盾构大体积管片裂纹分析

盾构大体积管片裂纹分析

2008-12-20 10:03:59| 分类： 学术论文 | 标签： |字号大中小 订阅

摘 要：针对盾构隧道大体积管片施工技术的重、难点，结合武汉长江隧道盾构管片施工过程中的实际经验，介绍了盾构大体积管片施工过程中不同裂纹类型、形成原因及控制重、难点，对关键工序及关键工艺进行重点介绍，并简要介绍了常见问题及其对策和预防措施。

关键词：盾构 大体积管片 裂纹 原因

中图分类号：U455．43 文献标识码：B

盾构法目前在国内已经日趋成熟，国内已经使用盾构法的城市地铁有上海、广州、南京、北京、深圳，另外有天津、西安、成都、沈阳、杭州、青岛等城市都在紧锣密鼓地筹建。由于盾构施工在工期、质量、安全等诸多方面的优势，一些城市的其它地下工程(过江隧道、输水管道等)也越来越多的采用盾构施工。但是由于盾构在隧道内拼装的钢筋混凝土管片需要提前预制，而且需要很高的抗压、抗渗、耐久性等要求，一旦管片本身出现致命的缺陷，可能就会产生灾难性的后果。管片在预制过程中裂缝出现的几率很高，尤其是随着盾构施工水平的不断提高，大断面盾构项目不断上马，大体积管片出现裂纹的几率也愈高。管片裂纹防治技术也成为其中最重要的常见技术问题。 1 大体积管片裂纹分类 1.1 管片外弧面裂纹

管片外弧面裂纹主要有两种：一种是在水养之后出现的龟裂纹。龟裂纹在管片生产中是比较普遍的，同时也是管片最主要的裂纹，在管片湿润情况下才易看出。龟裂是一种微细裂纹，在混凝土表面干燥的情况下，其肉眼不可见(宽度<0.02mm)，用水湿润时则可见，呈现为纵横交错状如龟壳纹样的裂纹。在初期经受干湿和冷热交替作用后，这种裂纹会由表面向纵深发展，而成为肉眼可见的裂缝，而且有发展成有害裂缝的可能。因此龟裂问题应引起足够的重视和关注。目前的生产工艺还不能消除此裂纹，只有采取各种措施将裂纹降到最低。

另一种是在蒸养之后就出现的裂纹，属于浅表性裂纹，或表面收缩裂纹，该裂纹是由于混凝土表面温度不均造成的。 1.2 管片侧面裂纹

这种裂纹主要是混凝土在干湿交替、温度变化过程中混凝土碳化收缩产生的裂纹。一般认为混凝土的碳化需要很长的时间，但是笔者认为一些水化产物如C—S—H凝胶的碳化的确需要较长的时间，但是混凝土表面的碳化[Ca(OH)：的碳化]并不需要很长的时间，在几个小时之内就可能发生，再加上干缩的叠加作用，当混凝土表面抗拉强度不足以抵抗收缩所产生的拉应力时，将导致混凝土的开裂，从而产生微细裂纹。一般说来，碱度越高，碳化越慢。这一规律是对混凝土的整体碳化而言的，混凝土的表面碳化并非如此。混凝土表面的主要成份为Ca(0H)2，根据化学平衡原理，碱度[Ca(OH)2含量]越高，越有利于Ca(OH)2的碳化。因此，混凝土的表面碱度越高，则表面的碳化越快，收缩也越大，越易产生裂纹(特别是在早期)。降低混凝土表面的碱度(特别是早期)可减少龟裂的产生。 1.3 管片手孔部位裂纹

