分次浇筑明挖隧道结构收缩裂缝控制研究

分次浇筑明挖隧道结构收缩裂缝控制研究

葛金春

无锡市城市重点建设项目管理中心, 无锡,  214222

摘 要:钢筋混凝土，作为工程建设的主要材料，其裂缝控制直接决定了结构的工程质量。根据规范要求，为使得混凝土在满足耐久性的前提下能充分发挥承载能力，允许混凝土带裂缝工作。本文以分次浇筑的明挖隧道实际工程为背景，对典型的收缩裂缝情况统计并提出理论分析，继而对混凝土原材、配合比、施工工艺、养护要求等多方面进行优化控制。结果表明，上述措施效果显著，值得进一步推广供类似工程参考。

关键词：混凝土；收缩裂缝； 养护；隧道

StudyonShrinkCrackControl of Open-cutTunnel Made with Several Steps

Ge Jinchun

(Wuxi City Key Construction Project Management Center, Wuxi, 214222)

Abstract:

The concrete, as a main material of the engineering works, its crack control determines the quality of the buildings. According to the codes, it is accepted that the concrete works with cracks when it meets the demands of durability. Based on an open-cut tunnel made with several steps, the cracks are collected and analyzed in theory. After that, the optimization of original materials, mix proportion, construction requirements, as well as the conservation are proposed. Results show the methods are much available, which can also be promoted and referred in future projects. 

Keywords: concrete, shrinkage crack, conserve, tunnel

中图分类号：U455文献标识码：A文章编号：-----------

0引言

随着经济的发展、技术的进步，各地均进行大量的为民、便民的基础设施。美丽的街区环境，便捷的交通方式是提升人民幸福感的重要体现，由此，催生了大量的轨道交通、隧道等地下设施。在城市敏感区内，由于对周围环境影响小、可释放地面资源等优点，主要道路规划为隧道是主要选择。然而，隧道结构墙板的开裂渗漏，会影响了司乘人员的感官体验，增加了养护成本，甚至会影响结构安全。

混凝土是由水泥等胶凝材料、粗细骨料、水，掺加一定量的外加剂混合而得。由于原材料质量难以控制，最优材料配比难以获取，使得混凝土存在一定的“缺陷”；在运输过程、施工过程中又无法精确控制，浇筑时还存在一定主观差异，从而使得混凝土无法达到预期效果。工程项目的地理位置、温湿度环境，甚至天气的不确定性均给混凝土的“成长”带来了不同的影响。以上因素使得混凝土单个构件的质量控制具有较大难度，再者，不同构件之间的连接方式、施工顺序又造成构件间不均匀的“变形”，进而造成混凝土结构裂缝的进一步扩展，最终使得混凝土结构质量参差不齐。

理想化地控制混凝土结构裂缝、完全消除混凝土结构渗漏固然不太可能，但通过全过程的精心设计、严控施工质量及精细化管理，在项目中不断摸索、优化，混凝土结构裂缝仍是可以有效缓解的，这也是参建各方共同努力的意义所在。

1研究现状

钢筋混凝土所采用的胶凝材料主要为水泥、粉煤灰、硅灰、磨细石灰石粉和高炉矿渣，且高炉矿渣的数量越来越少，已逐步退出历史舞台。近年来，很多科研人员对上述胶凝材料的掺入比例、效果及进行研究 [1-3] ，并从机理上讨论水灰比（胶凝材料的含量）及矿物掺合料对混凝土内气孔的大小、合理配比进行试验研究。掺合料为一级粉煤灰对控制强度和干缩效果最好，应采用一级灰，一般35%是最优值，40%是最经济值。《粉煤灰混凝土应用技术规范》也明确除碾压混凝土外，粉煤灰的最大掺量为40%[1]；刘伟，等研究发现粉煤灰掺量在20%以内是比较合理的，20%~40%的粉煤灰仍有提升作用，但效果不明显；硅灰掺量在10%以内时，对降低总孔隙率、毛细孔、大孔孔隙率均有明显作用[4]。

