地鐵天府廣場站結(jié)構(gòu)的抗裂與防水效果

周 歡

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川成都610031)

成都地鐵天府廣場站為4層地下結(jié)構(gòu)，長276 m，寬168 m，總建筑面積約10×104m2。地下1、2層為天府廣場地下空間；地下3層為地鐵1號線站臺層和地鐵2號線設(shè)備層；地下4層為地鐵2號線的站臺層；地鐵1、2號線之間由聯(lián)絡(luò)線相連。整個結(jié)構(gòu)底板由1～4層逐步內(nèi)收。其中1、2號線地鐵車站交匯點(diǎn)上方負(fù)1層樓板為下沉式廣場，面積約7 000 m2。主體結(jié)構(gòu)采用多跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)主要為10 m×11 m，為交叉梁體系。結(jié)構(gòu)頂板覆土平均厚約1.96 m。

車站地下四層底板進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖1～2 m，以上各層均位于卵石土上，地下水充沛。天府廣場工程作為大體量、結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜的地下工程，為保證結(jié)構(gòu)的使用性能和耐久性，詳細(xì)分析結(jié)構(gòu)的抗裂性能及裂縫控制的技術(shù)措施十分必要，是確定是否設(shè)置變形縫的前提。

研究結(jié)構(gòu)抗裂性能，首先應(yīng)分析結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因。裂縫產(chǎn)生的主要原因有以下幾方面：(1)材料缺陷——包括干燥收縮、溫差收縮、自生收縮、減水劑的影響及混凝土后期膨脹裂縫等；(2)施工管理及維護(hù)——包括混凝土配合比、混凝土的澆注及振搗、混凝土的養(yǎng)護(hù)等；(3)設(shè)計問題——對荷載裂縫及結(jié)構(gòu)變形的控制。

1 結(jié)構(gòu)抗裂設(shè)計的理念

結(jié)構(gòu)抗裂設(shè)計的理念是：(1)不出現(xiàn)裂縫。(2)當(dāng)出現(xiàn)裂縫時，變有害裂縫為無害裂縫。

要使結(jié)構(gòu)，特別是大體積混凝土結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)裂縫代價是很大的，從混凝土特有的性能上講也是很困難的，因此首要任務(wù)是變有害裂縫為無害裂縫。針對本工程，結(jié)構(gòu)的主要變形為沉降和混凝土收縮及溫度變化引起。

本工程主體結(jié)構(gòu)底板標(biāo)高不同，1～3層均位于卵石層上，板底設(shè)抗拔樁，4層底板位于中風(fēng)化泥巖上。經(jīng)計算使用階段結(jié)構(gòu)為上浮型，是沉降的有利因素。施工階段按最不利情況計算的結(jié)構(gòu)豎向變形值分別如下：地下一層沉降量為2.69 mm、地下2層沉降量為2.71 mm、地下3層沉降量為0.4 mm、地下4層沉降量可忽略。各層的差異沉降很小，滿足使用要求，可不設(shè)沉降縫。在主體結(jié)構(gòu)與周邊通道的接口處沉降變形較大的部位，可通過設(shè)置變形縫的辦法來處理。

2 溫度影響分析

引起混凝土裂縫的另一主要原因是混凝土收縮和溫度變化引起的變形，有必要對溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行有限元分析。

2.1 溫度變化

混凝土溫度膨脹系數(shù)取1.0×10-5℃成都地區(qū)溫度多年平均值為16.2 ℃，極端高溫值為37.3 ℃，極端低溫值為-5.9 ℃。地下部分的土中溫度就是地面上的年平均氣溫16.2 ℃，使用階段夏季室內(nèi)溫度取空調(diào)設(shè)計溫度26 ℃，冬季室內(nèi)溫度取空調(diào)設(shè)計溫度18 ℃；下沉式廣場部分冬季室外溫度取極端低溫值為-5.9 ℃，夏季室外溫度取極端高溫值為37.3 ℃，地面陽光直射溫度為70 ℃。

地面廣場夏季計算最高溫度取值，應(yīng)由地表溫度70 ℃減去地面保溫層溫度損失，為結(jié)構(gòu)板面的溫度。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，地面廣場采用保溫隔熱措施可以將表面計算溫度控制在37.3 ℃；地面廣場冬季取值原理同上，取為0 ℃。因此廣場夏季溫差計算為37.3 ℃ -26 ℃ =11.3 ℃，冬季溫差0 ℃ -18 ℃ =-18 ℃。通?；炷两Y(jié)構(gòu)的總溫差計算值通常應(yīng)為20 ℃～25 ℃，上述取值滿足此范圍。

