《混凝土》2014年第四期

【机构】 中交武汉港湾工程设计研究院有限公司； 长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室； 中交二航局第二工程有限公司；

【摘要】 港珠澳大桥超大断面预制沉管混凝土强度等级高、结构尺寸大,工程区域气候炎热、腐蚀环境恶劣,控裂要求高、难度大。在温度应力仿真分析的基础上开展温控设计,现场采取优选原材料、优化配合比、控制原材料温度、片冰和制冷水拌和混凝土、喷雾降温和养护、自动化温度监测等综合温控措施控制大体积混凝土温度裂缝。从监测结果来看,温度监测结果与仿真计算吻合,最高温度和内表温差均在温控标准范围内。从现场情况来看,预制沉管未出现有害温度裂缝,温控效果良好,达到了预期的温控目标。

【关键词】 超大断面； 预制沉管； 混凝土； 温度裂缝； 控制技术； 片冰拌和；

0 引言

港珠澳大桥沉管隧道是世界范围内最长、埋置最深、单孔跨度最宽、单节柔性管节最长、规模最大的海底公路沉管隧道，隧道全长约6km，采用自防水设计，设计使用年限为120年，对沉管混凝土结构防裂要求非常严格。隧道沉管采用工厂法预制，混凝土强度等级为C45，截面尺寸为37.95m×11.4m，标准管节长180m，属于超大断面预制混凝土结构，其混凝土控裂问题鲜有成熟经验可以借鉴。超大断面预制管节混凝土裂缝控制是确保港珠澳大桥预制沉管工程耐久性的关键[1-2]。

港珠澳大桥超大断面预制管节控裂具有如下难点[3-4]：

(1)混凝土设计标号高。混凝土强度等级为C45，混凝土设计标号所需胶凝材料用量多，相应的水化热总量更高，大体积混凝土控裂难度增大；

(2)结构尺寸大，单孔跨度大。管节采用双孔单廊道设计，总宽37.95m，高11.4m，单孔跨度和高度超过了世界范围内已建和在建工程预制沉管，大体积混凝土控裂难度高；

(3)混凝土方量大。标准管节分8段施工，单段长22.5m，为节段式管节中最长的分段尺寸，更由于截面尺寸大，单次浇筑方量就达到3420m3；

(4)结构壁厚。为抵御海底强大的水压力，沉管外壁设计厚度为1.5~1.7m，意味着混凝土内部的热量难以散发，混凝土内部温度高，和环境温度温差大必然会增大沉管开裂的风险；

(5)为提高结构整体性，沉管采用全断面浇筑方式，内部不埋设冷却水管。能够降低混凝土内部热量的手段有限，增加了温度裂缝控制的难度；

(6)为提高预制效率，沉管采用工厂法预制，顶推工艺使沉管受力复杂，混凝土控裂不但要考虑温度应力，还要考虑顶推过程中的畸变应力。

本工程管节混凝土在常规施工条件下，开裂风险较大，必须充分借鉴已有工程经验，创新温控防裂综合措施，才能有效地解决控裂问题。港珠澳大桥沉管预制采用工厂化生产工艺，节段均在厂房内预制完成，沉管节段的裂缝控制将依托于工厂化生产条件展开。

1 温控设计

1.1 温控总体思路

根据预制沉管的环境条件、结构特点及混凝土性能，确定仿真计算参数；建立有限元模型，确定边界条件，设计不同工况进行比较，分析温度应力变化规律；按照抗裂安全系数（混凝土劈裂抗拉强度与计算温度应力之比）大于1.4的原则，确定不出现温度裂缝的安全工况；结合类似工程温控措施的调研结果，确定本工程适用的温控标准；根据温控标准和现场施工条件，研究选择技术可靠、经济合理的温控措施。温控设计思路可以用下图表示。

1.2 温度应力仿真分析

依据已知边界条件，基于工厂法沉管预制工艺，建立实体混凝土管段有限元剖分模型。绝热温升、弹性模量、徐变取值为试验实测值，强度增长系数和收缩取值根据室内试验实测值进行拟合后得到；其他计算参数参考近十年我国跨海桥梁海工混凝土性能参数，按经验取值或估算。基于有限元分析软件开展超大断面预制沉管温度应力发展规律和不同工况温度应力分析[5-6]。