混凝土的质量除了与胶凝材料有关外，尚应与水灰比及掺加剂的类型及含量有密不可分的关系。除希望获得特殊效果的外加剂外，一般采用减水剂调节水灰比以减少收缩收缩裂缝[5-7]。另外，在混凝土中掺入引气剂增加混凝土中的气泡含量，可有效控制结构收缩裂缝，亦有增强混凝土耐久性的效果[8]。当然，在混凝土中掺加玻璃纤维或钢纤维对控制收缩裂缝亦有很好的效果。

合理的设计固然重要，但如何实施以获得理想的产品更为关键。如前所述，混凝土材料选择是决定材料性能的关键之一。但是，各种材料的掺比、施工控制，不同地区、不同天气、不同部位、甚至不同运输方式及时间(运距)对其后期性能都有不同程度的影响。对于地下工程等空间分层结构，在竖向上必须分次浇筑。

图1 标准结构横断面

2初期结构收缩裂缝开展特点及原因分析

本文依托工程为一明挖隧道，其标准横断面如图1所示，结构厚度约为0.8m~1.2m，部分埋深大、宽度大可达到1.4m。首先施工底板及0.5m~1m侧墙；再次浇筑部分侧墙，高至腋角下约1m；三次浇筑腋角折板及顶板。不同分次间设置施工缝，保证钢筋连续不削弱承载能力。

混凝土裂缝可简单分为施工期间收缩裂缝和承载期间的荷载裂缝扩展。针对本文所谈收缩裂缝，原材料、浇筑工艺及养护等是主要因素之一，其次即为由胶凝材料的配比、外掺剂选用不当引起的水化热量大且无法及时散发，从而造成内外收缩无法同步发展。

为打造高质量精品工程，项目各参建单位在施工前即进行了隧道通病、顽疾进行了全方位的分析与研究，混凝土收缩裂缝开展与渗漏处理便是重中之重。研究从混凝土浇筑形成气泡的基本原理，到底板、侧墙及顶部浇筑与支撑、围护墙拆除的力学转换，到全过程的质量、进度的管理等，均获得一定研究成果。通过现场严格控制，事实证明，整个项目的裂缝控制效果对比同类工程要好得多。围护墙深层水平位移仅为10mm左右，最大达到18mm，远未达到规范要求控制值。当然，仍有少量裂缝发生。从现场统计的裂缝方向看，主要分为两大类。第一类开裂方向为竖向或横向，表现在底板腋角与侧墙间施工缝（定义为第一道）上方为较为明显的竖向或接近竖向收缩裂缝。

分析认为，混凝土厚度较大及施工时较大的温差、不同分次间时间间隔具有一定的影响。在施工缝两侧，由于混凝土浇筑时间不同，在后浇筑混凝土浇筑时先浇筑结构已经接近完成收缩。就底板腋角处，在底板达到强度后方可进行拆撑，后进行钢筋绑扎浇筑混凝土，这致使侧墙混凝土晚于底板完一个月以上。侧墙浇筑过程中，由于上部数米高混凝土压力，使得新老混凝土面结合很紧密。在侧墙混凝土收缩时，下部受结合面的“固定”作用，沿隧道纵向收缩小，上部不存在类似结合面的束缚作用而收缩较大。由于沿隧道走向方向变形条件相同，所以形成间距较为均匀的竖向收缩裂缝确是可以理解的。与第一道施工缝类似，侧墙及上部腋角交界处（定义为第二道施工缝），由于水平施工缝的作用，亦产生分布较为均匀的竖向收缩裂缝。

第二类开裂方向为斜向。

第二道施工缝上方的顶板折板处变形缝。从裂缝开展的情况，我们不难发现一个规律：在远离节段端头处多为垂直于隧道走向的横向（竖向）裂缝，在靠近浇筑缝处为很明显的斜向裂缝。究其原因，认为随着距离浇筑缝渐近，顶板的纵、横向收缩存在差异，加上没有上覆压重的“贡献”，最终造成了斜裂缝的产生。这也是分段长度越短，裂缝数量越少的原因所在。

