带消浪孔沉箱上部胸墙裂缝控制

王正喜，梁 鹏，朱念强，张志勇，刘智盈

（1.山东港口青岛港建设管理中心有限公司，山东青岛 266500；2.山东港湾建设集团有限公司，山东青岛 266500）

引言

青岛港董家口港区华能码头二期工程的建设完成，使两侧泊位顺岸相连，形成了完整的规划岸线，新增码头年通过能力569 万t。同时，本工程直冲防波堤口门，码头岸线的形成对后方建筑、场地起到了极大的保护作用，将不再受风浪侵袭，保障了港区生产、作业安全进行。

本工程沉箱外墙上部设有多个消浪孔，其优势在于可降低波浪的反射力，从而实现工程结构的稳定性。由于开孔沉箱有着独特的消浪单元，使得波浪产生的力发生非同相位叠加，从而抵消很大一部分受力，减少对结构的作用，但开孔沉箱上部胸墙往往因受到波浪影响产生裂缝。本文结合工程实例，针对带消浪孔沉箱胸墙的裂缝特殊成因与控制措施进行针对性分析。

1 工程概况与特点

1.1 工程概况

本工程位于青岛港董家口港区，建设2 个5 万t级通用泊位（西侧298 m 码头结构按靠泊12 万t级船舶设计，东侧218 m 码头结构按靠泊10 万t级船舶设计）及相应配套设施。码头总泊位长度516 m，分为新建标准段、取水口段、新建过渡段及改造段。主体采用钢筋混凝土沉箱结构，沉箱上部为23 段胸墙、10 段轨道梁及相关施工。沉箱后抛填10～100 kg 块石棱体，其后铺设二片石和混合倒滤层。护舷采用1700H 一鼓一板鼓型橡胶护舷，系船设施采用1 500 kN 系船柱。

1.2 工程特点

由于本码头正对防波堤口门，受到风浪影响频率较高，波向主要分布在ESE～SSE 向，频率约59.52 %左右；其中SE 向为常浪向，频率为29.34 %。实测最大波高出现在ENE 向，波高为2.5 m，对应平均波周期5.2 s，对应风向NW 向，风速3.2 m/s。对本工程施工影响较大。故在设计沉箱结构时，设计院采取了带消浪孔沉箱，以减少波浪对沉箱的冲击力。

2 裂缝成因分析

2.1 裂缝常见成因

1）混凝土内外温度差导致结构产生自生应力裂缝

胸墙浇筑时，大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发(混凝土内部温度升达70 ℃左右)，导致内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，造成内部与外部温差较大，热胀冷缩的程度不同，使混凝土表面产生一定的拉应力，混凝士表面就会产生裂缝。在混凝土的施工中当气温温差较大或混凝土受到寒潮袭击时，表面温度急剧下降，产生收缩，表面产生拉应力，结构表面产生裂缝。

2）分层浇筑混凝土间产生的约束应力裂缝

分层浇筑胸墙混凝土时，特别是两层混凝土浇筑间隔时间较长，下层混凝土完成大部分收缩，其作为一个刚体对上层混凝土产生约束，不能自由变形，就会使结构出现裂缝。分层浇筑的胸墙施工缝处理不规范，上下层间联系薄弱时，容易因上层混凝土收缩变形产生裂缝。

3）混凝土收缩裂缝

混凝土在硬化过程中将产生一定的收缩，当水灰比较大、用水量较多时，混凝土自身的收缩增大。收缩裂缝多发生在大体积混凝土中，常发生在结构变截面处，裂缝多为规则的条状，很少交叉。

4）应力集中裂缝

胸墙上设有系船块体和各种工艺管沟，这些块体和管沟四角处容易产生应力集中，导致在块体周围和管沟四角处出现斜向裂缝。

5）混凝土沉缩裂缝

混凝土硬化初期尚处于一定的塑性状态，混凝土骨料在自身重力作用下将会发生下沉，振捣不密实的混凝土在硬化的初期也产生一定沉缩，当这种沉降受到模板或钢筋的约束时，将导致混凝土产生塑性变形裂缝。

