浇筑工艺对沉管裂缝控制的影响分析

张宇航

（惠州交投公路建设有限公司，广东 惠州 516001）

1 引言

混凝土沉管隧道已在世界很多越江和跨海工程中广泛应用，过去的70年来，预制方法也从传统的干坞法预制发展为工厂预制。沉管管节的预制是沉管隧道施工的难点之一，在预制过程中，由于沉管管段体积大、结构形式复杂、施工工艺复杂，沉管结构容易因温度、收缩以及约束等因素的影响在预制阶段便出现危害性裂缝。危害性裂缝的出现不仅会影响结构的外观，还会加速有害物质侵蚀混凝土，从而更快地导致混凝土结构破坏，削弱沉管混凝土结构整体的耐久性。另外，沉管是造价高、腐蚀环境恶劣且无法更换的主要构件，因此，在沉管预制施工过程中必须采取合理有效的措施防止有害裂缝的产生。

2 沉管混凝土裂缝控制的基本思路

为了控制沉管混凝土裂缝，一般在厂房提前制作沉管节段，厂房内的环境为沉管节段制作提供了优良的条件。该工艺在当今浇筑行业已经被大范围应用。但要注意几点事项：（1）原材料优选质量高并具有良好防裂性能的材料。（2）要降低混凝土开裂的可能性，必须通过碎冰加冷却水的方式降低原材料的温度，从而调节沉管混凝土的最适温度。（3）原材料首先应具备抗裂和耐久的最低要求，还需要有低温、收缩性低、性能强、质量优的特点。在浇筑沉管的过程中，混凝土具有这些特点能够使其拥有更优良的特性，提高浇筑产品的质量。

3 混凝土原材料温度的调整

在沉管结构的混凝土试验过程中，为达到减小沉管开裂风险，需要通过控制原材料温度的方式降低混凝土浇筑的温度。（1）在浇筑前，必须与胶凝制造厂家约定，不同的材料有不同的进场温度，其中，矿粉进场温度为60℃。（2）对外壁进行喷水处理，达到降温的效果。建设避阳挡雨的材料堆放棚，料堆顶部与堆放棚之间的高度差约为10 m，使便棚内空气畅通。为降低骨料温度，可在棚内装设喷雾装置，通过降低棚内的温度降低骨料的温度。（3）为降低胶凝原料的温度，应延长其在储料瓶与存储仓的存放时间及转运倒仓过程。（4）在储料罐外壁与胶凝原料中间的存储仓涂上淡色颜料。（5）可以将温度传感器安装在胶凝原料材料储料仓内，从而起到暗中监察的作用。

4 沉管混凝土的制造

4.1 冷水和细小冰块

采用冷水和细小的冰块代替搅拌水，以此控制混凝土的温度。生产混凝土需要做好准备工作，提前生产冷水并且置于保温装置中，控制混凝土的温度≤5℃。使用冷藏温度≤-8℃的冰库储存厚度≤3 mm的细小冰块。为避免细小冰块融化，应借助外覆保温层的水平螺旋运输机进行运输工作。这样能够确保试验结论的准确性，达到预期的试验结果及数据。

4.2 混凝土配置

选用混掺粉煤灰与矿粉的低开裂敏感性、低水化热胶凝材料（水泥45%、粉煤灰25%、矿粉30%，以占胶凝材料总质量分数计数），沉管配合比应符合全断面浇筑作业的要求。在进行性能对比后，还应结合混凝土温度应力测试试验、现场小尺寸模型试验以及足尺模型试验，筛选出性能高、抗裂性能及持久性高的混凝土。

4.3 混凝土运送

沉管节段的混凝土材料需要先后到达厂房旁边的拖泵处和浇筑现场，一般需要用两种运输方式：混凝土搅拌运输车和地泵。前者运送到拖泵处，后者运送到浇筑现场。控制泵送的压强是入泵前的准备工作，一般压强调整为14～18 MPa。在运输混凝土时，为保证运输的连续性，应将混凝土出机后到进入泵机的时间控制在1 h以内。泵送过程中，要防止泵送管吸入空气导致堵塞，必须在运送过程中使受料斗中有充足的混凝土。因为在混凝土的运输过程中，阳光直射和摩擦等因素会使混凝土温度升高，所以，在温度较高的季节施工时，应加入冷却水及碎冰，起到降温的目的。

