现浇隧道裂缝控制大尺寸模型试验研究

高健岳，蔺威威，谷坤鹏，刘思楠，张君韬

（中交上海港湾工程设计研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

随着城市道路交通的日益发展，地上空间趋向饱和，地下空间亟需开发利用，建设隧道工程的需求日益增加[1-2]。湖底隧道常用明挖现浇法施工，考虑浇筑混凝土大方量和支护情况限制，底板与侧墙结构多采用分开浇筑的方式，由于不同步浇筑引发的收缩开裂问题，常常使侧墙每间隔2～5 m 出现1 条竖向裂缝，呈规律性分布[3-5]。为控制侧墙裂缝开展，国内外从大体积混凝土的受力状态、原材料配合比及施工技术层面做了大量的研究[6-9]。其中，传统的冷却水管布设因施工简便、降温显著等优点常应用于工程施工，但控制不同步收缩裂缝效果并不理想。

为此，鉴于降低新老混凝土结合面温差[10-12]，补偿不同步浇筑约束影响的角度，提出新老混凝土温度场自平衡系统，即利用后浇筑混凝土结构自身水化热通过水管联通加热先浇筑混凝土的技术原理抑制裂缝开展，并设计抗裂模型尺寸，结合施工工艺进行应用研究，为现浇隧道主体结构控裂提供参考。

1 新老混凝土温度场自平衡系统开发

新老混凝土温度场自平衡系统（图1）主要包括供水系统、联通系统、自动监测系统和控制系统等。它主要基于新型水管布设结合循环水控制系统，通过联通不同步浇筑混凝土结构，充分利用上部新浇筑结构混凝土自身水化放热，经过循环水系统的水循环，加热下部后浇筑混凝土，平衡分步浇筑混凝土的温度场，减小新老混凝土之间的综合温度差异，调节上下部混凝土的弹性模量差异，从而大幅度缩小下部混凝土对上部混凝土的约束作用，降低了混凝土不同步收缩和温度应力的影响。

图1 新老混凝土温度场自平衡系统技术原理图Fig.1 Schematic diagram of self-balancing system of new and old concrete temperature field

2 抗裂模型

2.1 模型建立与材料参数

基于太湖隧道主体结构特点，设计抗裂模型结构尺寸，模型长10 m，宽5.1 m，底板、侧墙、顶板厚均为1.3 m（图2）。

图2 抗裂模型尺寸设计（mm）Fig.2 Dimensional design of crack-resistant model(mm)

按照设计尺寸建立三维有限元结构，采用顺序热力耦合分析方法即先计算温度场，后将温度数据作为预定义场进行计算应力场。采用笛卡尔坐标系，按照0.3 m 进行划分网格，侧墙共划分1 848 个网格。采用1.6 cm 厚木模板，底部设置20 cm 厚C30 混凝土垫层。环境温度取30～38 ℃，绝热温升取40 ℃，自生变形取-100 με。

混凝土入模温度取28 ℃，表1 为具体混凝土热力学物理参数取值。边界约束条件为底部垫层全约束，浇筑层之间利用TIE 连接。

表1 混凝土热学物理参数Table 1 Thermal physical parameters of concrete

2.2 开裂风险分析

利用MODEL CHANGE 功能实现底板、侧墙、顶板分步浇筑，设置浇筑间隔时间（分析步）为30 d，计算结果得知，侧墙混凝土结构为最大开裂风险结构。浇筑2 d 时，侧墙内部出现最高温度57.1 ℃，侧表温度为39.6 ℃，最大内表温差约为19.2 ℃；浇筑完成30 d 时，侧墙混凝土与底部收缩不同步影响显著，在侧墙长度方向底部出现最大拉应力2.33 MPa，根据文献[13-14]定义的抗裂评估标准可知开裂风险系数为0.97，大于控制系数0.7，亟需针对结合面约束问题采取控裂措施。

2.3 隧道新老混凝土温度场自平衡系统设计

基于表1 热力学参数，建立水管模型结构，管径取40 mm，流速取2 m/s，自浇筑混凝土覆盖水管时进行通水，通水周期按照72 h 考虑。水管对流系数取740 kJ/（m2·h·℃）。并将水管采用与右侧结构绑定的方式，以实现温度平衡的仿真效果。

通过对不同水管布设方案的多次仿真计算，采用如下方案：侧墙水管纵横向间距均为300 mm，侧墙布设6 层水管，最下层水管距离结合面为300 mm，底板布设4 层水管，最上层距离结合面为300 mm（图3）。图4 可知，当浇筑时间为2 d时，左侧侧墙中心出现最大温度值57.0 ℃，底板温度由环境温度值影响；右侧侧墙中心出现最大温度值46.0 ℃，底板最大温度由于上侧侧墙通水联通被加热到41.6 ℃。仿真结果表明，设计的隧道新老混凝土温度场自平衡系统不仅可降低内表温差约11 ℃，还有效补偿分步浇筑结构约10 ℃的温度差约束应力，将开裂风险系数控制在0.7以内，可进行抗裂试验开展并研究实际控裂效果。

