1、文章编号:()收稿日期:基金项目:中铁十四局集团有限公司科技开发计划项目()作者简介:刘时光()男辽宁沈阳人高级工程师主要从事路基、桥梁等专业技术研究:.引文格式:刘时光.湖底隧道侧墙抗裂混凝土刚性自防水技术研究与应用.铁道建筑技术():.湖底隧道侧墙抗裂混凝土刚性自防水技术研究与应用刘时光(中铁十四局集团第二工程有限公司 山东泰安)摘 要:为确保金鸡湖隧道结构自防水性能预防收缩开裂风险结合温度、应变监测数据在采用温控膨胀抗裂剂优化混凝土配合比基础上基于多场耦合机制混凝土开裂风险评估方法对混凝土入模温度、分段浇筑长度、侧墙厚度、模板选型、设置冷却水管等影响因素进行评估并提出温度指标、混凝土搅拌
2、浇筑等针对性工艺方案 采用抗裂混凝土及冷却管协同作用可避免厚度大于.的侧墙开裂风险经施工验证混凝土控温措施得当并配合规范施工可消除侧墙结构缺陷裂缝提高自防水性能关键词:自防水 温控膨胀抗裂剂 耦合机制 开裂风险 缺陷裂缝中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言随着城市建设规模发展和人民日常生活之需要尤其为避免城市土地水域浪费建设湖底隧道已成为方便快捷的主要方法而提高隧道长期安全服役性能、使用安全性和维修经济性就需注重隧道的建造质量特别是其防水特性 但是由于裂缝、漏水始终是顽疾裂缝拆模即可发生且多是贯穿缝以至出现无隧不裂、无隧不渗的现象 经研究表明外包柔性防水材料往往达不到预想功效应以混
3、凝土本身的材料自身性能优化降低开裂风险为主渗漏问题主要因混凝土开裂引起 江苏金鸡湖隧道为目前省内规模最大的明挖法与湖底公轨共建隧道采用堰筑法明挖施工 水域段长.、抗裂混凝土变形缝间距.每个浇筑段长.底板厚度为.侧墙厚度为.顶板厚度为.标准断面为“四孔一管廊”型式其余段为“二孔一管廊”隧道位于水下.结构自防水成为关键 与同类工程对比如港珠澳大桥人工岛隧道、春申湖隧道因商品混凝土控温能力受限受混凝土浇筑工艺、施工环境、结构类型、分段方式等方面影响裂缝渗水风险大为确保主体结构自防水功能亟需研究混凝土裂缝控制技术提升结构刚性自防水性能实现刚性防水与结构同寿命降低维修费用保障湖底隧道工程建设质量铁道建筑
4、技术 ()刘时光:湖底隧道侧墙抗裂混凝土刚性自防水技术研究与应用经本项目混凝土抗裂研究及隧道通车管养单位验证未发现结构裂缝其应用价值对提高我国湖底隧道建设水平具有积极推动作用 混凝土配合比设计、制备及性能研究.混凝土配合比与主要性能胶凝材料物理性质与化学组成见表 减水剂矿粉 活性指数 拌合水为自来水抗裂剂为苏博特 混凝土高效抗裂剂针对本项目主体结构为有效控制大体积混凝土收缩裂缝对苏州嘉达、禾海搅拌站的混凝土进行了试配 根据苏南地区隧道工程经验统筹力学、耐久性、抗裂模拟分析基础不同结构部位混凝土膨胀剂建议掺量见表 表 材料基本指标及成分占比类别比表面积/(/)密度/(/)金峰水泥.恒昌矿粉.石发
5、粉煤灰.表 隧道主体()混凝土建议配合比/部位水泥粉煤灰矿粉砂石子抗裂剂水减水剂 .类级 级中河砂模数.级配碎石.饮用水 收缩率比侧墙、折板.顶板.底板.开裂风险判定准则根据以往工程总结以裂缝数量最多、危害最大、治理难度最高的侧墙为例结合本工程对力学、热学及耐久性能需求提出原材料控制指标及配合比设计原则通过建立隧道全断面三维模型创建基于“水化 温度 湿度 约束”多场耦合作用的开裂评估模型采用 有限元方法评估开裂风险 施工期混凝土开裂风险以开裂风险系数 作为评价依据判定准则:式中:为混凝土收缩主拉应力 为混凝土抗拉强度值 控制.时可基本避免收缩开裂控制 时可有效抑制收缩开裂.计算结果与分析.混凝
