1、明挖隧道大體積薄壁結(jié)構(gòu)裂縫控制技術(shù),2020/7/28,1,第一章 引言,2,隨著地下空間的開發(fā)與利用越來越廣泛，隧道工程的防水、耐久性問題已成為重要技術(shù)課題，為了使結(jié)構(gòu)提高自身的防水性能及耐久性，設(shè)計(jì)上普遍采用高性能混凝土，雖然摻入高性能外加劑、礦物摻和料的混凝土能夠滿足力學(xué)性能，同時(shí)提高工作性能和耐久性，但未充分改善其收縮性質(zhì)，裂縫是混凝土問世以來的質(zhì)量通病，有害裂縫會(huì)引起隧道滲漏水或影響到混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，文獻(xiàn)1P6中裂縫成因分為荷載引起的裂縫及變形變化引起的裂縫，荷載引起的約占20%，變形變化引起的約占80%。變形變化指的是結(jié)構(gòu)由溫度、收縮、膨脹、不均勻沉降等因素。本文著重于XXX工程

2、明挖隧道薄壁結(jié)構(gòu)作為施工案例，從工程實(shí)踐，對高性能混凝土溫度、收縮裂縫控制技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。,3,第二章 溫度、收縮裂縫 產(chǎn)生的機(jī)理,4,混凝土在成型至使用階段不斷伴隨著各種復(fù)雜的物理、化學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等過程，拌合后的混凝土，在初凝到終凝階段水分急劇蒸發(fā)和泌水，將引起塑性收縮。水泥在水化硬化過程中，因化學(xué)反應(yīng)的影響，導(dǎo)致體積發(fā)生變形。這時(shí)產(chǎn)生硬化收縮（或膨脹），混凝土中未參與化學(xué)反應(yīng)的水，在硬化后的混凝土孔隙和毛細(xì)管中。毛細(xì)管中水在干燥環(huán)境下蒸發(fā)則會(huì)造成毛細(xì)孔收縮進(jìn)而發(fā)生晶體間吸附水的蒸發(fā)導(dǎo)致混凝土干縮。混凝土是不良導(dǎo)溫材料，水泥水化引起產(chǎn)生的熱量增加速率遠(yuǎn)大于熱量擴(kuò)散速率，水化熱使混凝土內(nèi)部

3、溫度急劇上升，然后內(nèi)部溫度隨時(shí)間的推移緩慢下降，同時(shí)混凝土在降溫過程中產(chǎn)生降溫收縮，當(dāng)混凝土處在內(nèi)外約束下，以上各種收縮疊加效應(yīng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過了當(dāng)時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土將會(huì)產(chǎn)生開裂。,5,第三章 工程概況,6,南京XXX工程TA01標(biāo)段2處明洞分別為DK3+980DK4+350，YDK6+740YDK7+050。結(jié)構(gòu)形式見圖1：普通明挖斷主體結(jié)構(gòu)為兩獨(dú)立單層單跨矩形結(jié)構(gòu)，凈空5.38m5.575m（高寬）頂?shù)装搴?.7m，側(cè)墻厚0.6m, C40耐久性混凝土自防水，抗?jié)B等級(jí)P8，設(shè)縫構(gòu)造要求：施工縫應(yīng)根據(jù)施工組織安排，施工分段等情況而定。其間距宜參照類似工程的經(jīng)驗(yàn)確定。明挖結(jié)構(gòu)施工縫縱

4、向間距一般情況不大于18m，施工步驟:基坑開挖完成后，施作素混凝土墊層，鋪設(shè)防水卷材，逐層施作主體結(jié)構(gòu)底板、側(cè)墻及防水涂料，最后施作頂板。,7,圖1 隧道斷面圖（單位：mm）,8,第四章 裂縫控制技術(shù),4.1 施工前對結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析,4.2 施工前混凝土原材料選擇及配合比設(shè)計(jì),4.3 施工前理論計(jì)算分析,4.5 溫度控制措施,4.6 混凝土養(yǎng)護(hù),4.4 施工技術(shù)措施,9,4.1 施工前對結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析,為了控制結(jié)構(gòu)物的有害裂縫發(fā)生，施工準(zhǔn)備階段對結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析尤為重要，從而優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)和制定針對有效的施工方案，本工程對可能產(chǎn)生的混凝土裂縫的因素進(jìn)行如下分析，進(jìn)而采取有效措施。,10,4.1.1