1.2.1温度应力发展规律

根据仿真计算温度场和应力场分析可知温度场发展规律为：1）温度发展规律是先升后降，顶底板中部和底板侧墙交界处中心温度最高；2）中心约1.5d达到温度峰值；3）随着内部温度升高，内表温差增大，中心部位温峰出现时，内表温差达到最大，之后逐渐降低。

应力场发展规律：1）早期应力集中于表面，主要由内表温差引起，早期需要注意内表温差的控制，并降低内部最高温度；2）后期应力集中于中心，由混凝土降温和干缩引起，随着龄期增长逐渐增大，后期需要注意养护减少干缩；3）沉管应力集中部位包括顶板中部、行车廊道顶部、侧墙拐角处、侧墙底板交界处；4）抗裂安全系数在早期和后期均有低于1.4的风险，防裂措施除了早期的温度控制，更需要持续的养护，充分利用徐变作用缓慢释放内应力。因此，降低内表温差和最高温度、加强养护是裂缝控制的关键措施。

1.2.2不同工况温度应力分析

混凝土在不同计算工况条件下得到的温度应力仿真计算结果见下表。

注：通过对珠海地区月平均气温的分析，并结合沉管预制的实际工况，将沉管预制的全年施工期分为高温季节（月平均气温≥25℃，6~10月）、常温季节（月平均气温18～25℃，3~5、11月）和低温季节（月平均气温≤18℃，1、2、12月）。

一般养护条件下，高温季节28℃浇筑，最高温度69.7℃，抗裂安全系数1.29；而在常温和低温季节，由于环境温度降低，内表温差和基础温差增大，需要更低的浇筑温度，因此常温季节23℃浇筑、低温20℃浇筑时，抗裂安全系数分别为1.32和1.27。通过增加喷雾养护系统，保证养护温湿度和养护时间，降低混凝土内表温差和收缩，高温季节28℃浇筑、常温季节23℃浇筑、低温20℃浇筑，抗裂安全系数分别提高到1.41、1.46和1.44，满足抗裂安全系数大于1.4的要求。极端炎热条件下，浇筑温度28℃不能满足时，可适当提高养护温度和延长养护时间，并通过仿真分析验算安全系数。

1.3 温控标准

通过仿真分析计算得出给定条件下的超大断面预制沉管混凝土裂缝控制关键控制指标：

（1）原材料温控标准

根据现场条件，对水泥、粉煤灰、矿粉、骨料等原材料温度提出了一定的要求。允许原材料温度出现一定程度的波动，但是最终浇筑温度必须满足温控设计要求。

（2）混凝土温控标准

a)混凝土浇筑温度控制：高温季节（月平均温度≥25℃）浇筑温度≤26℃，常温季节（月平均温度18~25℃）浇筑温度≤23℃，低温季节（月平均温度≤18℃）浇筑温度≤20℃；

b)最高温度控制：高温季节沉管内部最高温度≤70℃，常温和低温季节沉管内部最高温度≤65℃；

c)混凝土温差控制：混凝土最大内表温差≤25℃，混凝土表面与环境温差≤15℃，养护水与混凝土表面温差≤15℃；

d)降温速率控制：拆模后≤3℃/d。

（3）养护标准

混凝土养护包括湿度和温度两个方面。根据季节不同采取保温和散热的综合措施，保证混凝土内表温差及气温与混凝土表面的温差在控制范围内。

a)浇筑完后所有裸露面覆盖土工布保温，并保持湿润；

b)拆模后进入养护棚喷雾养护，养护区相对湿度控制在85%以上；

c)预制沉管拆模后湿养护时间不少于14d。

2 混凝土配制

在前期原材料调研的基础上，按照本工程提出的原材料技术指标要求，最终优选的混凝土用原材料如下：

依据预制沉管混凝土的配制要求，混凝土的配制遵循“抗渗性、抗裂性、工作性并重，混凝土各项性能均衡发展”的原则。采用混掺大掺量粉煤灰与矿粉的低水化热、低开裂敏感性胶凝材料体系，配制低热、低收缩的海工高性能混凝土，并通过综合性能对比，结合混凝土温度应力测试试验、现场小尺寸模型试验以及足尺模型试验，优选出满足力学性能、耐久性要求，并具有良好抗裂性能以及外观的沉管施工用混凝土[7]。预制沉管混凝土用配合比参数和性能见下表。

