港珠澳大桥岛隧工程敞开段侧墙控裂关键技术

中国道湾建设

China Harbour Engineering

Vol. 38 No.4Apr. 2018

港珠澳大桥岛隧工程敞开段侧墙控裂关键技术

王新刚，苏昕

(中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222)

摘要：港珠澳大桥隧道工程西人工岛敞开段浇筑在混凝土底板上的大体积混凝土侧墙，由于墙体混凝土收缩受到

底板的强约束作用极易出现裂缝。为了解决侧墙开裂问题，首先应用有限元软件对侧墙进行温度应力模拟计算，从 理论上分析了侧墙温度应力分布特点，并在此基础上研究了控制混凝土侧墙裂缝的关键技术；然后在侧墙混凝土内 部埋设应变传感器，原位测试采取裂缝控制技术措施后侧墙内部混凝土应变变化情况，验证了理论分析的正确性。 实践结果表明，侧墙未出现裂缝，实现了预期目的。关键词：港珠澳大桥；大体积混凝土；裂缝控制；温度应力中图分类号：U6; TV431 doi ： 10.70/zggwjs201804004

文献标志码：A

文章编号：2095-7874(2018)04-0017-05

Key techniques for crack control of side wall in open section of

Hongkong-Zhuhai- Bridge island and tunnel project

WANG Xin-gang, SU Xin

(CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co., Ltd., Tianjin 300222, China )

Abstract ： The mass concrete side wall, which is poured on the concrete floor in open section of the west artificial island of Hongkong-Zhuhai- Bridge island and tunnel project, is easy to crack due to the strong constraint of the shrinkage by the floor. In order to solve the problem of side wall cracking, we used the finite element software to simulate the temperature stress of the side wall, theoretically analyzed the characteristics of the temperature stress distribution of the side wall, and on the basis of this, we studied the key technology of controlling the crack of concrete side wall. Then we embedded the strain sensor in the inner side wall concrete, tested the change of the internal concrete strain in the side wall after taking crack control technology, and verified the correctness of theoretical analysis.The practice results show that there is no crack in the side wall, and the intended purpose is achieved.

Key words ： Hongkong-Zhuhai- Bridge; mass concrete; crack control; temperature stress

1工程概况

第1次浇筑底板整体、中墙浇筑高出底板30 cm 部分，侧墙浇筑高出底板26.1耀120 cm部分；第2 次浇筑中墙和两道侧墙剩余部分，三道墙逐一浇 筑；0W1-1横剖面图如图1所示。敞开段侧墙采 用C45混凝土，C45混凝土配合比如表1所列。 由于种种原因，敞开段0W1-1底板浇筑完成后近 9个月才进行侧墙的浇筑施工。

西人工岛暗埋段CW1底板厚度1.5耀1.7 m， 侧墙厚度1.5 m、高度11 m，底板与侧墙混凝土 浇筑时间间隔约为2个月，CW1侧墙出现了较多 的竖向裂缝。与暗埋段侧墙相比，敞开段侧墙具

港珠澳大桥是一座连接、珠海和两

岸三地的大型跨海桥梁，全长49.968 km,主体工 程“海中桥隧”长35.578 km。西人工岛敞开段 OW1-1段长度16.5 m，底板最大厚度3.15 m，最 小厚度2.60 m，中墙厚度1.10 m，侧墙厚度2.91 m、 高度12 m。敞开段高度方向分2次浇筑施工，即

收稿日期：2017-11-20

修回日期：2018-01-09

），男，河北玉田人，工学硕士，教授级高

作者简介：王新刚（ 1973 —

工。研究方向：大体积混凝土温度应力计算及裂缝控制。 E-mail： wxg58@126.com

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有厚度与高度更大，底板与侧墙浇筑时间间隔更 长的特点。因此，如不采取更加有效的裂缝控制 技术措施，敞开段侧墙必然会开裂。

图1西人工岛隧道敞开段OW1-1横剖面图(cm) Fig. 1 Cross section of OW1-1 of open section of west

artificial island tunnel(cm)

表1 C45混凝土配合比

Table 1 Concrete mix proportion of C45

kg/m3

项目水泥

粉煤

灰

矿粉

砂

碎石碎石(大）(小）

水

外加剂

用量

1

105

126

770

798

266

143

3.57

2侧墙温度应力仿真分析

为了从理论上弄清楚混凝土侧墙产生裂缝的

原因，应用有限元软件对侧墙大体积混凝土温度 应力进行仿真分析，验算水化热引起的温度应力。 根据侧墙混凝土温度应力特点，有针对性地研究 制定防裂技术措施，从而达到减少或防止侧墙混 凝土开裂的目的'

