隧道大體積混凝土裂縫控制技術應用研究

王林

摘要 為解決混凝土裂縫問題，提升隧道運營安全性，文章依托湖州申蘇浙皖至申嘉湖高速公路連接線與吳興大道交叉段設計變更施工第1標段南岙隧道工程，圍繞抗裂混凝土配合比設計、施工工藝、工程應用效果等方面開展了隧道大體積混凝土裂縫控制技術應用研究。研究結果表明：通過對混凝土配合比設計進行優化，最終確定了粉煤灰、礦粉、減水劑的摻量分別為25%、30%、1%，經檢測混凝土各項性能均能滿足規范要求；通過應用抗裂混凝土，同時輔以控制入模溫度、混凝土分層澆筑、加強保濕養護等措施，最終形成了成套混凝土抗裂控制技術方案，有效解決了隧道大體積混凝土開裂問題，具有良好的工程應用效果。

關鍵詞 配合比設計；大體積混凝土；裂縫控制技術

中圖分類號 TU755.7文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0075-03

0 引言

隧道結構在長期使用過程中往往會受到溫度應力作用、混凝土自收縮以及外界環境等因素的影響，導致裂縫病害的出現，對隧道結構的安全性和可靠性造成潛在威脅，因此裂縫控制技術的研究和應用顯得尤為重要。該文依托湖州申蘇浙皖至申嘉湖高速公路連接線與吳興大道交叉段設計變更施工第1標段南岙隧道工程，開展隧道大體積混凝土裂縫控制技術應用研究，旨在解決隧道混凝土開裂問題，提升隧道工程建設質量，該研究成果可為同類工程提供借鑒與指導。

1 工程概況

湖州申蘇浙皖至申嘉湖高速公路連接線與吳興大道交叉段設計變更施工第1標段南岙隧道工程起訖樁號K0+350～K0+602，長252 m，為雙向6車道，采用明挖法進行隧道施工，主體結構設計使用年限為100年，抗滲等級P8，裂縫控制等級為三級。該隧道工程屬于大體積混凝土結構，控裂難度較大。

2 大體積混凝土裂縫理論概述

2.1 裂縫種類

大體積混凝土裂縫按照裂縫寬度進行分類，可分為微觀裂縫和宏觀裂縫兩種類型[1]。

2.1.1 微觀裂縫

微觀裂縫通常指混凝土材料內部形成的細小裂縫，很難通過肉眼直接觀察到，裂縫寬度為2～5 ?m。

2.1.2 宏觀裂縫

該裂縫僅靠肉眼觀察便可識別，通常由微觀裂縫發展而來，裂縫寬度≥0.05 mm。宏觀裂縫可分為以下三類：

（1）貫穿裂縫。貫穿裂縫是指從混凝土結構一側貫穿整個截面，延伸到另一側的裂縫，該裂縫通常發生在混凝土結構受到大幅度應力的位置處。貫穿裂縫破壞了混凝土結構的完整性，造成結構的強度和剛度降低，使得結構無法正常承擔設計荷載，甚至可能導致部分或整體結構發生倒塌。

（2）深層裂縫。深層裂縫是指裂縫從混凝土結構表面向內部延伸，但沒有貫穿整個結構斷面，只切斷了部分結構斷面。深層裂縫的存在削弱了混凝土結構的整體強度和剛度，使其承載能力降低，增加了結構失穩和倒塌的風險，且會加劇滲水問題。

（3）表層裂縫。表層裂縫通常是指發生在混凝土表面的細小裂縫或者裂紋，相較于貫穿裂縫和深層裂縫，其危害性較小，但后期依然可能會發展為更嚴重的裂縫。特別是在一些關鍵部位，如基礎和新舊混凝土交接處，表層裂縫的擴展會破壞結構整體的連續性和穩定性，最終導致貫穿裂縫的出現。

2.2 裂縫形成及破壞機理

據統計，近八成的裂縫皆由混凝土的溫度變化不均勻所致。水泥在水化反應過程中會釋放出大量熱量，使得混凝土內部溫度升高，急劇的溫度變化導致混凝土的塑性降低，硬化過程中的應變增大，并產生溫度—收縮應力的急劇變化[2]。由于混凝土的熱膨脹系數有限，溫度變化引起的收縮形變可能會超過其可承受的極限，從而導致混凝土結構在此階段發生開裂，由此產生的裂縫將會嚴重影響混凝土的工作性能。