3 温控措施和现场监测

3.1原材料温度控制

根据预制沉管的温控标准，研究提出水泥、粉煤灰、矿粉、骨料等原材料的温度控制推荐指标和措施。

(1)粉料温度控制

a)严格按照合同要求控制粉料的出厂温度，进场粉料试验室进行检测符合要求后才能上料；

b)设置中间储存转运仓，延长粉料降温时间，符合浇筑混凝土控制温度后才能倒运至搅拌站。必须严格控制粉料转运程序，禁止粉料直接入搅拌站。

c)搅拌站罐体及中间仓刷白处理，并在罐体周围设喷水系统，安装可调角度喷嘴喷淋，避免阳光直照罐体温升。

(2)骨料温度控制

a)设置砂石料料棚，防止阳光直嗮；

b)在料棚顶设喷水雾系统，降低料棚内环境温度；沿料场顶棚牵拉钢丝绳，安装喷雾供水设备，进行双向高压喷嘴进行喷雾。该系统根据厂房自然结构划分为四个喷雾区域（四个料场），不同区域间通过闸阀进行独立控制，用一台高压喷雾设备总体控制。

c)在砂石料上料斜皮带廊道和称量仓底部通冷风，控制砂石料在上料过程中的温升。

d)加强储料管理。

料棚内堆存2个以上管段混凝土砂石料，并保证堆存时间3天以上，以充分进行热交换，禁止刚倒运砂石料或直接采用外场暴晒的砂石料浇筑混凝土。

3.2浇筑温度控制

降低混凝土的浇筑温度对控制混凝土裂缝非常重要。相同混凝土，浇筑温度高的温升值要比浇筑温度低的大许多。浇筑温度控制以原材料温度控制为重点，以片冰和制冷水拌和混凝土为保证[8]。

加冰量依据环境温度和浇筑温度要求变化，1kg片冰融化为水，大约需要吸收335kJ热量，考虑到搅拌过程中的冷量损失，根据工程经验，每加入10kg的冰至少可使新拌混凝土降低1.2℃。估算高温季节加冰量30~60kg/m3，常温季节加冰量10~40kg/m3，低温季节加冰量0~25kgkg/m3，每月根据月平均温度预估加冰量，用以指定生产供应计划。

制冷水水温控制在5℃，浇筑前提前制取存于地下保温水池；片冰温度控制在-5℃，提前1d制冰储存与冰库，冰库温度保持-8℃，防止片冰局部融化结团。片冰厚度2mm左右，搅拌时能快速融化，片冰与骨料混合搅拌，提高冷却效率。

现场高温季节实测，使用60kg/m3片冰，出机温度低于22℃，浇筑温度低于26℃。浇筑必须保证用冰量和设备完好，这是控制混凝土浇筑温度的关键风险。

3.3防止运输过程混凝土温度上升

（1）运输罐车

在罐体外加吸水帆布，并在过程中淋水，以降低罐体阳光照射下的温升。

（2）混凝土输送拖泵

混凝土输送拖泵集中布置，在顶部设置遮雨遮阳棚，向遮阳棚顶面洒水降温。

（3）混凝土输送泵管

室外泵管定位固定，采用定型加工吸水海绵包裹，防止阳光暴晒；施工过程中向泵管包裹材料淋水，降低混凝土输送摩擦温升。

3.4混凝土养护

沉管混凝土脱模前采用土工布覆盖24小时洒水养护，脱模后采用养护棚+喷雾系统恒湿养护，实测湿度达到90%以上。

1)养护棚覆盖三个管段，厂外设计为固定式，厂内设计可伸缩式移动养护棚，可收拢于固定养护棚内；

2)活动养护棚由钢筋笼吊架牵引移动，并依靠上下两套活动轮支撑在固定棚顶部的可伸缩活动吊轨及沉管顶面上，实现移动养护；

3)养护棚内布设二流体喷雾系统控制温度、湿度，不同区域间设计独立控制开关；

3.5混凝土温度监测

预制沉管采用工厂法预制，自动化程度高，生产连续不断，对温控监测和控制时效性和精确性要求高，采用全面覆盖预制各环节、全过程的可视化监测预警系统对预制沉管实施现场监控。结合现场施工的具体情况，在科学分析的基础上，确定现场裂缝控制参数。现场裂缝控制参数包括温度、湿度两大类：