2.1计算参数的选择及有限元模型的建立

1) 材料热特性值

根据表1所列混凝土配合比的水泥用量和粉 煤灰、矿粉的用量，胶凝材料水化热折减系数取 0.788[2]，折算后水泥用量当量值为 330.8 kg。本工 程采用pn水泥，3 d水泥水化热按照经验值取 242 kJ/kg。本次有限元仿真分析计算所使用的其 他计算参数按经验取值[3]。

2)

有限元仿真分析模型的建立

根据OW1-1侧墙的实际结构尺寸及施工组织 设计方案的分步浇筑顺序，建立有限元模型。2.2 OW1-1侧墙温度场和温度应力仿真分析结果

1) OW1-1侧墙温度场仿真分析结果

OW1-1侧墙温度场仿真分析时长为40 d，

OW1-1侧墙表面浇筑完成后24 h温度达到最咼 值46.8益；内部在72 h温度达到最高值81.5益， 最大内表温差为37.5益，超过了相关规范规定的 允许值。

2) OW1-1侧墙应力场仿真分析结果

OW1-1侧墙应力场计算结果如图2〜图4所 示。由图3可知，OW1-1侧墙表面点在浇筑完成 后24 h左右拉应力开始大于容许拉应力，由此可 见会产生表面有害裂缝；由图4可知，OW1-1侧 墙中心点在450 h左右拉应力开始大于容许拉应 力，由此可见侧墙会产生贯穿有害裂缝。

图2 OW1-1侧墙720 h应力场 Fig. 2 720 h stress field of OW1-1 side wall

-10100 2〇0 300 400 500 600 700 800 900 1 000-2-3

/

时间/h

-容许拉应力 -8

-拉应力

-9

图4侧墙中心应力随时间变化图

Fig. 4 Center stress variation of side wall with time

3

裂缝产生的原因分析

根据侧墙大体积混凝土温度应力有限元仿真

分析结果可以看出，侧墙产生裂缝的主要原因有

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二：一是侧墙混凝土内表温差过大，从而导致表 面裂缝的产生；二是由于底板浇筑完成近9个月 后，才进行侧墙混凝土的浇筑施工，底板混凝土 收缩已大部分完成，底板对新浇筑的侧墙混凝土 收缩形成强约束，从而导致施工缝以下先浇筑的 底板混凝土内部产生压应力，后浇筑的侧墙混凝 土内部产生拉应力。随着龄期的增长，混凝土应 变能达到某一极限时，将会发生能量的释放，从 而导致混凝土开裂。

4混凝土侧墙的防裂技术措施

根据上述的分析，侧墙产生裂缝的主要原因 是混凝土结构内表温差过大和施工缝上下层混凝 土收缩的不同步。因此，侧墙的防裂技术措施应 从如下几方面着手。

4.1减小侧墙混凝土内表温差和降温收缩的技术 措施

减小侧墙混凝土内表温差和降温收缩，首先 可以通过降低混凝土内部最高温度着手，主要有 以下技术措施：

1)降低混凝土入模温度

① 混凝土搅拌

在西人工岛南北侧共设置HZS120全自动计 量水泥混凝土拌和站2座，单罐最大拌和量2 m3。 每座拌和站配备3个相互隔离的砂石料仓及2个 水池，能够满足现场混凝土浇筑使用要求。每座 拌和站通过设置1台冷却水装置，1台冰库，可 确保拌和用水温度控制在5益以下，能够有效降 低混凝土入模温度。

② 拌和水加冰

拌和水温度每降低1益，可使混凝土温度降 低约0.1益。经过多次讨论，并根据拌合站试拌 确定可行性，将加冰率由原来的20%提高到 40%，这样可使混凝土出机温度在原来基础上再 降低2.6益左右。

③ 原材料温度控制

为保证混凝土原材料温度尽可能降低，在原 材料到达现场后，在船上搁置一段时间，让原材 料温度充分降低后卸船；分别在砂石料仓上方设 置遮荫棚，防止阳光直射砂石料。并且在混凝土 浇筑前，对原材料温度进行观测；根据现场实际 情况在水泥罐上设置了环形冷却水管，通过淋浴 水泥罐降低水泥温度。