4.4 混凝土浇筑振捣

沉管节段混凝土浇筑区域分为底板（Ⅰ浇筑区）、墙体下部及底板上部（Ⅱ浇筑区）、墙体上部（Ⅲ浇筑区）、顶板（Ⅳ浇筑区），浇筑厚度控制在约40 mm，布料施工方式为分层连续作业。从加入水进行搅拌作业开始，至插入式振捣棒依靠自身重量下沉插入混凝土，最后经过15 s的振捣后，其周围100 mm仍然可以翻浆的时间为混凝土的重塑时间。如果上下层混凝土的浇筑时间间隔比重塑时间长，浇筑界面将出现冷缝。在混凝土的重塑时间内进行上下层混凝土的浇筑则不会出现上述情况。单次沉管浇筑的混凝土方量大、持续时间长、由一端向另一端分层连续布料。为防止出现施工冷缝，应使上下层混凝土布料和振捣间隔控制在8 h之内[1]。

5 沉管混凝土浇筑防护措施

完成沉管混凝土的浇筑工作后，应立即将其送入预制厂房的自动化养护系统内，对其进行全方位的保温保湿处理[2-3]。沉管节段混凝土保养可选用厂外固定式养护棚和厂内伸缩折叠式养护棚。上述两种养护棚均采用喷雾及淋水的方法使喷淋水雾控制控制设施的环境温度降低，并在沉管节段的养护棚区、浇筑台座区及过渡区均使用该养护装置。

沉管节段的内部温度和外部环境温度可以被养护系统实时监测，以便相关工作人员对温度进行及时调控。养护系统的自动控制系统由各种自动化模块组成，可在无人的情况下开启，根据实际情况进行喷淋水雾作业，以达到无人化调节温度的目的。沉管节段混凝土的养护时间应当在15 d以上，确保沉管混凝土浇筑质量符合工程要求。在养护期间，需使混凝土的表面维持在一定的潮湿状态。

6 沉管开裂与温度应力的关系

现场检查和软件估算是得到混凝土温度应力常用的两种方法。但是，通过软件估计的方法得到的混凝土应力数据比较精确。

本文以某沉管浇筑工程为例，当混凝土性质及防护条件相同时，对某沉管试验段分层浇筑工艺和全断面浇筑工艺下沉管的温度应力进行分析。其中，沉管分层浇筑中第1层与第2层的浇筑时间间隔为45 d。混凝土配合比及材料性能参数为：细骨料的密度为727 kg/m3，胶凝材料的密度为440 kg/m3，比热容为0.92 kJ/（kg·℃），混凝土28 d绝热温升为50℃，水胶比为0.34，散热系数为8.0 kJ/（m2·h·℃），混凝土的导热系数为8.9 kJ/（m·℃·h），环境温度25～35℃，进入模板的温度为28℃。根据最高应力和温度数据可以看出，分层浇筑工艺中，两层之间存在最大应力。全断面浇筑工艺的最大应力处则位于沉管内测拐角的地方。具体应力、温度值见表1。

表1 沉管温度、应力值

依据大体积混凝土抗裂安全系数的理论，通过表格可以得出很多重要的数据，如表1中沉管分层浇筑第1层最大温度应力为1.71 MPa，其抗裂安全系数为1.67，所以，混凝土发生开裂问题的概率非常低。沉管分层浇筑第2层最大温度应力为4.04 MPa，其抗裂安全系数为0.71＜1。由此可知，混凝土一定会发生开裂。全断面浇筑工艺的最大温度应力2.50 MPa，其抗裂安全系数为1.14，存在一定的开裂概率。

7 龄期差下混凝土收缩开裂的风险分析

对于分层浇筑工艺，如果浇筑时间过短，容易出现开裂问题，且易出现干燥收缩。一般在进行第一层浇筑后，混凝土结构基本固定不变，后浇筑的第2层混凝土刚开始收缩，以下为某沉管试验段混凝土分层浇筑收缩曲线，浇筑时间间隔为45 d。

图1 混凝土分层浇筑收缩曲线

第二层混凝土收缩将形成很大的应力，相比较于黏性介质，其自由度系数近于1.0，约束系数近于0；相对于固体结构物质，其自由度系数近于0，约束系数近于1.0。

试验组中混凝土节段的收缩量及弹性满足如图2所示曲线。

图2 混凝土弹性模量与收缩变化曲线

第2层新浇筑的混凝土相对于第1层旧混凝土约束系数接近1.0。第二层的形变受到了很大的制约。如果忽略混凝土形变的弹性力学，则应力=Σ瞬时收缩值×瞬时弹性模量，忽略弹性力学的影响。混凝土瞬时收缩值如图3所示。

8 结语

通过本文的研究可以得到以下结论，就控制混凝土开裂来讲，分层工艺要优于全断面一次性工艺。从实验段的浇筑结果可看出，全断面浇筑工艺的最大温度应力2.50 MPa，其抗裂安全系数为1.14，存在一定的开裂概率。由此得出结论，在使用分层工艺时，需要减小两层之间的温升，调节浇筑后面一层的时间和温度，减小混凝土自身的收缩程度，降低混凝土温度应力，并且需要降低混凝土收缩的强度。