5、大體積混凝土 大體積混凝土，文獻(xiàn)2里解釋為：混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土。大體積混凝土施工過程中因水泥水化熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，或由于混凝土干燥收縮而產(chǎn)生的收縮應(yīng)力變化引起混凝土體積變形而產(chǎn)生裂縫防控問題更為突出，本工程雖然最小尺寸小于1m，但體量大，且易產(chǎn)生溫度變化及收縮，應(yīng)納入大體積混凝土施工范疇，區(qū)別于普通混凝土施工。,11,4.1.2 薄壁結(jié)構(gòu) 本工程結(jié)構(gòu)長度及高度尺寸遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)厚度，所謂薄壁結(jié)構(gòu)，與一般結(jié)構(gòu)相比，薄壁結(jié)構(gòu)散熱面積大、水分散發(fā)速度快，散發(fā)量大，收縮引起裂縫的風(fēng)險(xiǎn)相對高，文獻(xiàn)1P

6、323里，對于箱型結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)以及各種空間薄壁結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)外表面的溫差及收縮差引起較大的約束應(yīng)力，但是，厚壁溫差大，薄壁溫差小，故間接地影響應(yīng)力大小，似乎越薄越好；但越薄收縮快，均質(zhì)性差，抗裂度也越低，文獻(xiàn)1149結(jié)構(gòu)材料越薄（溫差梯度越大，承受均勻溫度收縮的層厚越?。?，越容易開裂。,12,4.1.3 混凝土標(biāo)號(hào)及抗?jié)B等級(jí) 混凝土配合比設(shè)計(jì)階段，為了保證生產(chǎn)的混凝土強(qiáng)度及抗?jié)B性能，試配強(qiáng)度，抗?jié)B等級(jí)提高一級(jí)即P10，為了達(dá)到此目的，往往采用較高的水泥用量，必然導(dǎo)致水化熱升高，為了降低水泥水化熱，膠凝材料中摻入適量的粉煤灰和礦粉摻合料來代替部分水泥用量。 4.1.4 底板對側(cè)墻的約束 混凝土澆

7、筑體在水化熱峰值臨界點(diǎn)后逐漸降溫，此過程引起收縮變形，本工程結(jié)構(gòu)施工順序?yàn)橄葷仓装搴鬂仓?cè)墻，對于側(cè)墻來說，側(cè)墻澆筑后降溫過程產(chǎn)生的收縮變形受到先澆筑底板的約束。這種外界的約束對混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，若不改善或減小結(jié)構(gòu)的相對約束，會(huì)產(chǎn)生有害裂縫風(fēng)險(xiǎn)。,13,4.2 施工前混凝土原材料選擇及配合比設(shè)計(jì),4.2.1 水泥 混凝土的絕熱溫升主要是水泥水化的作用，為了降低水泥水化熱最直接的方法是，采用低熱礦渣硅酸鹽水泥或中、低熱硅酸鹽水泥，考慮到不同施工季節(jié)適應(yīng)性采用中、低熱硅酸鹽水泥，3d水泥水化熱實(shí)測值Q3=220kJ/kg,7d水泥水化熱實(shí)測值Q7=268kJ/kg。 4.2.2 粉煤灰 摻入粉煤

8、灰替代部分水泥用量，進(jìn)而間接降低水泥水化熱。文獻(xiàn)4P26里闡述：混凝土的自收縮隨粉煤灰摻量的增大而減小，特別是早期減小的非常明顯。這是因?yàn)樵缙诜勖夯也粎⒓臃磻?yīng)，隨著摻量增加，混凝土早期自干燥程度降低，自收縮減小。但過高的摻量必將降低混凝土抗拉強(qiáng)度，不能抵抗溫度、收縮應(yīng)力時(shí)反而影響裂縫控制，為了分析粉煤灰摻量對強(qiáng)度的影響，做了如下對比試驗(yàn)，其結(jié)果見表1。,14,表1 不同粉煤灰摻量對混凝土早期強(qiáng)度的影響結(jié)果,從表1數(shù)據(jù)可以看出，隨著粉煤灰摻量20%的遞增，早期強(qiáng)度3d、7d、14d分別下降約18%、13%、11%，且7d至14d之間強(qiáng)度增長非常緩慢，分別為0.3MPa、1.1MPa、2.4MPa

9、。,15,4.2.3 礦粉 摻入混凝土中的磨細(xì)礦粉的細(xì)度比水泥大，因此，可以填充水泥顆粒間的空隙，改善拌合物的工作性或降低用水量，同時(shí)提高混凝土內(nèi)部密實(shí)度文獻(xiàn)4P7988。本工程為了提高混凝土自身防水性能摻入礦粉，且不同摻量對抗壓強(qiáng)度影響及早期抗裂性能進(jìn)行分析，其結(jié)果見表2、表3,16,表2 雙摻條件下不同礦粉摻量對混凝土早期強(qiáng)度的影響結(jié)果,從表2數(shù)據(jù)可以看出，雙摻條件下隨著礦粉摻量10%的遞增，強(qiáng)度有起伏，礦粉摻量對強(qiáng)度影響有最優(yōu)摻量值，與單摻粉煤灰相比7d至14d強(qiáng)度增長作用非常明顯。,17,從表3數(shù)據(jù)可以看出，隨著礦粉摻量的增加，單位面積上的總開裂面積增加，因此摻入礦粉提高混凝土密實(shí)性及