④ 混凝土运输温度控制

为减小混凝土在运输、浇筑过程中温度的上 升，在罐车罐体上包裹保温布，并在伴和站下灰 口附近设置冷却水管喷头。现场设置调度人员， 根据浇筑情况调配两侧罐车卸料次序及拌和站是 否搅拌，避免混凝土因罐车在现场停留时间过长 而升温。

⑤浇筑混凝土时段选择

混凝土各种原材料经过一夜的降温后，在早 晨5、6点钟时温度达到最低，此时拌和混凝土， 可使混凝土有较低的出机温度。

2)优化布置OW1-1侧墙冷却水管

通过降低侧墙混凝土内部最高温度，可以达 到减小混凝土降温收缩的目的。根据温度应力仿 真计算得到的侧墙温度应力分布特点，对冷却水 管进行优化布置，即在侧墙下部距施工缝3 m高 度范围内加密布置冷却水管，冷却水管间距取〇.3m， 距施工缝3 m以上部分冷却水管间距取0.8 m[4]。 冷却水管米用外径40 mm、壁厚2 mm的输水黑 铁管。优化后的冷却水管布置方案如图5所示。 单根冷却水管累计循环长度不大于200 m，冷却 水管长度每超过200 m增设1组进水口和出水口， 组成另外一个冷却水管循环。

图5侧墙冷却水管布置立面图（cm)

Fig. 5 Elevation diagram of side wall cooling water pipe( cm)

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3) 混凝土的保温

刚浇筑的混凝土强度低、抵抗变形能力小， 如遇到不利的温湿度变化情况，其表面容易发生 有害的冷缩和干缩裂缝。保温的目的是减小混凝 土内表温差及表面混凝土温度梯度，防止表面裂 缝的发生。对混凝土的保温工作不宜过早开始， 对于混凝土侧墙尤其如此，合理的保温时间应根 据现场混凝土温度监测结果加以控制确定。

4)

延长初凝时间

适当使用缓凝剂，将初凝时间延长至20 h。 4.2减小侧墙混凝土自身收缩的技术措施

针对混凝土的自身收缩主要是采取保湿养护 的技术措施。混凝土收缩受环境相对湿度影响显 著，环境相对湿度越低，其干缩值越大。因此可 以通过对侧墙混凝土进行充分保湿养护，来减小 混凝土的自身收缩。侧墙拆模后立即覆盖2层复 合土工布(带1层塑料薄膜），进行密封保湿养护。 密封保湿养护时间越长越好，但最短也不能少于 14 d。

4.3 充分润湿底板混凝土

利用混凝土 “干缩湿胀”的特性，在侧墙混 凝土浇筑前，将已浇筑的底板混凝土上表面用水 浸泡不少于7 d时间，使底板混凝土充分吸水润 湿，这样可以使底板混凝土产生大约40滋着的湿 胀[5]。侧墙浇筑完成后，底板混凝土随着内部水分 的不断散失，会产生一定量的干缩，从而达到减 小对侧墙混凝土收缩约束的目的。4.4提高混凝土抗裂性能技术措施

1) 改进搅拌工艺。在搅拌混凝土时，改变以 往的投料顺序：先向搅拌机中依次投人砂、70% 的水、外加剂、水泥、粉煤灰、矿粉，充分搅拌

后再投放石子，最后再把剩余30%的水加人进行 搅拌。这种搅拌工艺的主要优点是无泌水现象， 能够提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸值。

2)

对浇筑后的混凝土进行二次振捣，能排除

混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水 分和空隙，提高混凝土与钢筋的握裹力，增加混 凝土密实度，提高混凝土的抗拉强度，从而提高 混凝土抗裂性能。

4.5侧墙混凝土内部温度监测技术措施

在混凝土结构中埋设温度传感器，以便对混 凝土内部温度变化情况进行实时监测。混凝土的 温度实时监测主要达到如下目的：

1) 监测混凝土内表温差。当监测到混凝土内

表温差接近或超过25益时，应及时在混凝土表面 覆盖保温材料，来提高混凝土表面温度，从而防 止由于内表温差过大引起的开裂。

2) 监测混凝土内部降温速率。当监测到混凝 土内部降温速率接近或超过2益/d时，应及时停 止通冷却水，并在混凝土表面覆盖保温材料，防 止因混凝土温度下降过快而出现约束裂缝。

3)

