综合管廊混凝土裂缝控制研究

胡振环 北京东方园林环境股份有限公司

建筑结构的工程质量影响着人民的生命安全和公众利益。裂缝，作为不可避免而又可以尽量减轻的灾害，直接影响结构或构件的外观和正常使用，甚至会降低结构的耐久性和整体性[1]。故深入分析理解裂缝产生机理，进一步研究工程实用的防治措施，已成为亟待解决的重要工程问题。

综合管廊即城市地下管道综合走廊，是以集约化方式敷设各种管线，从而高效利用城市的地下空间[2]。然而综合管廊多深埋于地下，且易渗漏，作为超长混凝土结构即通常所说的大体积混凝土结构，施工过程中的温度应力显著，故裂缝控制是关键的技术难题。

本文首先讨论了综合管廊工程混凝土裂缝开展的主要原因；
指出了裂缝的种类，成因和控制措施；
同时结合工程实践，总结了综合管廊混凝土结构的裂缝控制有效措施，以及最新的大体积混凝土施工温度裂缝控制方法，对提高工程质量具有较高的现实意义。

从力学角度分析混凝土的开裂原因为：假设混凝土在初始硬化的情况下不受力，发生干燥冷却时开始收缩，而混凝土两端因受到约束不能自由改变长度，就会在混凝土内部引起拉应力，当收缩拉应力到达材料的极限拉应力时，材料就会产生裂缝。

凝结硬化收缩和温度收缩是混凝土的主要收缩形式。混凝土产生收缩的原因有二，一是混凝土级配合理，孔隙得到填充，密实度高；
二是混凝土的凝结硬化收缩，使其更加密实。温度收缩，即混凝土水化过程发出大量的水化热，混凝土温度上升，引起混凝土内部与表面的温差以及混凝土结构与外部环境的温差，温度拉应力进而产生。当温度拉应力大于材料的极限拉应力时开裂产生。

综合管廊工程一般为超长结构，其混凝土体积大，水化热高且不易释放，局部位置内部温度可高达80℃，温度收缩严重。

根据上述混凝土开裂机理，不难归纳出控制综合管廊工程的混凝土开裂的基本原则：（1）减少混凝土的总体收缩及不均匀收缩，重点是温度收缩；
（2）减少混凝土所受的约束程度。

裂缝分为受力裂缝和非受力裂缝。前者由直接荷载引起，由上部结构设计不合理，导致不均匀沉降产生的沉降裂缝，地震造成的地震裂缝均属此类。后者即变形裂缝，由材料硬化收缩、温度变化等引起。

对于工期较长的综合管廊工程，混凝土裂缝多为变形裂缝，发生在施工阶段或者在工程交付正式使用以前。本文主要讨论变形裂缝，这类裂缝与设计要求、混凝土配比、环境条件、施工方案、养护方法等直接有关。

3.1 塑性收缩裂缝分析及控制

塑性收缩裂缝又分塑性干缩和塑性沉降两种。

3.1.1 塑性干缩裂缝

塑性收缩裂缝是水泥基材料在硬化前，由于表面水分蒸发而产生的干缩裂缝。其影响因素包括风速气温和湿度。

防止塑性收缩开裂的措施可归纳为：①预冷，降低混凝土的入模温度；
②用喷雾湿润混凝土上方的空气；
③设置风障减少现场风速；
④设置遮阴棚，防止阳光直射；
⑤限制搅拌时间在最低所需程度；
⑥缩短混凝土浇筑时期总工作时间（包括配置、泵送、浇筑和养护等阶段）；
⑦浇筑前润湿模板和底板。必要时将钢筋加湿降温；
⑧浇筑后保持混凝土表面湿润，如用塑料薄膜覆盖；
⑨及时抹面和压光。

3.1.2 塑性沉降裂缝

混凝土在制备时，水泥浆体中悬浮骨料颗粒。骨料密度高，易“沉降”；
浆体密度低，水分易向上转移，发生“泌水”。当下沉的骨料遇到钢筋螺栓等预埋件，下沉减缓或停止，与附近的骨料形成沉降差，混凝土表面就出现了塑性沉降裂缝。

