基于跳仓法施工的深基坑大体积混凝土裂缝控制技术

周晓刚

(江阴市交通运输综合行政执法大队)

随着地下工程的发展，建造了大量的大型地下商场、停车场、大空间和超深度地铁站、超规格长度市政隧道等，这些地下工程结构为了克服水土压力，需要施工大面积、超厚度的大体积混凝土[1]。在一次连续整体施工时，大体积混凝土固化过程中，水化反应不断产生和积累热量，内外温差差异作用下使得混凝土的膨胀收缩不一致，进而导致裂缝产生，给地下工程结构的防渗造成威胁。因此采用科学合理的施工工法和有效的防裂措施是有效确保大体积混凝土顺利施工的关键[2]。

某隧道工程采用明挖顺作法施工，隧道全长约2.4km，其中暗埋段长1880m，南、北侧敞开段长分别为255m和280m；
该工程占地面积约8.64万m2，底板总面积约8200m2，隧道主体结构基础厚度为900～1700mm 不等，侧墙厚度900～1600mm；
隧道基坑开挖深度约15.21m，开挖宽度约29.74～49.94mm，变形缝设置36m一道。

在隧道施工中，由于隧道施工缝的存在，导致以下几个施工难题：①主体结构横向施工缝（环向施工缝），根据实际工况设置，一般不超过20m，基础及侧墙配筋较密集，施工缝留置时间较长，混凝土面凿毛、钢筋除锈、界面处理等难度较大，致使隧道侧墙施工缝处的渗漏水的现象时有发生；
②施工缝处容易有泥土、流水等进入该界面，后期如果清理不干净直接影响施工质量；
③施工缝增加了防水施工质量的难度，增加渗漏隐患[3]。

为控制隧道混凝土结构裂缝发展和减少施工缝引起隧道侧墙渗漏现象，项目隧道底板及侧墙结构采用了跳仓法工艺施工和外掺氧化镁膨胀剂等措施，目前隧道已回填完成1.2km，降水停止将近1年，现场结构自防水效果较为理想。

氧化镁膨胀剂可使混凝土在固化的过程中产生一定的微膨胀性，有效改善混凝土的极限抗拉强度和抗渗能力；
同时工程应用实例也表明，外掺轻烧氧化镁时，混凝土的极限拉伸值可从133×10-6增长至142×10-6，且混凝土的龄期越长其抗裂性能也越好，因此在大体积混凝土施工中，加入氧化镁膨胀剂可以改善混凝土的抗裂性能。此外，李承木教授[4]将龄期10 年和12 年的氧化镁混凝土抗压强度与其1 年空白强度比较，发现混凝土强度仅分别降低了3.1%和4.7%，说明外掺氧化镁基本不会影响混凝土的安定性和结构稳定性；
经长科院进行的氧化镁试验表明[5]，氧化镁混凝土的弹性模量随龄期的增加而增大，外掺氧化镁的混凝土抗压弹模与未掺氧化镁混凝土基本相当；
大量的碳化性能试验结果表明[6-8]，经过28d连续碳化，混凝土中掺入30%粉煤灰后，外掺轻烧氧化镁混凝土的碳化深度比未掺氧化镁的混凝土减小34.3%，前者能够明显地影响混凝土的碳化进程，保持混凝土优良的工作性能。综上所述，掺入氧化镁膨胀剂可以有效提高混凝土的抗压强度、弹性模量、抗裂性能、抗渗性能等，因此在其使用性能上有必要展开进一步的研究，以适用于大体积混凝土结构的抗裂控制。

为了更好地研究氧化镁膨胀剂的使用性能，采用室内试验的方法对大体积混凝土中氧化镁膨胀剂的发展规律进行研究。在现有使用较为广泛的氧化镁膨胀剂中，主要有R 型氧化镁膨胀剂、M 型氧化镁膨胀剂和S 型氧化镁膨胀剂，其主要性能指标如表1所示。

表1 氧化镁膨胀剂的主要性能指标

本研究中选用与工程实际使用相符合的R 型氧化镁膨胀剂进行试验，制作混凝土试块进行标准养护360d，加入氧化镁膨胀剂后研究混凝土的膨胀发展规律。为了更好地定量分析，在试验中设置了不同的氧化镁膨胀剂掺入量，分别为0%、4%、6%、8%和10%，同时所有的试块都经历了4 种不同的养护温度，分别为20℃、40℃、60℃和80℃，以研究大体积混凝土在不同的水化热条件下的膨胀发展规律。不同养护温度和不同氧化镁掺量条件下，混凝土试块的膨胀曲线测试结果如图1～图4所示。

从图1～图4 中可以看出，在相同的养护温度条件下，不同的氧化镁膨胀剂掺量的混凝土膨胀发展规律较为一致，膨胀率先呈非线性增加后逐步趋于平稳；
相比于不掺和氧化镁膨胀剂，掺和氧化镁膨胀剂的混凝土的膨胀率显著增加，且随着氧化镁膨胀剂的增加，混凝土的最终膨胀率也不断增加，有效地改善了混凝土的抗裂能力，而增加混凝土的养护时间对于氧化镁混凝土的最终膨胀率改善不显著，但是可以提高氧化镁混凝土的膨胀速率，随着养护温度的增加，镁质膨胀材料膨胀反应速率也逐步增加，因此可以更快地达到最终膨胀率。结合实际混凝土养护温度，调整掺量就可以设计不同的膨胀量和膨胀反应历程。其膨胀性能与钙质膨胀剂相当，且其膨胀反应需水量较小，适宜于夏季混凝土和大体积混凝土施工。

