 低水化温升、补偿收缩的综合抗裂效果，最终确定C40P8混凝土配合比及对应的测试结果见 表4。表4混凝土配合比及测试结果说竹 强度 水泥 粉煤灰 砂子 石子 水 减水剂温控型二胀剂抗压强度/MPa限JM膨胀率等级 /(kflm,) /(kgmj) /(kgm3) /(kgmj) Z(kgm3) /(kam) /(kgms)/%Q oG侧墙 / 顶板 C403207168611191504.162635.549.10.021注：FQY温控里膨胀剂梅量固定为26kgm此外，为了评估FQY温控型

12、膨胀剂对于该混凝土结构中的早期抗裂效果，在工地实验室进行 了平板抗裂实验。在保证混凝土原材料不变的情况下，将FQY温控型膨胀剂作为唯一变量进 行试验。试验结果显示，空白组（不掺FQY温控型膨胀剂）单位面积上的总开裂面积为 782mm7m2,对照组（掺FQY温控型膨胀剂）单位面积上的总开裂面积为侬而小）FQY温控 型膨胀剂在降低裂缝出现率方面有着明显的效果。4、施工过程管控4.1 入模温度控制根据GB 504962018的规定，控制混凝土入模温度在530C之间。各 原材料中，石子对混凝土出机温度的影响最大，砂和水次之，水泥的影响相对较小。因此, 降低混凝土浇筑温度最有效的办法是降低石子和砂的温度

13、，石子和砂的温度每下降1,可 分别使混凝土温度降低出机温度约0. 45和0. 32o分别在砂石料仓及料斗上方设置遮荫 棚，防止阳光直射砂石料，并且在混凝土浇筑前，对原材料温度进行监测，防止原材料温度 过高；遇到夏季极高温天气，有条件的建议在原料罐体周围设置环形冷却水降温系统，给粉 体材料降温。现场施工尽量避开极端天气浇筑，夏季宜选择16:00以后开始混凝土浇筑，以 此控制混凝土的入模温度在规定范围内。4.2 施工过程控制（1）严格按照规范要求施工，分层浇筑，每层浇筑厚度应700mm,现场 混凝土按要求监控坍落度，到场混凝土坍落度宜控制在160 180mm之间；（2）严禁现场混 凝土加水，模板内

14、不得有积水，现场工人振捣密实，不得过振、欠振；（3）模板应拼接牢 固，严禁别钢筋下料，下料和振捣不可导致钢筋位移；（4）底板和顶板宜采用二次抹面的 方式，消除早期的塑性裂缝。4.3 养护方式控制通常来讲，浇筑完成及时覆盖土工布或者保温棉类物体进行保温，并进行 洒水保湿养护，夏季温度较高时，宜进行蓄水养护。由于侧墙保水性差，可设置喷淋管, 或者采用水能量养护膜。冬季施工适当延长拆模时间，加强保温措施，保湿养护时间持续 Md以上，具体措施如图2图4所示。图3侧墙覆盖养护膜图4 顶板覆盖保温棉4.4 监测点埋设及数据分析对于隧道这种大体积混凝土结构，开裂的原因很多，其中混凝 土温度收缩和干燥收缩开裂是最常见的裂缝形式。本文重点选取开裂风险最高的侧墙、顶板 埋设监测点。主体结构中心埋设应变计，主要监测内部中心应力和温度变化情况，在结构迎 水面和背水面表层约50mm处埋设温度线，收集温度变化情况，通过和内部中心温度形成对 比，形成温度梯度差来指导养护措施。具体的温度及应变曲线如图5”图8所示。由图5可 知，侧墙内部中心温度和表层温度均呈先上升后降低的趋势，这是由于初期混凝土水化反应 较剧烈，此阶段放热速率大于散热速率，温度上升。其后水化反应速率降低，温度达到峰值， 此时内部温度处于一个较高的位置，散热量加快，混凝土水化放热量小于结构通