6、土入模温度影响分析不同入模温度条件下侧墙混凝土温度历程与开裂风险 数据表明由于钢模散热条件较好混凝土中心最大温升值随入模温度升高略有增加当入模温度从 提高至 时温升值增加了 入模温度增加会造成混凝土温度峰值增大 采用抗裂混凝土后混凝土开裂风险系数显著降低表面开裂风险系数不超过.因此降低入模温度是降低混凝土开裂风险行之有效的主要措施之一.分段浇筑长度影响分析不同分段浇筑长度下(、)侧墙混凝土开裂风险 数据表明混凝土开裂风险与分段浇筑长度成正比即便将分段长度降低至 基准混凝土开裂风险系数仍超过.掺入抗裂剂后将分段长度降低至 可控制风险系数在.以下 但在其余分段长度条件下混凝土开裂风险系数介于.有开
7、裂的可能仍需配合其他措施尤其是分段长度为 时即便采用抗裂混凝土其开裂风险系数达到.侧墙厚度影响分析表明混凝土中心温度、里表温差随厚度增加而显著提高混凝土中心及表面开裂风险随之增大 当厚度为.时混凝土中心、表面开裂风险系数均超过.面临较大开裂风险.模板类型影响分析表明由于钢模板散热条件优于木模板混凝土温升值较木模板低但里表温差略高于木模板 总体上采用钢模板时混凝土开裂风险系数低于木模板.抗裂混凝土 冷却水管因入模温度 、分段长度 时开裂风险系数仍大于.为抑制侧墙开裂考虑在墙体厚度方向中部设置冷却水管 设冷却管后混凝土温升值及最大开裂风险系数降低 可控制.厚墙开裂风险系数小于.铁道建筑技术 ()刘
8、时光:湖底隧道侧墙抗裂混凝土刚性自防水技术研究与应用 侧墙防裂控制措施.混凝土生产与运输()测试石子、砂的含水量经试拌换算施工配合比 校核搅拌站计量设备复核原材料每盘称量偏差()每盘混凝土搅拌时间不小于 掺抗裂剂时宜延长不少于 采用片冰替代部分拌合水时应根据片冰用量增加搅拌时间()首盘测定混凝土的坍落度等基本物理指标并观测其黏聚性和保水性()罐车体穿车衣并湿润控制混凝土运输过程的温升 罐车运输时间不得超过 入泵前坍损宜不超过 缓凝时间取 .混凝土入模温度控制()高温季节施工时混凝土入模温度控制措施包含混凝土生产时的降温水冷、运输控温、浇筑组织等()石子、砂料棚采用全封闭堆场夏季可适当洒水降低表
9、面温度在皮带运输机加风冷机设备 配温控系统降低料仓温度()由于冰屑融化成水时吸收约 /的热量还可以用冰屑代替一部分拌合水可有效降低混凝土出机温度 加冰率由气温、混凝土入模温度、混凝土试拌结果确定一般不大于 见图 图 拌合水加片冰措施()相关试验数据表明水温 可影响混凝土 因此可在混凝土搅拌站设置冷水机系统确保拌合水温度在 之间()散装水泥须冷却降温后使用罐体做封闭遮阳()在搅拌机附近安装冷风机降温至不大于()使用隔热布包裹泵管 调度员调配车辆避免罐车压车过久而升温()一般应控制浇筑体凝结时间 左右选择夜间气温低时段(夏季 时 次日 时)浇筑()合理组织提高混凝土浇筑进度确保入模温度低于 .冷却