防止塑性沉降开裂的主要措施有：①混凝土的科学配比。保证稠度和保水性；
②增加表面钢筋的保护层厚度；
③合理振捣；
④加入引气剂；
⑤保证模板刚度及地基的稳定性。

3.2 干燥收缩裂缝分析与控制

干燥收缩是混凝土的固有特性，存在于制备和工作的各个阶段。其影响因素包括混凝土配比、水泥和骨料种类、外加剂、构件尺寸等。

控制凝结硬化混凝土收缩裂缝的主要措施有：①科学配比；
②科学养护；
③采用后浇带、伸缩缝等施工措施。

3.3 温度收缩裂缝分析与控制

温度收缩裂缝是综合管廊工程等大体积混凝土施工的重要技术问题，其水化热产生速度快，热量高，难以排出，产生的温度应力易导致混凝土开裂。

混凝土浇筑的升温和随后的降温，以及峰值温度取决于诸多因素，包括混凝土的入模温度，浇筑温度，混凝土外露表面与其体积的比值，外部环境温度等。

温度收缩裂缝的防治措施：①降低水化热及其释放速度；
②降低混凝土的浇筑温度（入模温度）；
③控制散热过程并防止混凝土表面温度的骤然变化；
④采用具备高抗拉性能和低热膨胀系数的新型混凝土材料；
⑤设置构造钢筋限制裂缝的宽度。

从美国的胡佛大坝工程，到前苏联的托克托古尔电站工程，再到我国的三峡大坝工程，其建造难度之高，花费的人力财力之多，建造时间之久，都说明了大体积混凝土施工已成为世界性难题[3-4]。近年来我国陆续出台或更新了相关规范，如北京地方标准DB11/T 1200—2015《超长大体积混凝土结构跳仓法技术规程》，对大体积混凝土施工方法和抗裂性能做出要求。

笔者参与的“北京新机场临空经济区市政交通配套工程永兴河北路（大广高速—磁大路）道路及综合管廊工程三标段”工程项目，位于北京新机场北侧。道路总长1700m，总工期历时700余天。该管廊混凝土结构是超长混凝土结构，混凝土施工为大体积混凝土施工。其实，大多数综合管廊现浇混凝土结构都具备地下、超长和大体积的通性。本章笔者结合该工程项目，重点从结构设计、材料选择和施工工艺三个方面，介绍综合管廊的大体积混凝土结构的裂缝控制方法，并给出工程上最新的大体积混凝土施工温度裂缝控制方法。

4.1 结构设计

本工程主管廊及支管廊标准断面采用整体现浇一～五跨闭合框架结构。混凝土裂缝虽产生于施工时及施工后若干时间，但其控制绝非只在施工时进行，应同时在结构设计和施工阶段重点关注。超长混凝土结构在此方面要求更为严格，如果结构存在不可控的非结构性裂缝，将对耐久性造成重大损害。

为控制裂缝，本项目从在结构设计阶段，从结构形式、配筋、构造措施方面采取措施。

（1）综合管廊混凝土工程作为超长结构，需进行温度应力校核计算，并重点考虑以下因素的影响：①下部结构的水平刚度对变形的约束作用；
②结构合拢后的温度变化；
③混凝土开裂导致的结构截面刚度降低的负面影响；
④混凝土结构的徐变对减少结构裂缝的有利影响。

（2）在设计阶段，就应对混凝土结构施工提出如下要求：①针对大体积混凝土结构岩石地基方面，设滑动层，减弱混凝土受到的约束。②针对超长结构，设置后浇带和加强带；
变形缝应满足相关规范要求，除基础外，在外壁，顶板，底板设变形缝,因综合管廊多位于地下，设计时要同时兼顾防水问题。图1为本工程的变形缝设计图，仅供参考。③针对大面积底板混凝土，采用分仓法施工。

图1 综合管廊变形缝设计图

4.2 材料要求

对于大体积混凝土工程和非大体积混凝土工程，材料选取的原则上差别不大，原理上都是为了抑制干燥收缩裂缝和塑性沉降裂缝。只是大体积混凝土工程对此有着更严格的要求。为控制裂缝，本项目主要从混凝土原材料控制和配合比设计两方面采取措施：