管片手孔部位裂纹在蒸养后出现。裂纹较细但连续，整个管片呈八字形。手孔越大裂纹越大越明显。

该裂纹主要是由于以下两方面原因综合导致： ① 手孔断面设计较大，断面突变易产生裂纹；

② 混凝土在水化过程中产生较大收缩与钢模受热膨胀产生温度集中应力的叠加，产生45°方向的表面收缩裂纹。

总之，由于管片体积大、厚度较厚且是弧面形状，易产生表面收缩裂纹。 裂纹性质：非贯穿浅表型非结构受力性裂纹。

裂纹产生原因：混凝土本身内外温差、混凝土与大气温差、混凝土与大气湿度差。

裂纹产生机理：混凝土收缩拉应力大于混凝土抗拉强度的增长造成。 2 不同阶段出现裂纹及分析

大体积管片出现宏观裂缝(0．05 mm以上)是普遍现象，但大部分都是表面的收缩裂纹，多数情况下无明显危害，查明原因后可以接受。但开裂又常是设计有误、原材料选择不当、配比不良、施工质量低劣的综合反映，可能隐含抗渗性差、强度不足、材料严重不匀、结构有薄弱环节或混凝土、钢筋材料已遭受损伤和腐蚀，甚至是面临破坏的前兆，所以出现裂缝必须寻求原因，采取相应对策。 裂缝大部分出现在前期，也就是施工阶段，后期出现的裂缝实际上也是源于施工阶段造成的，例如使用劣质水泥、活性骨料、CaCl2掺合料等。 虽然管片生产的每道工序控制不严都会产生裂纹，但主要还是集中在配比确定、混凝土浇注收光、蒸养、水养几个方面，下面着重从这几个方面进行分析： 2.1 配比确定

2.1.1 基准配比确定

大体积隧道管片的体积较大、浇注时间较长，管片内部会产生大量的水化热，如果外部环境温度较低(尤其是北方地区的冬季施工)，在未进行蒸养之前管片内外便会产生较大温差，管片的表面抗拉强度一旦达到极限，就会出现大面积的龟裂，所以基准配合比在试配阶段就应该考虑达到设计强度及抗渗要求的前提下，尽量掺加粉煤灰或矿粉等掺和料，减少水泥用量，降低水化热的产生。 以掺加粉煤灰设计配合比为例进行介绍： (1) 计算混凝土的试配强度 fcu,o=fcu+1．645 6 0

其中：fcu,o为混凝土的试配强度，MPa；fcu为混凝土的设计强度，MPa；60为混凝土的标准差，MPa，标准差按历史统计资料取得，无历史统计资料时按表1取值。

表1 混凝土强度标准差

(2) 根据普通混凝土配合比设计规程(JGJ55—2000)计算水灰比 W／C=(a·fce)/(fcu,o+a·b·fce) (2)

其中：fce为水泥28天抗压强度实测值，MPa；a、b为回归系数(当骨料为碎石时，a取0．46，b取0.07；当骨料为卵石时，a取0.48，b取0.33)。

(3) 根据原材料情况和混凝土工作性要求等选取每一立方混凝土用水量(形)并计算出每一立方混凝土水泥用量(C)。

(4) 选择砂率(Sv)，按体积法计算每一立方混凝土各种原材料的用量(基准配合比)。计算公式为：

C/ρc+W/pw+S/ps+G/pg+0．01α=1 (3) Sp=S/(S+G)×100％ (4)

其中：ρc为水泥密度(kg/m3)，可取2900～3 100kg/m3；

ρw为水的密度，kg/m3，可取l 000 kg/m3；S为每一立方混凝土砂的用量，kg/m3；ρs为砂的表观密度，kg/m3；G为每一立方混凝土石子的用量，kg/m3；ρg为石子的表观密度，kg/m3；α为混凝土含气量百分数，在不使用引气型外加剂时，α可取1。

(5) 粉煤灰混凝土的配合比设计有等量取代法、超量取代法和外加法。设计时应按绝对体积法进行计算。从施工要求、经济性等方面选取设计方法和超量系数，建议采用超量取代法。建议粉煤灰取代率为15％(普通硅酸盐水泥、I级或Ⅱ级粉煤灰)，超量系数为1．4(按I级粉煤灰选取)。

粉煤灰取代水泥的最大限量(以重量计)应符合表2规定。

表2 粉煤灰取代水泥的最大限量

通过掺加粉煤灰，有效的节约了水泥，改善了混凝土的和易性，提高了可泵性，激活水泥的二次水化反应，既提高混凝土强度，又降低水化热，缩小了混凝土内外温差，降低了裂纹的出现几率。 2.1.2 施工配比确定

