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摘 要 介绍上海外环隧道大型管段制作的要求，并对混凝土温差、水化热温升、分节长度等进行了计算分析，确定的管段制作方案，经施工实践证明是成功的。
关键词 上海外环隧道管段制作计算分析方案确定
1 前言
上海外环隧道是本市首次采用沉管法工艺施工的城市公路隧道，位于外环线北环，距吴淞口约2km的吴淞公园附近，全长2 882m。该沉管隧道规模巨大，隧道沉管段长736m，分为7节管段(E1~E7)，即4节108m，2节100m，1节104m。管段断面是"三孔二管廊"的矩形箱式结构，断面尺寸为43.0m×9.55m，底板厚1.5m，外侧墙厚1.0m，中隔墙厚0.55m，顶板厚1.45m。管段断面规模仅次于荷兰鹿特丹德雷赫斯特隧道和比利时安特卫普E3斯凯尔特隧道，位居亚洲第一、世界第三。管段形状及尺寸如图1所示。
图1管段标准横断面图
2 管段制作方案确定
2.1 有关制作方案的要求
沉管隧道的管段除了要满足结构强度的要求外，还要满足管段起浮、浮运、沉放时的要求。因此，对管段制作的尺寸精度、预埋件安装精度、混凝土的重度和结构的防水要求相当高，以满足管段在强度、防渗、抗裂、干舷高度等方面的要求。
管段混凝土设计强度等级为C35，抗渗等级为S10。由于管段混凝土是以自防水为主，抗渗要求高，因此在制作时不允许出现贯穿裂缝。
2.2 调查研究及计算分析
2.2.1 借鉴国内外的经验
目前世界上已建和在建的沉管隧道多达百余条，在混凝土管段预制中因混凝土较厚均易产生温度裂缝。由于外环隧道管段混凝土量大，每管段混凝土达15400~16700m3，因此，我们把管段混凝土视为大体积混凝土的施工。大体积混凝土施工质量控制的重点就是防止裂缝的产生。由于混凝土裂缝产生的原因比较复杂，根据国内外的工程实践表明，一般认为主要有温差(包括收缩)、材料的弹性模量、线膨胀系数、混凝土的极限拉伸、混凝土板厚度(或墙的高度)、结构连续长度、混凝土本身的徐变、约束及地基的变形等因素，其中混凝土释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，是导致混凝土出现裂缝的主要因素。因此，在管段制作时要控制混凝土内因水泥水化热引起的温升、混凝土内外温差及降温速度，防止混凝土出现有害的温度裂缝(包括混凝土收缩)，并控制裂缝的开展。
对大断面箱形结构的管段而言，一般整个断面混凝土不可能一次浇筑完成，往往先浇筑底板，后浇筑中隔墙，再浇筑侧墙和顶板，侧墙和顶板一次浇注不设施工缝。根据宁波常洪沉管隧道管段制作的施工经验，为减少管段因温度应力及纵向差异沉降而产生的裂缝，将100m长的管段分为5小段进行制作，两小段间设置长度约1.5m的后浇带，每小段的长度在17~20m之间。每小段管段的混凝土浇筑分底板、中隔墙及顶板和外侧墙三次浇筑。
2.2.2 试验方案及实施
根据外环隧道管段混凝土量大、强度高、重度要求稳定、抗渗防水要求高的特点，在吸收同类工程成功经验的同时，提出了以下试验方案，以试验的结果指导施工，确保管段制作安全和质量。
(1)干坞的边坡稳定研究外环隧道的管段是在井点分级降水、分级放坡开挖的干坞中预制，土方开挖将达100万m3左右。边坡的稳定问题，将涉及同制作的安全。
(2)坞底承载力试验据计算，管段制作阶段荷载包括管段自重及施工荷载所引起的地基附加应力约为80~150kPa，因此，在管段制作前要进行地基土的荷 载板试验，以满足管段制作所需的地基承载力，达到控制管段横向差异沉降和纵向差异沉降的目的。
(3)混凝土配合比试验为控制和减少混凝土水化热的温升，需优化混凝土配合比，配合比除满足强度、抗渗要求外，还要满足重度稳定的要求。
(4)测温试验为掌握现场混凝土温度和内外温差变化规律，验证温度控制的实际效果，须在混凝土浇筑时进行测温试验，并根据测温结果及时调整混凝土养护措施。测温须包括混凝土的浇筑温度、中心温度、表面温度、环境温度等。