4.2.1 原材料要求

如上文4.2 所述，合理选用原材料，可极大程度上控制干燥收缩。①水泥。选用合适的水泥种类。保持低水泥比表面积，低水泥碱含量，低水泥温度。②粗骨料。采用多级级配，保持高粗骨料堆积密度，低紧密堆积密度的空隙率。此外，骨料不可暴晒，露天堆放，宜保持低骨料使用温度（＜28℃）。③减水剂。应根据工程实际情况，考虑季节和施工工艺因素的影响，合理选用缓凝型、防冻型或标准型高性能减水剂。使用时应注意由减水剂引起的混凝土中碱含量、氯离子含量和硫酸盐含量的增加，分别不应高于0.3kg/m3，0.02kg/m3和0.2kg/m3。④掺合料。可复合使用粉煤灰和矿渣粉矿物掺合料。⑤纤维混凝土。可根据工程需求和混凝土的形能需求，选取短切钢纤维混凝土或合成纤维混凝土等新型材料。钢纤维混凝土具备高抗拉强度和更好的抗疲劳性能。

4.2.2 配合比要求

①低水泥用量。保持低混凝土水胶比（＜0.45），低水泥用量（如C60 以下混凝土小于550kg/m3）。②多使用掺矿物。③混凝土设计龄期，验收依据宜为长龄期强度。部分构件可取60d作为龄期。

4.3 施工要求

为控制裂缝开展，本项目施工阶段采取以下措施：（1）作为超长混凝土结构，应按设计要求在施工前采取降低混凝土收缩的有效措施，本项目采用了分仓法，跳仓法和后浇带施工。①分仓法施工。综合管廊混凝土工程分仓浇筑，区段长度小于40m，浇筑间隔时间多于7d。②后浇带施工。后浇带宽度可为800mm 左右，设置间距为50m 左右。其混凝土采用更高一等级的无收缩或微膨胀混凝土。（2）从混凝土浇筑、水化热温升控制、方面控制温度裂缝，从综合养护技术方面控制塑性收缩裂缝。①施工前，采用理论分析，数值模拟或试验研究等方法校核验算浇筑时的温度应力。②通常，混凝土浇筑时，应挡风，防雨，避免阳光直射，及时覆盖，合理拆模。③采用多种方法科学养护。如掺加养护剂，外包节水养护膜等。

4.4 大体积混凝土施工最新温度裂缝控制方法

大体积混凝土施工温度裂缝控制是重点也是难点，以下总结了近年来较流行的控制方法。工程实践中，应根据实际需求，从现场条件和环保等方面综合考虑，选取控制方法。

4.4.1 保温材料覆盖法

该方法是使用保温材料（如塑料薄膜、草木编织物等）覆盖混凝土表面。该方法优点是简单直接，成本较低。缺点是只适用于尺寸较小的结构，且由于所用材料多为一次性材料，不够绿色环保。

4.4.2 预埋冷却水管法

即在混凝土内部预埋冷却水管，浇筑时通入冷水降温。该方法降温显著，但施工操作复杂，造价较高。

4.4.3 相变材料（PCM）控制法

PCM相变材料在高温时储能，降温时释放能量。利用这一特点将相变材料（如石墨、月桂酸、十八烷等）用于水化热的控制，改善温度裂纹。目前该方法处于试验和工程的初级阶段，尚不成熟。

4.4.4 循环蓄水控制法

该方法主要适用于大体积混凝土基础底板施工的温度裂缝控制。利用天然降水，在调温槽和基础底板表面的降温池之间水循环，控制养护水的湿度和温度[5]。该方法有效利用水资源，有助于构建“海绵城市”，目前已应用于北京部分工程项目。

裂缝控制经过众多学者和工程同仁的百年努力，已经取得了一定的成果。本文讨论了综合管廊结构混凝土开展裂缝的主要原因，针对不同种裂缝，给出了具体成因，影响因素和防治方法；
并结合笔者参加的综合管廊工程，从结构设计、材料选择和施工工艺三方面，归纳了综合管廊混凝土结构的裂缝控制的有效措施，总结了大集体混凝土浇筑的控制温度裂缝的最新工程技术。

在永兴河北路（大广高速—磁大路）道路及综合管廊工程三标段的施工中，笔者结合相关规范、施工组织设计和本文裂缝的分类等相关内容，实地应用，深刻总结，裂缝开展得到了有效的控制，保证了项目的工程质量。