管片的施工配合比不仅关系到成品的强度、抗渗等设计指标，同时对表观质量也起很大的决定作用，因此必须每次开盘前进行砂石含水率测定，在基准配合比的基础上通过理论计算折合掉基准配比中水的用量，并由试验室提供施工配合比通知单。另外遇天气突变降雨也随时测定，并即时更新施工配合比。 2.2 混凝土浇注收光

(1) 混凝土浇注：前面提到大体积管片内部会产生大量水化热，因此必须尽量缩小浇注时间，使得整片管片混凝土终凝前内外温差缩小到最小，减少温度应力造成的表面裂纹。另外大体积管片需要混凝土的方量较多，尽量保持同片管片混凝土塌落度的一致，也是裂纹减少的有力措施之一。

(2) 混凝土收光：混凝土在浇注完毕到终凝开始蒸养存在较长的时间，除了可能因为内外温差产生温度收缩裂纹以外，混凝土表面水分的流失也会造成千缩裂纹的出现，因此收光工艺按第一、二次抹压、第三、四次收水操作程序进行抹面收水，在每次抹压收水后用厚塑料膜覆盖以利混凝土保温保湿，可以最大程度的避免裂纹的出现。 2.3 蒸养

蒸养是管片生产过程中最重要的一环，也是裂纹出现几率最大的时段，过程控制的好坏直接关系到管片的最终质量。一般情况下蒸养温度越高，早期强度提升的便越快，但是后期强度损失的就越多。因此蒸养只是工程界盲目追求短期效

益的一种短视行为，应尽量降低蒸养温度，减少与混凝土水化热的叠加，降低温差裂纹的出现几率，这一点在大体积管片上体现的愈发明显。经对两环管片采取不同的蒸养温度进行对比实验，结果发现温度较低的一环出现裂纹的几率大大低于另一环。

另外，在升降温阶段管片更加容易出现裂纹，必须制定严格的升降温制度，并严格执行。对体积越大的管片，蒸养的最高温度应越低，升降温的速率应越慢。某工程管片蒸汽养护温度控制如下：

① 管片静停时间：2—6 h(根据季节温度定)； ② 升温梯度：10～15℃/h； ③ 蒸养最高温度：≯40℃；

④ 恒温时间：1．5 h(根据季节温度定)； ⑤ 降温梯度：≯10℃/h；

⑥ 脱模时与外界的温差：≯20℃。

该工程与国内盾构管片传统作法最大的不同便是蒸养温度的降低和静停时间的延长，经过反复的实验，本着对工程负责的态度，施工单位抛弃了对进度的盲目追求(因为质量、信誉才是真正的效益)，尽量降低蒸养温度和延长静停时间，有效的杜绝了裂纹的出现。 2.4 水养

水养是管片完成的最后一关，也是裂纹出现的最后机会，水养的水温和水质都会造成管片表面龟裂。

管片必须严格降温或对养护水进行加温，使管片的温度和养护水的温度差不大于10℃才能保证避免温度收缩裂纹的出现。

由于混凝土表面的碳化[Ca(OH)2的碳化]并不需要很长的时间，在几个小时之内就可能发生，所以养护水的水质也需要严格要求，保持石灰饱和溶液是杜绝裂纹的最好措施。

各地的施工条件不同，但是保证7 d的水养后进行淋水养护也是避免裂纹出现的必要措施。

3 常见裂纹的预防和处理 3.1 混凝土表面裂纹预防措施 3.1.1 防止塑性开裂措施

① 混凝土人模后尽快用塑料膜覆盖，工作面保持最小，预防外露表面失水，是防止混凝土表面与大气产生湿度差的有效措施之一。

② 降低混凝土的人模温度，浇筑温度最好规定不高于25℃。热天施工时如需适当放宽限制，也不宜高于32℃，并应同时调整混凝土的配合比，降低水泥用量以减少水化热。

混凝土浇筑温度愈高，水化反应愈快，释放热量愈多，升温愈高，又进一步加速水化反应。同样配比混凝土当入模温度为10℃时，24 h后升到30℃，当人模温度为20℃时，20 h后升到55℃，即人模温度相差10℃可使最高温升差到25℃。实验结果表明混凝土浇筑温度从25℃减少到12 ℃，开裂温度扎降低15～19℃。