10、早期強(qiáng)度非常有利，但過高的摻量必將增加早期收縮裂縫。,表3 雙摻條件下不同礦粉摻量對混凝土早期抗裂性能的影響結(jié)果,18,4.2.4 粗集料 粗集料的選擇應(yīng)考慮各項(xiàng)指標(biāo)符合技術(shù)規(guī)范要求外，宜選用膨脹系數(shù)相對較低的集料。文獻(xiàn)5P103P104闡述：不同巖石粗集料對混凝土的彈性模量和收縮變形有影響。粗集料的熱工性質(zhì)會(huì)影響混凝土的溫升以及耐火的性質(zhì)。因此，就品種來說，以致密的石灰?guī)r或深層巖漿巖（如輝綠巖、玄武巖等）為優(yōu)。本工程采用來源廣泛，料源穩(wěn)定的石灰?guī)r碎石。 4.2.5 外加劑 外加劑作為現(xiàn)代混凝土的重要一個(gè)組分，外加劑的選擇對混凝土收縮會(huì)產(chǎn)生很大的影響，混凝土外加劑GB8076-2008里高性能

11、減水劑與高效減水劑、普通減水劑相比收縮率比低25%。外加劑的選擇上宜采用低收縮率的高性能外加劑，且重視與不同廠家水泥適應(yīng)性。,19,4.2.6 配合比設(shè)計(jì) 配合比設(shè)計(jì)應(yīng)符合普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程基本要求外，大體積混凝土、抗?jié)B混凝土、泵送混凝土綜合因素綜合考慮，通過平面薄型板早期抗裂試驗(yàn)來判斷，各組配合比的早期抗裂性能，采用比較優(yōu)化、等值圖優(yōu)化方法，確定最優(yōu)配合比，其結(jié)果見表4。,表4 選用混凝土配合比,20,4.3 施工前理論計(jì)算分析,4.3.1 水泥水化熱總量文獻(xiàn)2 4.3.2 膠凝材料水化熱總量文獻(xiàn)2 4.3.3 混凝土的絕熱溫升文獻(xiàn)2 4.3.4 計(jì)算混凝土收縮量 文獻(xiàn)2 4.3.5

12、混凝土收縮相對變形值的當(dāng)量溫度文獻(xiàn)2 4.3.6 混凝土的彈性模量計(jì)算文獻(xiàn)2 4.3.7 混凝土最大降溫和收縮應(yīng)力計(jì)算文獻(xiàn)2 4.3.8 混凝土抗拉強(qiáng)度計(jì)算文獻(xiàn)2 4.3.9 混凝土防裂性能判斷文獻(xiàn)2,21,4.4 施工技術(shù)措施,4.4.1 澆筑長度確定 為了降低澆筑結(jié)構(gòu)物的蓄熱量及應(yīng)力在短期內(nèi)適當(dāng)釋放，采取跳倉施工法。若留過長的施工縫應(yīng)力釋放效應(yīng)不明顯，留過短的施工縫降低工效且增加結(jié)構(gòu)物防水風(fēng)險(xiǎn)。因此澆筑長度的確定不僅通過裂縫間距理論計(jì)算確定，還要考慮施工工期、人員、設(shè)備、周轉(zhuǎn)材料的投入、施工縫防水措施等諸多因素，本工程通過不同澆筑段比選確定為14m。如圖2所示。,圖2 分段澆筑示意圖（單位

13、：m）,22,4.4.2 澆筑時(shí)間間隔確定 分倉后的澆筑體雖然塊體相對小了很多，但薄壁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并未改變，且墊層混凝土對底板的約束和底板對側(cè)墻的約束仍然存在。為了確保已澆筑混凝土養(yǎng)護(hù)及短期應(yīng)力釋放效應(yīng)，結(jié)構(gòu)物的底板與側(cè)墻、頂板澆筑與各相鄰分倉之間最小澆筑時(shí)間間隔為14d。 4.4.3 澆筑方法 為了防止膠凝材料集中在某個(gè)區(qū)域，確保振搗勻質(zhì)性宜采用二次振搗工藝，并且嚴(yán)格控制混凝土的澆筑速度、合理地進(jìn)行分層，確?；炷恋倪B續(xù)澆筑，盡可能混凝土溫度均勻上升同時(shí)分層散熱，在薄壁結(jié)構(gòu)澆筑不宜采取推移式連續(xù)澆筑。,23,為了準(zhǔn)確掌握薄壁結(jié)構(gòu)溫度場，根據(jù)環(huán)境變化及時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)措施，確定養(yǎng)護(hù)期限，14m澆筑段內(nèi)，