2.3 裂縫的后期修補方法

當混凝土結構出現裂縫時，應根據不同裂縫寬度采取相應措施進行修補和加固，以提高其穩定性、整體性和使用壽命。以下是幾種常見的混凝土裂縫后期修補方法：

（1）表面修補法是一種常見且操作相對簡單的混凝土裂縫修補方法，操作步驟包括清理裂縫、涂布修補材料、平整修補表面，以及適當的養護。但該方法只適用于對承載力影響不大的表面裂縫以及細微裂縫。

（2）灌漿法在隧道工程中也較為常見，但工序相對煩瑣，操作復雜，常用的灌漿材料包括水泥漿、聚氨酯及瀝青材料等。對于深層的裂縫或結構內部的缺陷，灌漿法可以通過注入灌漿材料進行填充和修補，從而增強混凝土結構的整體性能。

（3）注膠加固法是一種先進的混凝土裂縫處理技術，具有操作簡單和施工高效的優點，已在全球范圍內得到廣泛應用。注膠加固法通過注入特定膠體材料來修復混凝土裂縫，能夠將混凝土的強度恢復至原混凝土標號的80%左右。目前較為常用的膠體材料為聚硫密封膠，其優良的物理化學性能使得混凝土可以經受各種環境的考驗，已在北京鳥巢、葛洲壩工程等大型工程項目中得到成功應用。

3 抗裂混凝土配合比設計

3.1 原材料選擇

（1）水泥。選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為365 m2/kg，經試驗檢測其各項性能指標均滿足規范要求。

（2）粉煤灰。選用鎮江某公司生產的F類Ⅱ級粉煤灰，經試驗檢測其各項性能指標均滿足規范要求。

（3）礦粉。選用S95級礦粉，比表面積為445 m2/kg。

（4）減水劑。選用江蘇某材料公司生產的高性能聚羧酸減水劑。

3.2 配合比設計

為最大程度降低膠凝材料體系水化放熱總量，同時保證混凝土的各項工作性能、力學性能滿足要求，該文在進行配合比設計時選擇采用降低水泥劑量，同時加大粉煤灰與礦粉摻量的做法，最終配合比設計結果如表1所示。

按表1配合比設計結果制備混凝土試件，然后進行和易性、強度等測試，測試結果如表2所示。由表2可知，混凝土各項施工性能、強度及限制膨脹率均能滿足規范要求。

4 混凝土裂縫施工控制措施研究

4.1 控制入模溫度

已有工程經驗表明，混凝土入模溫度越高，混凝土結構開裂的風險也越大，因此應嚴格控制混凝土的入模溫度。

4.1.1 原材料控溫

粉料通常采用儲罐進行存儲，因此可以采用在儲罐的外壁鋪設冷卻水管的方式，通過循環冷卻水來降低粉料的溫度，防止其在混凝土拌和過程中引起過大的水化熱。砂石料往往暴露在陽光下，因受高溫照射導致混凝土的溫度較高。為控制砂石料的溫度，應在砂石料場設置遮陽棚，減少陽光直射，同時在料倉口設置卷簾門，用于保持料倉內的砂石料處于一個較低的溫度。此外，應在料倉的側面安裝工業級冷風機，對砂石料進行強制通風和降溫，在遮陽棚頂部布置噴淋系統，通過噴水來降低砂石料的溫度。

4.1.2 運輸過程控溫

應在罐車罐體上包裹保溫布或其他保溫材料，減少混凝土在運輸過程中受到環境溫度和泵管摩擦的影響，有效防止混凝土溫度升高。在高溫季節，應盡量加快混凝土的運輸和澆筑速度，減少混凝土在整個施工過程中的停留時間，從而降低混凝土溫度的上升。在已經完成澆筑的區域，可以采取帆布等遮陽措施來防止陽光直射。同時，根據混凝土的硬化情況，采用冷風機或灑水等方式降低混凝土的溫度。

4.2 混凝土分層澆筑與及時養護

4.2.1 底板和頂板

隧道頂板、底板采用連續分層澆筑施工方式，分層厚度應≤500 mm。初次攤平混凝土后，在初凝前進行二次振搗，以去除空氣泡和提高混凝土的密實度，從而提升混凝土的力學性能和耐久性?；炷两K凝前采用磨光機進行二次抹面，使表面更加平整光滑，并提高混凝土的表面強度和耐磨性。終凝后覆蓋土工布進行保濕養生，養生時間應≥14 d。