③ 混凝土浇注收光完毕，适当的喷雾湿润上方空气可有效的降低}昆凝土表面与大气的湿度差，防止混凝土裂纹的出现。

④ 设置遮蔽棚，防止阳光直射。夏季施工时阳光比较强烈，如果是露天施工，阳光直射会使混凝土表面迅速失水，造成与大气之间的较大湿度差和温度差，这些差别一旦超过混凝土的承受极限，即会产生开裂。

⑤ 浇筑前润湿模板和底板。模板和底板与混凝土本体之间产生的湿度差跟混凝土与大气环境产生的湿度差造成的危害是一样的，尤其管片在蒸养过程中，钢板的导热性好，反而比混凝土与大气环境产生的湿度差造成的危害更大，因此浇筑前润湿模板和底板是必需的工序之一。

⑥ 降低混凝土粉料总量。水胶比宜控制在0．45～0．60之间(有的工程低于0．35)，或胶凝材料总量控制在300～450 kg/m3之间。

⑦ 降低用水量。尽量选择减水效果较好的减水剂，一般要求减水率在20％以上的为宜。

⑧ 外加引气剂。掺加引气剂有利于防裂，使温度下降4～5℃。 ⑨ 通过抹面、压光消除早期塑性裂缝。 3.1.2 防止干缩裂缝措施

① 配置低收缩混凝土。减少拌和水量，减少浆体体积，加大粗骨量的最大粒径和骨料含量，降低拌料入模温度，选择低含碱量水泥，控制骨料含泥量。 ② 降低混凝土干燥速率，延缓表层水分损失。采取有效措施对混凝土表面进行保湿，同时尽量缩小混凝土表面与外部环境之间的湿度差。

③ 设置构造钢筋。对管片的一些突变部位应设置构造钢筋，增加突变部位混凝土的抗拉强度，防止这些敏感部位因突变过大造成混凝土的表面抗拉强度较低而出现开裂。

④ 采用补偿收缩混凝土，或外掺减缩剂。

⑤ 提高混凝土抗裂能力。掺加钢纤维、尼龙纤维或聚丙烯纤维等可有效的提高混凝土抗裂能力。尤其是聚丙烯纤维可以提高水工混凝土的抗渗、防裂、耐磨、抗冲击、韧性、耐久性等综合性能，能有效防止或减少混凝土收缩裂缝的产生。

3.1.3 防止温度收缩裂缝措施

收缩是以混凝土最初变硬时的长度作为基准，这时的混凝土因水化热而处于高温或较高的温度下：

① 减少因水化热和环境温度引起的温升。通过掺加粉煤灰等掺合料，降低水泥的用量，控制水化热的过多产生。同时尽量选用低水化热的水泥。

② 减少混凝土内外温差。混凝土内部和表面的温差一般不应超过20℃。混凝土表面无复盖层时，表面温度与大气温度的差别也不应超过20℃，混凝土表面与养护水温度不超过15℃。

③ 控制降温速度，防止温度骤然变化。根据其它大体积混凝土降温施工经验(建筑工程3.0～3.5℃/d，水坝1.5℃/d)以及小体积管片降温经验(15℃/h)，大体积管片大气中混凝土表面温度的升降变化应小于3℃/h，非大气环境≯10℃/h。 ④ 选择热膨胀系数低的混凝土。

⑤ 限制早期(12h或24h)强度。限制使用R型早强水泥，尤其是热天不应用早强水泥。

3.1.4 防止钢筋锈蚀裂缝开裂措施

横向裂缝不会导致钢筋连续锈蚀，影响不大；纵向裂缝(顺筋开裂)有严重危害。

① 保证钢筋及钢筋笼的质量，不允许锈蚀的钢筋骨架用于生产。

② 依靠混凝土抗渗性和加大保护层厚度。对于环境作用等级为c或c级以上的混凝土构件，施工合格验收时单一构件实测最外侧钢筋(一般为箍筋或分布筋)的混凝土保护层厚度，在其全部测点数据中应有95％以上大于设计规定的最小保护层厚度Cmin。