为表达清晰起见，上述裂缝开展分布及特征展开图如图1所示，顶板及底板上未见明显裂缝。现场折板处裂缝照片如图2所示。

图1 结构侧墙、折板裂缝特征展开图

图2 结构折板典型裂缝现场照片

3处理措施及效果

对于类似明挖隧道工程，结构竖向上分二、三次浇筑无可避免；当板厚大时，控制大体积混凝土收缩裂缝难度更大。如何系统地考虑控制裂缝的措施与管理至关重要，这需要从源头入手分析原因、采取措施，进一步提升隧道结构浇筑质量。

表1 配合比优化对比表

在本文所依托工程中，主要严控措施有：

1、在保证结构强度的情况下，采用高效减水剂，减少水用量，等。配合比调整前后对比如上表1所示。

2、尽量缩短底板和侧墙混凝土浇筑施工间隔时间，严格控制侧墙混凝土浇筑时间在底板混凝土浇筑完成后 14 天以内，且强度达到2.5MPa及以上进行双控。

3、侧墙拆模时确保拆模前结构已具备初期强度，避免因拆模过早产生结构收缩裂缝。顶板支架模板拆除严格按照 100%强度后再进行拆模，拆模前以现场实体回弹和同条件试块强度进行双控。

4、控制侧墙浇筑节段长度，原则上不超过 20m。

采取上述措施前，产生收缩裂缝的区段，其裂缝间距2-3m 之间，长度在2-3.5m 之间。严控原材料质量、优化配合比和强化施工过程管理后，围护墙的深层水平位移变化不大，侧墙裂缝产生数量、长度及宽度均有进一步显著改善，裂缝平均间距在6m 左右，裂缝长度1-2m之间，宽度均在规范要求的0.2mm 内（为表观裂缝），如图3所示。充分体现了所采取措施的合理性和有效性，大大提升了工程质量。

图3 侧墙、折板裂缝展开图（优化后）

4主要结论

本文依托实际工程案例，对分次浇筑的明挖隧道结构收缩裂缝开展进行了统计及理论分析。基于分析结果，给出了优化裂缝的处理措施。通过裂缝的统计分析，发现侧墙、顶板裂缝数量、长度、深度均有较大的改善。以上措施虽无法完全消除裂缝，但也给收缩裂缝控制指引了方向。事实证明，混凝土在结构设计合理、配比、施工、养护到位且在过程中做到精细化管控，收缩裂缝是可以得到缓解、控制的，进而打造高质量品质工程。

5参考文献 （References）

1、陈波, 等. 大掺量粉煤灰混凝土干燥收缩性能[J]. 东 南 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ），第 3 7 卷第 2 期:334-338.

2、王新杰, 夏群. 粉煤灰对混凝土早期拉伸徐变等性能影响的试验研究[J]. 常州大学学报（自然科学版），第２７卷 第４期：26-30。

3、张怀伟. 磨细石灰石粉高性能混凝土配合比设计研究[J]. 城市住宅（科技）：119-121.

4、刘伟, 等. 水灰比、矿物掺合料对混凝土孔隙率的影响[J]. 低温建筑技术，2 0 0 6 年第 1 期：9-11。

5、陈根锁：微收缩高效减水剂在混凝土前期裂缝控制中的应用研究[J]. 混凝土(实用技术)，2007年第1期：76-78。

6、刘锋. 关于不同品种外加剂对混凝土耐久性的影响分析[J]. 四川建材, 第42卷 第10期：16-17。

7、魏元奋，顾雪. 不同类型外加剂对混凝土敏感性的研究[J]. 商品混凝土（研究探索）：2019年第11期: 31-34。

8、王永辉，混凝土外加剂分类及其应用[J]. 山东交通科技，2016年第3期：132-133。