2.3 计算分析
2.3.1 混凝土温差的理论分析
混凝土温差主要是水化热温差加上收缩当量温差。水化热温差产生外约束应力，是产生贯穿性裂缝的主要原因。收缩当量温差引起自约束应力，是产生表面裂缝的主要原因。
(1) 混凝土收缩当量温差Ty(t)的计算
根据国内外的统计资料得：Ty(t)=-εy(t)/a
式中：a-混凝土线膨胀系数，一般取1.0×10-5/℃；
t-混凝土的龄期；
εy(t)-各龄期混凝土的收缩变形值；
εy(t)=ε0yM1M2M3…M10(1-e-0.001t)
其中，ε0y-标准状态的极限收缩值，一般取3.24×10-4；M 1，M2，M3…M10-非标准条件的各种修正系数，它们与水泥品种、细度及骨料、水灰比、水泥浆量、养护期、空气湿度、振捣、配筋率等有关。
各龄期收缩当量温差如表1(单位：℃)
表1
经计算，底板的收缩当量温差Ty(30)=10.25℃；
中隔墙的收缩当量温差Ty(30)=10.39℃；
外侧墙的收缩当量温差Ty(30)=11.23℃。
(2) 混凝土水化热温升Tr(t)的计算
绝热最高温升Tmax=WQ0/Cγ
式中：W-每方混凝土水泥用量(kg/m3)，取296kg/m3；
Q0-水泥水化热(J/kg)，525＃普通硅酸盐水泥Q0=327kJ/kg;
C-混凝土的比热J/kg·℃，取0.96kJ/kg·℃；
γ-混凝土的重度(kN/m3)，取23.5kN/m3；
m-水泥品种与温升速度有关的系数，一般为0.3~0.5;
t-混凝土的龄期。
计算得混凝土绝热最高温升Tmax=42.9℃。
根据大体积混凝土各龄期实际温升Tr(t)与绝热温升Tmax关系的资料，其经验比值如表2。
表2
因此，各龄期水化热温升值见表3。
表3
经计算，说明水化热温升在早期(3d)较为明显Tr(3)=36.47℃。
(3)降温差的确定
降温差即混凝土中心最高温升(包括混凝土入模温度和水化热温升)冷却至环境气温的差。由于管段的中隔墙不影响隧道的防渗质量，现仅根据底板及外侧墙的应力情况进行计算。
混凝土因外约束引起的温度应力(二维)的公式：
式中：E(t)-混凝土各龄期弹性模量E(t)=E0(1-e-0.09t)，E0为成龄期弹性模量，E(15)=2.33× 104N/mm2，E(30)=2.94×104N/mm2；
α-线膨胀系数1.0×10-5；
ΔTi-各龄期的最大综合温差，
ΔTi=ΔTy(t)+ΔTx(t)，ΔTy(t)为各龄期收缩当量温差，ΔTx(t)为降温差；
H(t)-考虑徐变的松弛系数，H(15)=0.411,H(28)=0.336，H(30)=0.324；
R-混凝土外约束系数，底板R=0.25，外侧墙R=0.5；
υ-混凝土的泊松比，取1/6。
式中：Rf(t)-不同龄期混凝土的抗拉强度，Rf(t)=0.8Rf0(lgt)2/3,Rf0-龄期28天的混凝土抗拉强度，C35取Rf0=1.65N/mm2；
以t=15天计算得，当底板的最大综合温差ΔT(15)＜44.5℃，外侧墙的最大综合温差ΔT(15)＜22.0℃时，即底板的降温差ΔT(15)控制在15℃之内，外侧墙的降温差ΔT(15)控制在10℃之内，不会产生危害性贯穿裂缝。
结合大体积混凝土浇筑的经验，若混凝土的入模温度控制在28℃之内，根据计算可知混凝土中心最高温升为64.47℃。因此，要控制温度裂缝的产生，必须控制混凝土水化热温差和混凝土收缩当量温差。
2.3.2 每节管段纵向分段长度理论计算
(1)根据极限变形控制伸缩缝间距的理论，每节管段最大分段长度
式中：H-板厚或墙高；
Cx-地基水平阻力系数，混凝土与混凝土0.9~1.5N/mm2，混凝土与碎石垫层0.1N/mm2；
α-线膨胀系数1.0×10-5；
T-结构相对下部的综合温差，包括水化热温差、气温差、收缩当量温差；
E(t)-混凝土的弹性模量E(t)=E0(1-e-0.09t)，E0为成龄期的弹性模量，C35取3.15×104N/mm2；