混凝土表面裂缝宽度限制与保护层厚度的矛盾：增加保护层厚度，表面裂宽将增大，但对防止钢筋锈蚀仍然非常有利，裂缝宽度的大小对钢筋锈蚀速率的影响不大。

3.2 混凝土裂纹处理措施

3.2.1 修补材料的选用及配合比

① 用302混凝土界面处理剂配制成胶液，再拌合水泥进行修补。

② 胶液配比：302混凝土界面处理剂甲组分：乙组分=1：3(体积比)。 ③ 修补材料配比：胶液：水泥=1：(1～2)(质量比)。 ④ 材料：结晶材料、环氧树脂。 3.2.2 修补工艺及步骤

① 对宽度≤0.15 mm的裂缝，可不采取修补措施。

② 对宽度>0.15 mm的裂缝，使用软质湿布沾修补胶液擦拭待修补区域表面，在表面未干时：对深度≤10mm的裂缝，表面涂结晶材料处理；对深度>10 mm的裂缝，凿开裂缝，埋管用环氧树脂进行填补，填补后表面再涂一薄层水泥灰(灰水泥：白水泥=1：1)，裂缝凿开宽度以凿至裂缝深度为准，不可过宽。 3.2.3 养护方法

脱模后修补：用湿布覆盖湿润养护，待水泥达到初凝后入水池养护。

出厂前修补：待水泥达到初凝后，用湿布覆盖湿润养护，并定时洒水保湿，时间为7 d。 4 实例简介

武汉长江隧道工程采用盾构法施工，盾构隧道外径为11 m，内径为10 m，采用C50P12通用环钢筋混凝土管片混凝土，每环管片分为9块，其中封顶块1块、邻接块2块、标准块6块。每片管片弧长约4m。管片宽度2 000 mm，厚度500 mm，楔形量为55 mm，管片在环、纵向均设凹凸榫槽，管片环向采用弯螺栓连接，纵向采用直螺栓连接。每环混凝土量31.75 m。，折合混凝土总量约为80 423 m。。经过严格的配合比试验，采取掺加一级粉煤灰以降低混凝土水化热，在手孔部位涂刷2 mm厚纤维砂浆，同时严格控制工序管理(尤其是混凝土搅拌和管片蒸养)，生产的大体积管片抗压强度、抗渗指标、耐久性指标满足设计要求，单块管片抗渗、抗弯试验满足设计要求。管片颜色均一、外观无明显裂纹，达到了管片质量要求。 5 结束语

① 大体积管片出现宏观裂缝(0.05 mm以上)是普遍现象，但裂纹大部分都是表面的收缩裂纹，多数情况下无明显危害，查明原因后可以接受。

② 管片表面龟裂是一种细微裂纹，与一般工程所指的裂纹不同，只有在干湿和冷热交替的作用下才会出现。

③ 掺加粉煤灰和矿渣等可减少水泥用量，降低水化热，减少大体积管片裂纹出现的几率。

④ 尽量降低手孔的设计深度，避免断面突变产生裂纹。另外可采取一定的措施增强混凝土表面(特别是断面部位)的抗拉强度。

⑤ 混凝土表面短时间的ca(OH)：的碳化也是产生表面龟裂的一个重要原因。

⑥ 突破现有规范对蒸养的束缚，尽量降低蒸养温度，减少与水化热温度的叠加，可有效降低大体积管片裂纹出现的几率。

参考文献：

[1] 夏明耀，曾进伦．地下工程设计施工手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，2001．

[2] [日]土木学会．隧道标准规范(盾构篇)及解说[M]．朱伟，译．北京：中国建筑工业出版社，2001．

[3] 王铁梦．工程结构裂缝控制[M]．北京：中国建筑工业出版社，2002． [4] 王异，周兆桐．混凝土手册［M］．长春：吉林科学技术出版社，1985． [5] 陈肇元．高强混凝土结构设计施工指南[M]．北京：中国建筑工业出版社，1994．

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8s4a.html