6）混凝土表面干缩裂缝

施工过程中或混凝土后期养护不当，表层的水分容易散失，过早干燥，将造成混凝土表面出现干缩裂缝。混凝土表面的干缩裂缝不仅与施工条件、养护情况等有关，而且也与混凝土的技术条件有很大关系。未掺加减水剂、水灰比大、单位体积用水量大和泌水情况严重的混凝土，表面容易产生干缩裂缝。

7）与骨料质量有关的裂缝

砂的含泥量及粒径对混凝土干缩也有较大影响，随着含泥量增大，混凝土收缩增大，抗拉强度降低。石子粒径加大，混凝土配合比不变情况下，其用水量或水泥用量相应减少，混凝土收缩随之减少。掺入减水剂、缓凝剂和引气剂等外加剂以改善混凝土性能，增加混凝土抗裂能力。

8）与切缝有关的裂缝

切缝不及时，没有及时将混凝土收缩应力集中到切缝的断面上。另外，早拆模或拆模不当以及混凝土硬化前遭受扰动或承受荷载等都可能产生裂缝。

2.2 沉箱胸墙裂缝主要成因

上述8 个原因均可能产生混凝土裂缝，本工程较为特殊，如此前所述，项目受风浪影响较大，且大部分沉箱为消浪孔沉箱。波浪可随沉箱消浪孔进入沉箱内部隔仓，沉箱顶部安装预制盖板，单块重量约为24 t。施工中因涨落潮影响，盖板受波浪顶托力及空气瞬间压缩产生位移震动。尤其在受到较大风浪影响时，沉箱盖板会被波浪顶托力及沉箱腔内被海浪瞬间压缩的空气顶起。在胸墙浇筑后初期强度上升中，会经历若干高潮段，在此期间若出现海上风浪较大情况，盖板受到震动、位移将会对胸墙混凝土产生较大影响，后期极易发育成裂缝，在混凝土表面表现出来。

2.3 不同沉箱裂缝对比

通过对比同一时间施工、同一施工区不带消浪孔沉箱胸墙发现：本工程不带消浪孔沉箱几乎无表面裂缝，带消浪孔沉箱出现裂缝发育，由此可得出结论，本工程沉箱胸墙裂缝产生的主要原因为进入消浪孔的波浪顶托力及空气压缩产生对沉箱盖板的浮托力作用。

3 裂缝处理措施

3.1 裂缝的分类及处理

当裂缝宽度小于0.3 mm，且裂缝细而深时，宜采用甲基丙烯酸酯类浆液或低粘度环氧树脂浆液灌浆；裂缝宽度大于或等于0.3 mm 时，宜采用环氧树脂浆液灌注。

表1 面层裂缝分级

本工程胸墙混凝土面层大部分出现的裂缝属于0.2 mm 以下的裂缝，局部裂缝超过0.2 mm，低于0.5 mm。经项目部讨论研究，采用如下处理方案：

采用改性环氧树脂灌浆材料进行灌浆修补。若裂缝修补后未发现开裂及裂缝扩大现象，其他区域再出现裂缝按此方法处理。

表2 注浆材料性能指标

3.2 裂缝修补工艺

1）使用改性环氧化学灌浆液注浆

改性环氧化学灌浆液是一种低粘度、高强度的改性环氧树脂补强化学灌浆材料。在催化剂作用下相分离而呈海岛状态结构，具有橡胶相改性环氧树脂效果。它具有强度高、粘度低、放热少、适用期长、灌注工艺简单等特点，特别适合于灌注裂缝。本工程胸墙混凝土裂缝已通过第三方检测单位进行检测，对裂缝部位进行详细标识记录，按如下措施对裂缝进行封堵处理。处理工艺如下：