10、水管布置与操作工艺当气温较高入模温度无法满足要求时应在厚度为.、.的隧道侧墙设置冷却水管 通过有限元仿真计算结果表明布置冷却水管后侧墙温峰值明显降低里表温差减小减小降温收缩避免裂缝的产生 使用管径不小于 、壁厚 的黑铁管 水管厚度方向单根布置采用蛇形布置方案高度方向间距.混凝土面距最外层管大于.单个冷却水管循环不超过 通常将冷却水与混凝土温峰值之差控制在 以内 冷却水流速不小于./并每 改变一次冷却水流动方向 通水时间太长混凝土内部温降过大会使管周混凝土产生拉应力导致裂缝出现具体须根据实际监测.裂缝控制建议方案侧墙浇筑控制建议方案见表 表 侧墙浇筑控制建议方案施工季节建议方案混凝土最大开裂风险
11、系数中心表层夏季(气温)使用抗裂混凝土 墙厚.入模温度 浇筑长度 钢模墙厚.时入模温度 浇筑长度 钢模设置冷却水管.春秋季(气温 )使用抗裂混凝土入模温度日均气温 且 浇筑长度 钢模.冬季(气温)使用抗裂混凝土入模温度 分段长度 钢模板.裂缝控制工程应用与评价湖东 为地连墙垂直基坑侧墙设计.厚受地连墙外放影响实际厚度约.共分 段每次浇筑长度 采用抗裂混凝土 冷却水管控温方案 在侧墙结构厚度方向布置两层冷却水管如图、图 所示 浇筑时间 月 日:次日:侧墙养护方式采用节水保湿养护膜、复合土工膜保温保湿措施 图 侧墙冷却水管布置情况 图 冷却水管布置方案立面(单位)铁道建筑技术 ()刘时光:湖底隧道
12、侧墙抗裂混凝土刚性自防水技术研究与应用.温度监测历程由图、表 结果可知混凝土入模温度.外表面因混凝土散热影响入模温度比中心部位低约.从上到下各监测部位中心最高温度相接近约 温升值为.左右温峰值出现时间在.第一、二层水管冷却中心与表面、环境最高温差分别为.、.第四、五层水管冷却中心与表面、环境最高温差分别为.、.降温开始后 平均降温速率./降温效果显著表 冷却水管侧墙混凝土温度特征值冷却管部位入模温度/最高温度/最大温升/温降值/平均温降速率/(/)温峰出现时间/第一/二层.第二/三层.第四/五层.外表面.图 侧墙混凝土温度时程曲线.应变监测历程由图 可知相同位置厚度方向上膨胀与收缩变形远高于长
13、度方向高度方向上越靠近底部温升膨胀与温降收缩越小 第一、二层冷却水管中心长度与厚度方向上最大温升膨胀变形为.、.单位温升膨胀变形为./、./升温阶段的膨胀变形在存在约束的条件下有助于储存预压应力减小温降收缩应力第四、五层冷却水管中心长度方向上最大温升膨胀变形为.单位温升膨胀变形 /显著低于第一、二层的膨胀变形 降温阶段当降温至 时第一、二层冷却管纵向及横向的单位温降收缩变形值分别为./、./第四、五层冷却管纵向最大温降膨胀变形仅为.经后期持续观察未见裂缝控制效果良好图 侧墙混凝土应变时程曲线 结束语()从设计、材料、施工、监测及管理等方面开展了城市湖底隧道主体结构抗裂防渗成套技术研究从原材料品
14、质控制、混凝土配合比设计、冷却水管布置、保温铁道建筑技术 ()刘时光:湖底隧道侧墙抗裂混凝土刚性自防水技术研究与应用保湿养护、实体结构检验与验收及工程监测等方面提出抑制混凝土收缩开裂的具体措施实现了放热与变形性能优化调控()夏季施工当侧墙厚度大于.通过采用抗裂混凝土与冷却水管协同技术降低实体结构水泥水化温升全过程以补偿不同时期收缩变形开裂系数低于.有效降低了收缩开裂风险()经.厚度侧墙抗裂性实践应用采用抗裂混凝土及冷却水管协同控制最高温升、最大温差、膨胀与收缩均符合要求 高度方向越靠近底板位置外约束更强单位温升膨胀变形与温降收缩越小 通过温升抑制、全过程补偿收缩裂缝控制技术综合应用监测周期内变