图1 养护温度为20℃时掺量混凝土膨胀曲线

图2 养护温度为40℃时掺量混凝土膨胀曲线

图3 养护温度为60℃时掺量混凝土膨胀曲线

图4 养护温度为80℃时掺量混凝土膨胀曲线

3.1 跳仓法施工的基本原理

目前，地下工程技术发展迅速，地下工程结构也逐步向超长、超宽和超厚的方向发展，这些大体积和超规格长度的结构在施工过程中如果整体一次性浇筑，极难控制混凝土内部的温度，造成混凝土内外部裂缝分布不均，导致混凝土产生温度裂缝，影响地下结构的抗渗性能。跳仓法施工工艺是解决混凝土开裂的有效途径之一，这是因为混凝土在施工5～10d 期间，其工作性能不稳定，未彻底凝固，跳仓法利用该期间混凝土内应力释放出来的“抗与放”特性，采用隔一段浇一段分仓措施，且相邻两段浇筑间隔时间不小于7d，避免了混凝土初期的温差和干燥，达到控制裂缝开展的目的。

3.2 深基坑大体积混凝土跳仓法施工工艺

为了控制本工程隧道大体积混凝土施工时的裂缝开展，采用跳仓法施工时，主要施工控制技术如下：①科学划分“跳仓块”，采取综合施工管理措施，有效控制混凝土早期裂缝及减少渗漏水现象；
②隧道侧墙增加小直径带肋，在主钢筋外侧布设钢筋网片，以改善表面混凝土的抗裂性能；
③隧道侧墙选择低水化热水泥，增加氧化镁，减少混凝土收缩变形；
④形成流水施工，缩短隧道底板及侧墙施工间隙（即缩短第一次与第二次混凝土施工间隔），减少对后期施工的侧墙砼约束裂缝。

跳仓法施工的总体工艺流程如图5 所示。具体的施工操作要点分别为分仓划分、分仓浇筑顺序确定、大体积混凝土结构施工及温度控制、施工缝处理。

图5 跳仓法施工的工艺流程图

在分仓划分时，利用“抗放兼施”的原理，先将超长混凝土结构根据现场工况合理大小分仓，仓的纵向边长在20m 左右。分仓时需要考虑的因素有分仓缝设在混凝土结构剪力最小处，对结构影响最小；
在大体积混凝土结构施工及温度控制时，分仓浇筑顺序的确定原则主要为相邻仓施工间隔大于7d；
根据现场实际情况调整分仓浇筑顺序。混凝土浇筑前，规范布设测温芯片，随时跟踪检测砼体内温差，及时采取措施，保证温控达到预期目的；
混凝土浇筑完成，规范测温时间及测温记录；
掌握环境温度；
掌握混凝土的入模温度；
分仓施工完成后，对施工缝进行处理，具体为在施工缝处设置止水钢板并支模严密，防止漏浆。

3.3 大体积混凝土跳仓法施工中的其他抗裂措施

大体积混凝土裂缝产生的主要原因有水泥用量大、活性高，水化热大，含水量高；
构造配筋率小、间距大；
养护不及时，混凝土暴露面大；
环境及混凝土温度高，风速大；
未形成流水施工，前期浇筑混凝土约束后期浇筑的混凝土应力变形；
混凝土早期塑性收缩较重要，其它收缩还有：混凝土自生收缩、碳化收缩（大气中CO2和混凝土水化物形成CaCO3）和混凝土干燥收缩（潮湿膨胀）。

因此在大体积混凝土跳仓法施工中，主要采取了以下几个其他裂缝控制措施：

⑴优化设计

由于设计软件基本假定、设计参数等脱离现场实际，造成定量甚至定性的误差；
合理配置侧墙构造配筋或另行增加抗裂钢筋网，保护层控制为25mm。

⑵跳仓分块

分块浇筑长宽尽可能控制在20m 以内，采用跳仓浇筑，确保分段混凝土独立收缩变形而不影响整个结构收缩开裂。

⑶优选配合比

底板及侧墙混凝士采用60d 至90d 龄期，采用水化热低和凝结时间长的水泥，适当掺入氧化镁，降低侧墙混凝土温缩应力；
坍落度宜控制在140～180mm 以内，水胶比不大于0.5，浇灌速度不宜过快，混凝土自由落差符合规范要求。

⑷混凝土浇筑

加强管理严禁冷缝出现，混凝土浇灌后约2 小时进行二次振捣；
混凝土施工前，根据天气情况等做好周密的施工计划方案，加强过程监督及振捣质量。加大施工力量，缩短底板和侧墙施工间隔时间小于7d，减小隧道底板对侧墙混凝土的变形约束；

⑸侧墙混凝土养护

混凝土浇筑完成后，8～12 小时内开始带模喷淋水或喷雾保湿养护。延长拆模时间，模板拆除后及时覆盖专用养生薄膜及棉被覆盖。

⑴在相同的养护温度条件下，不同的氧化镁膨胀剂掺量的混凝土膨胀发展规律较为一致，膨胀率先呈非线性增加后逐步趋于平稳；
相比于不掺和氧化镁膨胀剂，掺和氧化镁膨胀剂的混凝土的膨胀率显著增加，有效地改善了混凝土的抗裂能力，随着养护温度的增加，镁质膨胀材料膨胀反应速率也逐步增加，因此可以更快地达到最终膨胀率；

⑵基于跳仓法施工时，采用隔一段浇一段分仓措施，有效降低了隧道混凝土结构的裂缝开展，目前隧道已回填完成1.2km，降水停止将近1年，现场结构无裂缝出现，自防水效果较为理想。

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