按3:1 的配胶比例将A、B 材料加入洁净干燥容器中，搅拌至色泽均匀一致即可。当每次配胶量较大时，采用搅拌机械拌和，并确保容器边缘、底部完全搅拌均匀。

每次配胶量不宜过大，以能完全搅拌均匀并在可操作时间内用完为准。随着温度升高、配胶量加大，可操作时间会相应缩短。

灌缝胶注入裂缝时，可采用无压和压力注入两种方法，当裂缝深度小于20 cm 时，采用无压注入法，当裂缝深度大于20 cm 时，采用压力注入法。

无压注入方法：将配比好的灌缝胶用注射器（医用注射器即可）沿裂缝缓缓注入，灌缝胶自然渗透到裂缝中，如有渗透不饱满的裂缝可二次注入，直至把裂缝灌满，完成后，使用比原混凝土高一标号砂浆复原混凝土表面并做打磨处理。

压力注入法：配备压力注胶器、底座、堵头及专用环氧封缝胶。用钢丝刷将裂缝刷干净，并吹去浮尘。在裂缝每30～50 cm 左右粘上底座（用封缝胶粘住即可），把配比好的封缝胶将裂缝覆盖住，沿裂缝涂刷一层肥皂水，从注胶器通入压缩空气。若肥皂水起泡，说明起泡处封闭不严，立即擦去肥皂水，并用速凝胶封堵密实。待封缝胶封闭完成后，把装有封缝胶的注胶器固定到底座上即可，注浆压力0.25 MPa，灌缝完成后，用堵头堵住底座。封缝胶实干后把底座、堵头拆除。使用比原混凝土高一标号砂浆复原混凝土表面并做打磨处理。

图1 面层裂缝修复

2）胸墙裂缝表层10 cm 凿除

施工流程：施工准备→测量放线→混凝土凿除清理→钢筋加工、制作、绑扎→模板支立→自检合格→验收合格→砼浇筑→拆模养护。

对胸墙表面存在裂缝区域使用风镐进行凿除，凿除深度为10 cm，凿除时首先采用墨盒弹出凿除边线，再用切割机开缝约6 cm 厚，然后开始用风镐进行凿除，凿除时控制好切割机和风镐进入深度，应尽量避免破坏原有钢筋网，避免混凝凿除超过设计底面线和立面的边界线。

凿除完成后，将表面残渣清理完成，上部放置纵横间距15 cm 的Ф 6.5 钢筋网片，保护层厚度不小于5 cm。

浇筑混凝土前，润湿新老混凝土结合面，铺一层比胸墙混凝土高一标号的砂浆再使用同标号细石混凝土进行浇筑。使用35 型振捣器对新浇筑混凝土进行振捣，施工过程加强对振捣工艺的控制，避免漏振或过振。

浇筑完成后，及时覆盖土工布洒水养护，避免表层水分散失造成干缩裂缝。

裂缝修补完成后，及时通过第三方检测公司使用超声波测定检验方法进场检测。超声波测定检验是一种非破坏性的内部质量检验方法，根据构件修补前后波形和波速的变化情况对修补质量做出评定。

4 裂缝控制措施

4.1 设计方面

1）优化设计

在各预埋件及预埋管件等应力集中位置增设钢筋网片或钢筋加密；在面层增设Ф6.5 mm 钢筋网片，通过钢筋握裹力减少应力集中对混凝土的破坏，减少裂缝出现几率。

2）优化混凝土配合比

鉴于水泥用量较大，在保证混凝土强度的前提下，通过优化混凝土配合比，调整外加剂的掺加数量，适当减少水泥用量并掺加粉煤灰及矿粉，降低水化热，并严格控制混凝土水灰比及出仓坍落度，要求现场坍落度满足施工机械要求及混凝土摊铺流动性即可。