14、布置5個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)（1#5#）和監(jiān)測站設(shè)置1個(gè)環(huán)境溫度監(jiān)測點(diǎn)（6#），見圖3：,圖3 測溫點(diǎn)布置示意圖（單位：m）,4.5 溫度控制措施,24,混凝土開始澆筑至澆筑后10天間，采用北京首瑞測控技術(shù)有限公司產(chǎn)的溫度自動(dòng)跟蹤測試儀，6個(gè)通道，6個(gè)傳感器以每2h觀測一次溫度，溫度隨時(shí)間變化曲線見圖4：,圖4 溫度隨時(shí)間變化曲線圖,25,從圖4可以看出最高溫升發(fā)生時(shí)間為澆筑開始2832h之間，最高溫度為6065，入模溫度實(shí)測值29.2，絕熱溫升52.69，可以推算出，夏季施工散熱影響系數(shù)0.68。為了更好的分析每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度場的變化、里表溫差、降溫速率及表面與大氣溫差，每2h監(jiān)測點(diǎn)做了統(tǒng)計(jì)，見表5：

15、,26,表5 降溫階段溫控指標(biāo)變化表,從表5發(fā)現(xiàn)，里表溫差均未超出文獻(xiàn)2規(guī)范值25，降溫速率過快，澆筑后6d內(nèi)均超出文獻(xiàn)2規(guī)范值2.0/d最高時(shí)達(dá)到7.6/d，每2h降溫差最高時(shí)可達(dá)0.6，因此薄壁結(jié)構(gòu)溫控控制重點(diǎn)是放慢降溫速度來減緩降溫收縮的累計(jì)，采取措施是保溫保濕養(yǎng)護(hù)，尤其是澆筑后7d之內(nèi)是關(guān)鍵。,27,4.6 混凝土養(yǎng)護(hù),保溫養(yǎng)護(hù)是通過保溫措施來降低澆筑體的里表溫差、延長降溫時(shí)間來調(diào)整降溫?cái)?shù)率減緩降溫收縮的累計(jì)、縮小澆筑體表面與環(huán)境溫差，從而防止混凝土降溫收縮。保濕養(yǎng)護(hù)是混凝土早期抗拉強(qiáng)度不高的情況下推遲混凝土干縮的發(fā)生時(shí)間，防止干縮和降溫收縮過早地疊加，隨著混凝土齡期的增加，混凝土抗拉

16、強(qiáng)度得到提高，混凝土徐變帶來應(yīng)力松弛作用得以發(fā)揮，從而減少干縮的危害。基于此采取保溫保濕養(yǎng)護(hù)，混凝土澆筑后表面立即覆蓋塑料薄膜，封閉混凝土表面水分蒸發(fā)，澆筑體周圍用土工布整體圍護(hù)，土工布上澆水，混凝土在保溫、保濕的有利環(huán)境條件下使水泥的水化硬化有效進(jìn)行。,28,第五章 結(jié)束語,29,5.1 薄壁結(jié)構(gòu)混凝土溫度場與大體積混凝土溫度場有共同點(diǎn)也有不同點(diǎn)，共同點(diǎn)：高度方向溫度分布中部高，上下表面略低，不同點(diǎn)：厚度方向溫度差比較小，溫度場計(jì)算時(shí)采用一維差分法，在薄壁結(jié)構(gòu)上不適用。 5.2 薄壁結(jié)構(gòu)混凝土散熱面積大、散熱量多，控制降溫速率是施工階段重點(diǎn)工作，現(xiàn)有資料中對薄壁結(jié)構(gòu)散熱影響系數(shù)統(tǒng)計(jì)的非常少見，溫度估算時(shí)確定散熱影響系數(shù)是難點(diǎn)，需大量的薄壁結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測工作來完善。 5.3 寧高城際軌道交通二期明挖隧道施工，首先滿足大體積混凝土施工規(guī)范及工藝要求外重視薄壁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，材料特性、施工技術(shù)、環(huán)境影響等諸多因素充分考慮，可以控制有害裂縫的發(fā)生，對同類工程具有一定的參考價(jià)值。,30,參考文獻(xiàn),31