(1)温度控制参数：包括混凝土各种原材料温度、搅拌站混凝土出机温度、混凝土浇筑温度、沉管混凝土内部最高温度、厂区环境温度、养护温度等；

(2)湿度控制参数：主要指预制区和养护区湿度。

结合控裂关键参数控制要求，现场监测关键控制点包括以下几个方面：

1）对原材料温度检查和控制，不合格则计算是否可以通过增加加冰量解决，不能解决则不允许浇筑；

2）对混凝土浇筑温度的控制，监测各原材料温度和混凝土温度，一旦发现浇筑温度控制异常，及时反馈信息，作为加冰量调整的依据；加冰不能解决则需要密切关注最高温度和成品是否开裂并注意加强养护，同时总结经验，寻求下一次浇筑前的改进措施；

3）最高温度检查和控制，发现不合格则需分析原因，寻求下一次浇筑前的改进措施，考虑浇筑温度是否要继续降低；

4）对预制区温度和湿度控制，预制区温湿度反馈信息作为预制区温湿度控制设备的控制参数来源；

5）对养护区温度和湿度控制，监测养护区温湿度，发现不满足要求，即调整养护区喷雾装置水温、喷水量和喷水区域和时间等；

表6 首两个管节温度情况汇总表

从表中可以看出：通过现场采取的温控措施，混凝土浇筑温度、内部最高温度均低于温控标准，预制沉管管节没有出现裂缝。这说明了港珠澳大桥工程制定的温控标准是合适的，现场采取的温控措施是有效的。

4 结论

港珠澳大桥超大断面预制沉管混凝土标号高、结构尺寸大，工程区域气候炎热、腐蚀环境恶劣，控裂要求高、难度大。现场采取一系列贯穿施工流程的温控措施，现场情况来看，未出现有害温度裂缝，达到了预期的温控目标。总结超大断面预制构件控裂成功的经验如下：

(1)优选原材料、优化配合比是混凝土温控的基础，通过双掺海工混凝土技术，降低水泥用量，降低收缩和水化热，从源头上削减了混凝土开裂的风险；

(2)浇筑温度控制是现场温控的关键措施。采用砂石料降温、制冷水和片冰拌合混凝土能够有效降低混凝土出机温度，通过运输过程的温升控制，在珠海地区炎热环境下，控制浇筑温度低于26℃是可以实现的；

(3)厂房内喷雾养护提供了稳定的温度环境和高湿度环境，有效控制了混凝土内表温差，对防止混凝土表面裂缝的发生和开展起到了重要作用；

(4)现场自动化的监测预警系统为温控措施实施提供了有力的技术支持，通过监控预警系统，随时发现不符合温控标准和要求的异常参数，提醒现场人员及时采取措施，保证了现场温控的延续性和有效性。

参考文献

[1]孟凡超,刘晓东,徐国平. 港珠澳大桥主体工程总体设计［C］∥第十九届全国桥梁学术会议论文集(上册).2010.

[2]刘晓东.港珠澳大桥总体设计与技术挑战[C]∥第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集.北京:海洋出版社,2011.

[3]陈绍章.沉管隧道设计与施工[M].北京:科学出版社，2002.

[4]李英,陈越.港珠澳大桥岛隧工程的意义及技术难点[J].工程力学,2011,28( S2) : 67~77.

[5]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.

[6]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[7]覃维祖.混凝土的收缩、开裂及其评价与防治[J].混凝土.2001，7:3~7.

[8]翁定伯.大体积混凝土预冷技术[M].北京:中国电力出版社,2012.