15、形曲线光滑未出现开裂跳跃点与实体结构观察结果相对应参考文献 王铁梦.工程结构裂缝控制.北京:中国建筑工业出版社.赵长才郭玮.建筑自防水混凝土核心技术研究.新型建筑材料():.胡福洪胡翔宇.防渗墙塑性混凝土材料性能试验研究.新型建筑材料():.吴海林 彭云枫.沥青混凝土心墙坝应力变形及水力劈裂研究.水力发电学报():.张坤 张戎令.入模温度及引气剂含量对混凝土力学性能的影响.混凝土():.李进荣.基于改进骨干粒子群算法的大体积混凝土水化热管冷参数优化.铁道建筑技术():.何艳杰.冷却管在大体积混凝土工程中的应用.铁道建筑技术():.刘可心吴柯刘豪雨.港珠澳大桥超大断面隧道混凝土裂缝控制技术.水运
16、工程():.林立文王晨光.抗裂剂与冷却水管协同控制金鸡湖隧道侧墙结构开裂应用研究.混凝土与水泥制品():.金文良 徐文.太湖隧道混凝土收缩裂缝控制技术.中国港湾建设():.徐文李忠超张建亮等.水管冷却控制地铁车站侧墙混凝土早期开裂研究.中国建筑防水():.张坚徐文王育江等.金鸡湖隧道现浇侧墙结构抗裂性能提升技术与应用.江苏建筑():.(上接第 页)智能温湿度控制系统智能温湿度控制系统是养护台车的核心部分由温湿度控制器、传感器和加热加湿部分组成()蒸汽养护工序流程施工准备养护台车行走、就位、固定养护区域密封养护温度、湿度设定养护作业检查、加水、维护工作面清理结束 结论与展望张吉怀铁路古丈隧道、郑
17、万铁路湖北段苏家岩隧道张吉怀铁路吉首隧道、郑万铁路向家湾隧道施工广泛应用了涨壳式 锚杆及 锚杆能够配合锚杆台车实现围岩的锚固施工三臂凿岩台车增加了激光辅助电脑导航系统可高效完成工程中数据采集、故障报警、及时纠正钻进误差等工作在辅助布孔、数据采集交互等方面具有明显优势隧道智能化衬砌台车丰富了带模注浆功能且具有操作空间大、安装简单、便于遥控作业等优点隧道智能养护台车实现了养护区域温度、湿度的智能控制显著提高了隧道衬砌混凝土强度、表面致密性等衬砌质量参考文献 王志坚.郑万高铁隧道智能化建造技术研究及展望.隧道建设(中英文)():.马智亮.智能建造应用热点及发展趋势.建筑技术():.刘耀儒 侯少康 程
18、立 等.水利工程智能建造进展及关键技术.水利水电技术(中英文):.刘占省 孙啸涛 史国梁.智能建造在土木工程施工中的应用综述.施工技术(中英文)():.佚名.城市道路隧道建造技术取得新突破.中国公路():.卓越.京张高铁官厅水库特大桥工程智能建造及智能运维技术应用方案.铁路计算机应用():.洪开荣 冯欢欢.近 年我国隧道及地下工程发展与思考(年).隧道建设(中英文)():.王明年 张霄 赵思光 等.软弱围岩隧道机械化全断面施工超前支护体系设计方法研究.铁道学报():.王志龙 童建军 姚萌.大断面机械化施工隧道二次衬砌支护时机研究.现代隧道技术():.李峰.全智能电脑凿岩台车在隧道机械化施工中的应用优势.科技创新与应用():.朱付广 徐东升 谭瑞山 等.武汉地铁小洪山段隧道变形智能监测与分析.土木工程与管理学报():.徐剑安 李建斌 荆留杰 等.关键参数智能掘进系统的设计与实践.隧道建设(中英文)():.铁道建筑技术 ()