4.2.2 側墻

側墻同樣采用連續分層澆筑方式進行施工，分層高度一般不超過700 mm，避免混凝土溫度差異過大所導致的收縮裂縫。在混凝土澆筑施工過程中，宜從低處開始并沿長邊方向由一端向另一端進行施工，澆筑過程需要注意混凝土的均勻性和密實性。采用振搗機進行二次振搗，確?；炷辆鶆蚍植?、密實緊湊。臨近另一端時，應進行反向澆筑。澆筑結束2～3 d后拆模，拆模后貼上1層專用保溫保濕養護膜，以保持混凝土表面始終處于濕潤狀態，同時在外層再覆蓋深色毛氈進行保溫。

4.3 加強振搗質量

為保證混凝土的均勻密實和質量，通常需設置兩個混凝土振動器。第一處設置在泵送混凝土的卸料點，由于混凝土在泵送過程中可能會發生分層或者在流動過程中產生空隙，使用振動器可以幫助混凝土自行坍落，同時去除空氣泡，從而提高上層混凝土的密實性。第二處設置在坡腳處，用以提升下部混凝土的振搗質量，尤其是在坡度變化處，振動器的作用更為明顯。該隧道工程主體部分澆筑施工時，共配備了8根插入式振動棒，大幅提升了各個區域混凝土的振搗質量，尤其是在鋼筋密集部位處。

4.4 加強溫度監測

應采用溫度傳感器等設備對混凝土的溫度進行實時監測，包括混凝土攪拌站出料、運輸以及澆筑等環節。在混凝土養護過程中，尤其是在大體積混凝土結構中，應密切監測混凝土塊體內部和外部的溫差。溫差過大可能導致溫度應力，進而引起裂縫的產生。通過安裝溫度傳感器在不同深度、不同位置處進行監測，能夠及時發現并采取措施來調節和控制溫度差異。此外，環境溫度的變化也會對混凝土的養護效果有一定影響。因此，應在養護期間監測周圍環境的溫度，并與混凝土的溫度進行比較，并采取相應的措施來調整養護方式，確?；炷莲@得良好的強度和耐久性。具體溫度控制標準如表3所示。

5 混凝土溫度監控

已有相關工程經驗表明，隧道底板、邊墻及頂板交界處中心溫度高，應力容易集中在縱向分層施工縫處，因此該文選擇對該部位進行溫度監控，從而指導與調整混凝土抗裂措施，提高工程質量。具體監測結果如圖1所示。

由圖中溫度監測結果可看出，混凝土中心最高溫度為66 ℃，＜70 ℃，內外最大溫差為13.2 ℃，＜25 ℃，混凝土溫度主要控制指標能夠滿足表3中溫度控制標準要求。然而，降溫速率為3.8 ℃/d，＞3 ℃/d，略超過表3指標要求，降溫速率過快，增加了后期混凝土開裂的風險。因此，還應在施工過程中加強對混凝土降溫速度的控制。

6 工程應用效果評價

該文對應用抗裂混凝土的隧道段落進行了裂縫檢測，檢測結果如表4所示。

從表4結果可看出，隧道檢測段落內頂板與底板位置處皆未出現裂縫和滲漏等病害，側墻雖出現了8條裂縫，但最大裂縫寬度僅為0.04 mm，屬于細微裂縫?？傮w而言，抗裂混凝土的工程應用效果良好。

7 結語

該文以湖州申蘇浙皖至申嘉湖高速公路連接線與吳興大道交叉段設計變更施工第1標段南岙隧道工程為例，展開了隧道大體積混凝土裂縫控制技術應用研究，得到如下主要研究結論：

（1）為提升混凝土抗裂性，在配合比設計階段，該文采用了降低水泥劑量，同時摻入礦物摻合料以及高性能減水劑的做法。其中，粉煤灰、礦粉、減水劑用量分別占膠凝材料總量的25%、30%、1%。

（2）溫度監控結果顯示，中心最高溫度、內外最大溫差2項重要指標均能滿足溫度控制標準要求。

（3）實體工程應用結果表明，通過應用該文制備的抗裂混凝土，以及采取控制入模溫度、混凝土分層澆筑、加強振搗質量等措施，可以有效控制隧道裂縫的產生，具有良好的工程應用效果。

參考文獻

[1]金文良， 徐文， 劉迪， 等. 深中通道隧道現澆暗埋段大體積混凝土抗裂技術應用研究[J]. 中國港灣建設， 2022（8）： 7-11.

[2]王丙壘， 紀憲坤， 徐可， 等. 蘇州某穿湖隧道大體積混凝土工程裂縫控制應用研究[J]. 新型建筑材料， 2021（10）： 142-147+177.