施工階段取成都地區(qū)多年平均值為16.2 ℃。由于施工時段不確定，若結(jié)構(gòu)的溫差超出上述范圍時，施工中應(yīng)采取臨時措施解決。

下沉式廣場部分:夏季溫差取11.3 ℃,冬季溫差取-18℃。

地下部分:夏季溫度取26 ℃,冬季溫度取18℃。

2.2 計算分析

有限元分析計算結(jié)果見表1(不設(shè)變形縫)。

表1 有限元分析結(jié)果

從表1可看出，冬季溫差變化情況下為控制工況。此時最不利位置柱頂彎距為800～1 750 kN·m，圓弧邊緣拉應(yīng)力超過C40混凝土抗拉強(qiáng)度。工程上可以通過施加一定的預(yù)應(yīng)力來抵消梁的部分甚至全部拉應(yīng)力、并能平衡一部分柱彎距，但結(jié)構(gòu)設(shè)計施工復(fù)雜。

天府廣場車站在計算的最不利部位——下沉廣場上，結(jié)合建筑造型及功能布局，采用了半徑18 m處設(shè)置10 m寬度圓環(huán)開孔，起到變形縫作用，相同部位的不利工況計算結(jié)果如表2?？梢钥闯稣{(diào)整結(jié)構(gòu)布置后，可以有效地降低了結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力(圖1、圖2)。

表2 下沉廣場設(shè)變形縫(利用10 m環(huán)狀開孔)有限元分析計算結(jié)果

圖1 原整體模型

圖2 結(jié)合建筑造型設(shè)置10 m環(huán)狀變形縫

3 混凝土收縮影響

干縮是導(dǎo)致混凝土裂縫的另一重要因素，收縮系數(shù)一般

取為5.5×10-4，施工時采取如下措施減少混凝土干縮影響。

(1)主體結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)全脫離，設(shè)置全包防水層，減少了圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的約束，從而避免混凝土受側(cè)向的約束導(dǎo)致局部出現(xiàn)大的開裂。

(2)采用跳槽施工及設(shè)置后澆帶，消化吸收一定量的混凝土收縮量。采用設(shè)置后澆帶和跳槽施工可以解決收縮的70%，即為3.85×10-4，干縮量還剩1.65×10-4。

(3)在混凝土中摻入20%的優(yōu)質(zhì)粉煤灰。由研究可知，摻用粉煤灰后可產(chǎn)生0.4×10-4～1.0×10-4的膨脹變形，膨脹變形可取0.7×10-4。

(4)降低水膠灰比：將水膠比控制在0.5以下，還可減少一定的干縮，按剩余量的50%計，即為0.85×10-4。

(5)通過上述4項措施，實(shí)際的混凝土干縮系數(shù)已控制到一定范圍：0.8×10-4。

此外在施工過程中對混凝土塌落度、入模溫度、養(yǎng)護(hù)條件等均嚴(yán)格控制。地下廣場板面受溫度變化的影響較大，除采用保溫隔熱措施外，在板面還設(shè)置防裂鋼絲網(wǎng)，并在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后涂刷滲透性結(jié)晶涂料，該措施能有效地分散裂縫，將每條縫寬控制在0.05 mm以下，滿足防水抗裂作用。

因此，天府廣場站通過下沉廣場結(jié)合建筑布局設(shè)置10 m環(huán)狀變形縫，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析在理論上支持地下結(jié)構(gòu)不設(shè)變形縫的結(jié)論，同時輔以控制施工階段混凝土收縮的措施，能達(dá)到良好的防水效果。后期根據(jù)審查要求在結(jié)構(gòu)中部垂直276 m長度方向增設(shè)一條變形縫，除雙柱對內(nèi)部空間布置不利外，在使用中給結(jié)構(gòu)防水也帶來一系列問題，變形縫寬度受季節(jié)變化的影響也較明顯。

從既有的工程實(shí)例看：廣州地鐵1號線車站主體結(jié)構(gòu)一般均未設(shè)變形縫，其中廣州地鐵芳村站超過600 m長的車站僅設(shè)置一道變形縫，一號線公園前超過400 m長的車站僅靠近聯(lián)絡(luò)線處設(shè)置一道變形縫，后期建成的成都地鐵2號線沙河堡站長度達(dá)到540.101 m，未設(shè)置伸縮縫，結(jié)構(gòu)及防水效果良好。因此，在富水的砂卵石地層中，成都地鐵技術(shù)要求做出如下規(guī)定：車站和明挖區(qū)間的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的縱向設(shè)縫距離，當(dāng)采取較為有效地工程措施后，如設(shè)置后澆帶、間隔跳槽施工、用膨脹加強(qiáng)帶、采用補(bǔ)償收縮混凝土等，在有效地減少混凝土的溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力、確保避免發(fā)生有害裂縫后，可不設(shè)或少設(shè)縫。原則上地下車站主體結(jié)構(gòu)不設(shè)變形縫。

[1] 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].中國建筑工業(yè)出版社，1997