控制冷却水与混凝土内部温度之差。由于

侧墙下部采取了加密布置冷却水管方案，因此应 更加严格检测混凝土及冷却水的温度，确保冷却 水与混凝土内部温度之差不超过25益，从而防止 冷却水管附近混凝土形成冷击裂缝，影响混凝土 结构强度。

4) 确定合理的拆模时间。当监测到混凝土表 面温度与环境温度之差大于15益时，应推迟拆模 时间，防止侧墙表面形成冷击裂缝。5侧墙混凝土温度和应变原位测试

为了解采取裂缝控制技术措施后侧墙混凝土 收缩应变随时间发展变化规律，在OW1-1北侧墙 内埋设了4层混凝土应变计，每层应变计距离施 工缝高度分别为0.1 m、1.2 m、5.0 m和9.0 m， 每层布置6个应变传感器'5.1 温度测试结果

侧墙冷却水管加密区混凝土内部最高温度为 50益，温峰出现在混凝土浇筑完成后12 h，最大 内表温差13益；侧墙冷却水管未加密区内部最高 温度为67益，温峰出现时间为浇筑完成后31 h，

最大内表温差16益，侧墙内部温度变化曲线如图 6所示。图6

侧墙内部温度变化曲线

Fig. 6 Internal temperature variation curve of side wall

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5.2应变测试结果

OW1-1北侧墙典型位置应变随时间发展变化 规律如图7所示。由图7可以看出，最底层应变 计（距施工缝垂直距离0.1m)的收缩应变最大值 在（75〜100)滋着左右；冷管加密区域混凝土应变 计（距施工缝垂直距离1.2 m)值在（100〜175)滋着 左右；冷管未加密区域混凝土应变计（距施工缝 垂直距离5.0 m)值在（200〜250)滋着左右。

---•冷管未加密区应变

5—冷管加密区应变 20

5

…•…最底层应变

一25

5一0 75-001.25..1.50..1.75..1..00.2..25.2250275

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

时间/h

图7侧墙应变随时间发展变化规律 Fig. 7 Development of side wall strain with time

5.3测试结论

由以上测试结果，可以得到如下结论：1) 加密布置冷却水管能够起到显著降低混凝 土内部温度作用。

2) 施工期的大体积混凝土收缩以降温收缩为

主，降低混凝土的内部温度可以显著减小混凝土

收缩。

6结语

本工程侧墙混凝土控裂难度很大，经过一系 列的分析、研究，创造性地提出仅在施工缝附近 加密布置冷却水管，冷管最小间距仅为0.3 m，大 幅度降低了侧墙混凝土内部相应区域温度，从而

最大限度减小了混凝土降温收缩，这是侧墙裂缝 能够得到控制的关键技术，然后再辅以其他裂缝 控制技术措施，最终侧墙未出现需要修复的裂缝， 达到了预期目的，为港珠澳大桥西人工岛敞开段 墙体施工提供了有力的技术支持。参考文献：

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王新刚.港珠澳大桥主体岛隧工程西岛敞开段〇w1中外墙大 体积混凝土温度应力仿真分析及防裂技术措施[R].天津：中交 天津港湾工程研究院有限公司,2015.

WANG Xin-gang. The HZMB island tunnel project main island open OW1 exterior wall mass concrete temperature stress simula­tion analysis and anti-crack technology measures[R]. Tianjin:

CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co., Ltd., 2015.

[2] JTS 202-1—2010,水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术

规程[S].

JTS 202-1—2010, Technical specification for thermal cracking control of mass concrete of port and waterway engineering[S].[3]

朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电

力出版社，1999.

ZHU Bo-fang.Temperature stress and temperature control of mass concrete[M]. Beijing: China Electric Power Press, 1999.[4]

王新刚.大体积混凝土温度应力实用计算方法及控裂工程实例

[M].北京:人民交通出版社,2017.

WANG Xin-gang. Practical calculation method for mass concrete

temperature stress and crack control engineering examples [M]. Beijing: China Communications Press, 2017.[5]

王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社1997:18.

WANG Tie -meng. Crack control of engineering structure [M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 1997: 18.[6]

王新刚.港珠澳大桥主体岛隧工程西岛敞开段OW1清水混凝

土侧墙温度及应变原位测试报告[R].天津：中交天津港湾工程 研究院有限公司,2015.

WANG Xin-gang. The temperature and strain in-situ test of OW1 fresh water concrete side wall of opening part of Hongkong - Zhuhai - Bridge main island and tunnel project west island [R]. Tianjin: CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co., Ltd., 2015.

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