εp-混凝土极限拉伸应变，包括弹性极限拉伸和徐变拉伸。取t=30天，计算结果如表4(单位：m)。
表4
通过计算，说明管段的分段长度以外侧墙控制为主，每节管段的分段长度为12.22~24.45m。
(2)最大裂缝宽度的验算
T-温差；
Ψ-裂缝宽度衰减系数，取0.06；
Cx-地基水平阻力系数；
H-结构厚度或高度。
取每节管段的分段长度L=18000mm，t=15天计算，当底板混凝土内外温差控制在20℃之内，外侧墙内外温差控制在15℃之内，经计算得底板的裂缝宽度δmax=0.197mm＜0.2mm；外侧墙δmax=0.134mm＜0.2mm。
因此，根据管段纵向分段长度理论计算和裂缝宽度的验算，每节管段的分段长度必须控制在18m之内，且底板混凝土内外温差控制在20℃之内，外侧墙内外温差控制在15℃之内，才能满足管段抗渗要求。
3 管段制作方案
3.1 方案确定
经与施工单位、监理单位和设计单位的有关工程技术人员共同研究，结合试验结果，确定了管段的制作方案。
(1)坞底的基础处理根据坞底承载力试验结果，对坞底进行基础处理，基础厚度为1.0m。自上而下为18mm胶合板和402mm厚有级配中粗砂卵石，180mm厚钢筋混凝土板，100mm厚粗砂倒滤层，150mm厚岩渣，150mm厚大石块。
(2)混凝土配合比经反复的试配，管段混凝土的配合比确定为：水泥(525#普通硅酸盐)：砂：石：粉煤灰：减水剂(B250型高效减水剂)：水=296：739：1021：104：17.4：185。坍落度为10~14cm。混凝土重度为23.40~23.51kN/m3。
(3)裂缝控制值结合国内外设计规范及有关试验资料，确定了表面裂缝的控制：若混凝土有表面裂缝，其裂缝宽度应控制在δ≤0.2mm，深度h＜25mm，其中由水化热产生的干缩裂缝δ≤0.1mm。
(4)每节管段的分段施工根据理论计算结合管段施工具体情况及每次混凝土浇筑的供应量，每节管段分为6小段，中间4段长16.2m，两端每小段长13.3~17.85m，两小段之间设置1.5m的后浇带。管段制作时，先中间后两端，后浇带的施工则必须在相邻小段混凝土浇筑时间不小于21d，且沉降基本稳定即连续7d沉降小于2mm/d后进行。
(5)混凝土的分次分层浇筑每小段管段的混凝土浇筑分底板、中隔墙及顶板和外侧墙三次浇筑。在混凝土浇筑时，为控制温度上升，使温度分布均匀，采用分层浇筑控制浇筑高度，即每层浇筑高度不超过50cm。
(6)温差的控制底板和顶板混凝土内外温差控制在20℃之内，外侧墙内外温差控制在15℃之内。
3.2 混凝土原材料质量要求
在管段制作时，施工单位和监理单位必须控制混凝土原材料的质量。根据混凝土配合比，对原材料的要求是：
(1)粗骨料必须采用自然连续级配，粒级5~25mm，泥块含量＜0.5%(水洗)，针片状含量＜1%和含泥量＜1%。这不仅可提高混凝土可泵性，还可减少砂率、水泥用量，达到减少混凝土自身收缩的目的。
(2)细骨料采用级配合理的中粗砂，细度模数Mx为2.5~2.8，含泥量＜1.5%，泥块含量＜0.5%。这可减少用水量从而降低混凝土的干缩。控制粗细骨料的含泥量，可减少混凝土的收缩，增加混凝土的抗拉强度。
(3)水泥选用水化热较低的525＃普通硅酸盐水泥，以控制因水化热引起的温升较高、降温幅度大而产生的温度裂缝。
(4)减水剂特密斯B250型高效减水剂，减水率15%~17%，补偿混凝土收缩率(1.0~1.5)×10-4。这可减少用水量，在水灰比不变的情况下，可减少单位水泥用量，延缓混凝土的降温速率，降低混凝土的收缩。
(5)粉煤灰磨细度为二级，可改善混凝土的和易性和可泵性，降低水化热。
3.3 混凝土的冷却工艺
管段混凝土先浇筑底板，而外侧墙和顶板的浇筑在底板混凝土浇筑一个月后进行，此时底板混凝土的温度与大气温度相当。同时根据理论计算，底板和顶板的温度应力小于同龄期混凝土的抗拉强度，而底板与外侧墙接触处因温差过大易产生裂缝。因此，外侧墙混凝土浇筑时内部必须采用冷却管进行冷却。冷却管材料采用外径φ30、内径φ27的黑铁管，每排9根共2排。