3）预留通气孔

在沉箱及盖板上预留通气孔，并连通至沉箱前仓和胸墙顶部，释放空气压缩力，且根据压缩空气的消散影响适度增加通气孔的布置数量。

4）封堵消浪孔

波浪进入消浪孔内呈发散卸力状态，受力角度、大小难以模拟，且波浪进入消浪孔内的角度、大小、潮高不同，对腔内空气的压缩受力也不同，无法通过局部加强解决波浪冲击及空气压缩对上部沉箱盖板的震动影响。为减小通过消浪孔进入沉箱的波浪对沉箱盖板顶托力，采用钢模板对沉箱消浪孔外部进行封堵，保证上部胸墙混凝土在凝固、养护、满足设计强度前不受消浪孔浮托力的影响，避免混凝土裂缝发育。

5）增加盖板稳定性

将盖板伸出钢筋全部进行焊接连接，增加盖板整体稳定性，同时建模验算沉箱盖板的自重，要求按照极端波浪情况计算浮托力的影响，保证盖板重量能够安全压住波浪浮托力，避免震动对混凝土的影响及后期使用功能。

4.2 施工方面

1）胸墙分层浇筑

首先将沉箱护舷位置一次性浇筑完成，胸墙面层钢筋绑扎前再将沉箱盖板间混凝土浇筑完成，保证盖板整体性，盖板以上分两次浇筑，第一次浇筑50 cm，待强度上升后，再进行第二次50 cm 面层浇筑，并注意分层浇筑的胸墙施工缝的处理。

图2 胸墙分层浇筑示意图

2）合理确定浇筑时间

胸墙面层浇筑应选择天气良好、涌浪较小的落潮时段开始，随着落至低潮再到高潮的10 h 左右，混凝土强度逐渐增强，减少波浪对混凝土震动影响。

3）对混凝土原材料进行严格控制

对砂的含泥量及粒径、石子粒径进行控制，减少混凝土收缩。同时掺入减水剂、缓凝剂和引气剂等外加剂以改善混凝土性能，并在面层混凝土中掺加聚丙烯纤维，进一步提高混凝土抗裂能力。

4）加强混凝土浇筑过程控制

技术员现场监督控制，试验员加强混凝土坍落度及入模温度检测控制。严格按照混凝土施工规范要求进行施工，加强混凝土振捣，防止漏振，振捣时间均匀一致以表面泛浆为宜；间距要均匀，振捣范围重叠二分之一；浇筑时要求分层浇筑、分层振捣，保证混凝土上层、下层结合紧密；压面时进行多次压面。

5）分缝

混凝土浇筑完成后，及时对码头面层进行切缝处理，同时严格控制模板拆除时间与拆模工艺，严禁混凝土强度较低时受到扰动或荷载。

6）养护

加强混凝土早期养护，及时覆盖土工布进行洒水养护，保持湿润，减小水化热对混凝土裂缝的发育影响。

5 结语

通过以上措施，带消浪孔沉箱上的码头胸墙裂缝得到了很好地控制。本文结合工程实例，分析了带消浪孔沉箱上的码头胸墙裂缝发育的成因，得出了带消浪孔沉箱易导致上部胸墙产生裂缝的结论，并提供了带消浪孔沉箱码头胸墙裂缝控制的思路，对不同的裂缝类型提出相应的处理措施，从设计、施工两方面提出相应的预防措施，为有类似情况的其他工程提供了有利参考。

在工程建设行业中，混凝土浇筑是常见工艺，混凝土的裂缝控制直接影响着码头结构质量与表观质量，设计单位应积极评估消浪孔对港池内波稳情况的作用，尽量优化消浪孔沉箱的设计，减少不必要的裂缝产生。同时，施工单位应积极采用科学的施工工艺，严格控制因各种原因产生的裂缝，保证码头工程施工质量，从而真正实现建一个码头，树一座丰碑，从整体上推进港口建设事业的发展。