图3 水管系统布设方案Fig.3 Layout of water piping system

图4 新老混凝土温度场自平衡系统仿真云图Fig.4 Simulation cloud diagram of self-balancing system of new and old concrete temperature field

3 现场试验

3.1 混凝土配合比

隧道模型浇筑前，在实验室进行绝热温升及自生体积变形性能测试，结合上述有限元设定热力学参数，采用的混凝土绝热温升为42 ℃左右，自生收缩约-100 με，具体配合比如表2 所示。

表2 混凝土配合比参数Table 2 Concrete mix parameters

采用的水泥密度3 000 kg/m3，比表面积345 m2/kg，碱含量0.43%；采用的粉煤灰密度2 340 kg/m3，需水量比95%；采用的矿粉密度2 800 kg/m3，比表面积413 m2/kg；外加剂采用PCA-IV 聚羧酸减缩、抗裂减水剂，28 d 干燥收缩率比为98%。

3.2 水管连接、安装与通水

新老混凝土温度场自平衡系统由水管、分水器、循环水池、流量控制器、监测元件等组成，按照设计方案布设水管，采用扎丝等将水管与钢筋绑扎牢固，水管转弯处采用带垫圈的弯头连接，防止水管漏水及水泥浆渗入水管中。

水管安装完成后即刻进行水压试验，查找是否存在漏水及阻水现象，并在浇筑前在水管中预先注满水。侧墙混凝土浇筑覆盖后约4 h 开始通水，初始水温约27 ℃，流量约为4 m3/h。水流方向见图3：水泵5→分流器6 →侧墙入口2→侧墙出口2→侧墙入口3→侧墙出口3→底板入口1→底板出口1→储水器→水泵5 形成一个循环回路，温度平衡结束后，及时用水泥浆对水管进行压浆封堵。

3.3 裂缝控制效果分析

现场模型实际浇筑时，侧墙与底板浇筑间隔时间为25 d，顶板与侧墙浇筑间隔时间为8 d。混凝土浇筑前，为研究新老混凝土温度场自平衡系统的温度平衡作用，在侧墙与底板长度方向的中部沿高度方向布置温度计，且在侧墙表层布置温度计用以监测内表温差；除此之外，侧墙与底板中部结合面处沿高度方向布置应变计，研究应变发展规律。

3.3.1 温度控制效果

基于新老混凝土温度场自平衡系统的温度实测数据显示（图5），在夏季高温环境下，当侧墙混凝土浇筑完成40 h 时，侧墙中部中心最高温度为46.6 ℃，最大温升约为19 ℃，最大内表温差约为10.1 ℃，侧墙下部中心温度为43.1 ℃；结合面向下15 cm 处最高温度达到39.0 ℃，随着距离的增加，升温影响较小，分别为6.4 ℃、3.0 ℃和1.4 ℃。由侧墙下部中心和底板顶部温度曲线计算可得上下结构结合面最大温差为4.6 ℃。

图5 基于新老混凝土温度场自平衡系统的温度实测曲线Fig.5 Temperature measurement curve based on self-balancing system of new and old concrete temperature field

3.3.2 应变、裂缝监测结果

侧墙-底板应变实测曲线如图6 所示。

图6 侧墙-底板应变实测曲线Fig.6 Curve of measured side wall-floor strain

由图6 可知，侧墙浇筑完成后，由于水化热作用结构出现膨胀变形；温降阶段，开始收缩变形；由于后浇筑顶板水化热联通水管使侧墙内部结构进一步加热，出现一定的补偿收缩作用；随着侧墙与顶板距离的接近，作用愈加明显。侧墙最大应变出现在结合面上方45 cm 处，最大应变为176 με，30 d 应变值为6 με，结合面下方20 cm 处30 d 应变区域为（-37～45）με；30 d 内侧墙整体应变区域为（-60～180）με；整体抗裂模型浇筑完成后，持续监测6 个月，仅1 条裂缝产生，出现在底板侧墙结合面向上1.6 m，宽度为0.15 mm，开裂风险大幅度降低。

4 结语

1）基于太湖隧道混凝土主体结构尺寸特点，开展了大尺寸（长×宽×高=10 m×5.1 m×6.65 m）的抗裂模型试验，底板、侧墙和顶板厚均为1.3 m，研究了新老混凝土温度场自平衡系统的控裂效果。

2）采用有限元仿真计算，设计了具体的水管布设技术方案，以降低温差补偿不同步收缩控制开裂风险系数＜0.7。

3）现场实测数据显示，在高温30～38 ℃环境下，提出的新老混凝土温度场自平衡系统使得模型侧墙混凝土温峰值降至46.6 ℃，绝热温升值降为19 ℃；底板温度升至39.0 ℃；新老混凝土结合面最大温差降至4.6 ℃，最大内表温差降至10.1 ℃；30 d 内侧墙整体应变区域为（-60～180）με。

4）整体抗裂模型浇筑完成后，持续监测6 个月，仅1 条裂缝产生，出现在底板侧墙结合面向上1.6 m，宽度为0.15 mm，开裂风险大幅度降低。