在施工时施工单位和监理人员必须严格控制冷却循环水的温度和流量。冷却系统必须在外侧墙混凝土浇筑并达到第一根冷却管时开启，当指定的测温点达到最高峰值回落4℃~8℃后，停止冷却，冷却时间一般不超过50h。冷却水的流量必须随混凝土水化热释放速率的变化进行调整，在混凝土浇筑开始15h内冷却水流量为0.5m3/h，最大不超过1.0m3/h；浇筑15h至30h内流量为0.6m3/h，30h后流量为0.4m3/h。
3.4 混凝土裂缝控制的技术措施
管段制作时，应把由温度应力引起不均匀变形产生的裂缝和混凝土养护不当产生的干缩裂缝，作为管段混凝土质量控制的重点。
3.4.1控制混凝土出机温度和浇筑温度
对混凝土出机温度影响最大的是石子及水的温度，砂的温度次之，水泥的温度影响最小，因此降低出机温度最有效的办法是采取措施降低石子的温度。由于管段混凝土制作要经历冬季、春季和夏季，在夏季对石料就要洒冷水降温。混凝土浇筑温度是指混凝土从出料，经搅拌车运输、卸料、泵送、浇筑振捣、平仓等工序后的温度。为降低混凝土最高温升，减少混凝土内外温差，混凝土浇筑温度控制在28℃之内。
3.4.2混凝土的养护
混凝土的养护采用保湿与保温兼顾的方法，即在底板和顶板混凝土初凝后覆盖土工布浇水湿润，终凝后(一般为12h)采用蓄水养护，蓄水深度根据测温所得的混凝土内外温差数据及时调整，一般为5~10cm。 在冬季，为减少混凝土表面热扩散，延缓散热时间，减少内外温差，控制降温速率，采用覆盖土工布保温。尤其在混凝土升温和早期降温中特别要加强保温。 外侧墙的内外侧模拆除后，为防止混凝土表面失水开裂，对外墙采用喷淋养护，使墙面保持湿润。在内模拆除后，为防止孔内空气流动带来的水分散失，孔口采用土工布挂帘法封盖。
3.4.3 养护的时间
根据混凝土绝热温升的计算，确定混凝土中心最高温度从而确定混凝土的养护时间，一般不小于14d。
3.4.4 混凝土表面的处理
在底板和顶板混凝土浇筑至标高后，必须将水泥浆和泌水排除，消泌水对混凝土间粘结力的影响，并在初凝前打平抹压，初凝后终凝前再抹压一遍，采用二次抹压收水，使混凝土表面更加密实，闭合收水裂缝，避免收缩裂缝的产生。
4 小结
上海外环隧道的管段制作从2000年11月21日浇筑E7管段第一块底板至2001年7月18日浇筑最后一次顶板混凝土，历时近9个月，共浇筑混凝土约115 613m3，每月平均浇筑混凝土12 846m3。根据E7管段的测温试验结果可知：
(1)底板浇筑时平均浇筑温度为28.6℃，平均气温22.5℃，浇筑8h后水泥水化热开始上升，前14h上升幅度较大，随后温度变化趋于平缓，从44h起温度开始下降。46h时混凝土中心最高温度64.9℃，最高温升35.3℃。这一数值与理论计算相近，理论计算3d混凝土中心最高温度65.09℃，温升36.47℃。
(2)外侧墙与顶板浇筑时平均浇筑温度22.0℃，平均气温11.5℃，顶板混凝土46h时中心最高温度59.2℃，最高温升34.9℃。外侧墙因冷却管的作用，下部混凝土各处温升在15℃之内，内外温差在5℃之内。此时冷却水流量为0.6m3/h，冷却时间48h，进出水温差在15℃之内。在外侧墙与底板交接处的温差在15℃之内，这说明冷却方案有效地控制了温升与内外温差。
经现场检查，仅在部分管段外侧墙表面有若干条呈水平向的裂缝，裂缝长度为0.2~4.5m，裂缝深度为2.5~8mm，裂缝宽度为0.1~0.2mm，其中有一部分裂缝已在日后完全自愈。经有关专家的鉴定，均属浅表的表面无害收缩裂缝。这说明在大型管段制作时所确定的方案是正确的，工程施工实践是成功的，并在施工单位、监理单位和设计单位的共同努力下，确保了管段制作质量，为外环隧道的管段沉放奠定了基础。 |
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