某地鐵站主體結(jié)構(gòu)裂縫成因分析及修復(fù)技術(shù)

滿偉，李金陽，王新剛

（1.天津市交通運(yùn)輸工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，天津 300384；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)東北電力第一工程有限公司，遼寧 沈陽 110000；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；）

1 工程概況

某地鐵車站為地下兩層站，車站總長179 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段車站底板埋深約15.4 m。車站共設(shè)4 個(gè)出入口、2 組風(fēng)道和2 組地面風(fēng)亭。車站寬11 m，有效站臺(tái)長度118 m，有效站臺(tái)中心里程處頂板覆土厚度約2.5 m。本站西端為盾構(gòu)吊出，東端為盾構(gòu)始發(fā)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻。車站主體結(jié)構(gòu)為地下兩層兩跨結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)件情況見表1[1]。

表1 車站主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件情況Table 1 Main structural components of station

2 裂縫出現(xiàn)情況

車站主體結(jié)構(gòu)施工完畢后，側(cè)墻、頂板、中板等位置出現(xiàn)大量裂縫，典型位置裂縫分布如圖1 所示。經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，頂板、中板、側(cè)墻主要受力構(gòu)件現(xiàn)存龜裂區(qū)約500 m2左右，裂縫寬度大于0.2 mm 的累計(jì)長度達(dá)250 m 左右，可見裂縫累計(jì)長度約2 000 m 左右，外觀檢測結(jié)果顯示裂縫主要分為兩類：

1）龜裂裂縫：大量普遍存在于車站主體結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件表面，裂縫微小且呈細(xì)微不規(guī)則狀，裂縫深度較淺，局部集中。

2）主裂縫：存在于車站主體結(jié)構(gòu)頂板、中板、側(cè)墻?？p長大于1 m，中板及頂板主要沿南北方向，側(cè)墻主要是豎直方向，且形狀清晰；側(cè)墻裂縫主要是豎直方向，且存在頂板與側(cè)墻相連的較寬裂縫。主裂縫深度較深，多數(shù)超過200 mm，有滲水跡象，可以視為貫通裂縫。

圖1 某地鐵站主體結(jié)構(gòu)典型位置裂縫圖Fig.1 Crack map of typical location of the main structure of a metro station

3 車站主體結(jié)構(gòu)相關(guān)檢測及資料核查

3.1 混凝土強(qiáng)度檢測

1）回彈法混凝土強(qiáng)度檢測

為分析裂縫原因，依據(jù)相關(guān)規(guī)范[2]對主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻與柱子進(jìn)行了回彈法混凝土強(qiáng)度抽樣檢測，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對混凝土強(qiáng)度進(jìn)行換算推定，檢測結(jié)果見表2。

表2 回彈檢測混凝土強(qiáng)度推定值Table 2 Predicted value of concrete strength for rebound test

由現(xiàn)場回彈檢測結(jié)果可知，現(xiàn)齡期混凝土強(qiáng)度推定值基本滿足要求，檢測樣本40 個(gè)，僅1 個(gè)樣本略低于設(shè)計(jì)值C35。

2）鉆芯法混凝土強(qiáng)度檢測

依據(jù)相關(guān)規(guī)范[3]對車站主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻進(jìn)行鉆芯法檢測。選取16 處進(jìn)行鉆芯取樣，每處取2 個(gè)樣本，芯樣總數(shù)32 個(gè)，芯樣平均直徑70 mm，平均高度70 mm，檢測結(jié)果見表3。

表3 鉆芯法抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果Table 3 Compressive strength test results of core drilling method

由現(xiàn)場鉆芯法檢測結(jié)果可知，側(cè)墻抗壓強(qiáng)度代表值基本滿足要求，檢測樣本32 個(gè)，得代表值16 個(gè)，僅1 個(gè)樣本略低于設(shè)計(jì)值C35。

3.2 鋼筋間距檢測

依據(jù)相關(guān)規(guī)范[4]對車站主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻、頂板及中板進(jìn)行鋼筋間距檢測?，F(xiàn)場選取檢測樣本50個(gè)，其中側(cè)墻32 個(gè)，頂板9 個(gè)，中板9 個(gè)，對每個(gè)樣本處鋼筋的水平和豎直間距分別進(jìn)行檢測。由檢測結(jié)果可知，側(cè)墻、頂板及中板鋼筋間距平均值在150 mm 左右，基本符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 鋼筋保護(hù)層厚度檢測

依據(jù)相關(guān)規(guī)范[4]，對車站主體結(jié)構(gòu)選取46 處進(jìn)行鋼筋保護(hù)層厚度檢測，其中側(cè)墻檢測樣本28個(gè)，頂板樣本9 個(gè)，中板樣本9 個(gè)。經(jīng)檢測，側(cè)墻、頂板及中板鋼筋保護(hù)層厚度平均值基本符合設(shè)計(jì)要求。

3.4 車站結(jié)構(gòu)平整度、垂直度偏差觀測

依據(jù)相關(guān)規(guī)范[5]對車站主體側(cè)墻、頂板、中板以及柱子進(jìn)行平整度、垂直度觀測。

1）柱子垂直度偏差觀測

負(fù)一層設(shè)20 個(gè)垂直度偏差觀測點(diǎn)，負(fù)二層設(shè)22 個(gè)觀測點(diǎn)，采用經(jīng)緯儀進(jìn)行觀測，部分觀測結(jié)果見表4。

表4 車站柱子垂直度偏差觀測結(jié)果Table 4 Observation results of vertical deviation of station pillars

2）側(cè)墻變形觀測

以側(cè)墻底部為初始位置，分別在每層柱網(wǎng)軸線以及軸線中線位置布置3 個(gè)側(cè)墻變形觀測點(diǎn)，南側(cè)墻共選取258 個(gè)觀測點(diǎn)，北側(cè)墻共選取264個(gè)觀測點(diǎn)，部分觀測結(jié)果見表5。

表5 車站側(cè)墻變形觀測結(jié)果Table 5 Deformation observation results of station side wall

3）頂板底面平整度觀測

以東側(cè)端頭頂板底為零標(biāo)高點(diǎn)，分別在每層柱網(wǎng)軸線以及軸線中線位置布置3 個(gè)測點(diǎn)，在頂板底面共選取232 個(gè)測點(diǎn)。觀測結(jié)果顯示：頂板底面自東向西標(biāo)高逐漸減小，東西端頭最大標(biāo)高差比設(shè)計(jì)值大28 mm。

4）中板底面平整度觀測

以東側(cè)端頭中板底為零標(biāo)高點(diǎn)，分別在每層柱網(wǎng)軸線以及軸線中線位置布置2 個(gè)測點(diǎn)，在中板底面共選取136 個(gè)測點(diǎn)。觀測結(jié)果顯示：中板底面自東向西標(biāo)高逐漸減小，東西端頭最大標(biāo)高差比設(shè)計(jì)值大17 mm。

3.5 車站設(shè)計(jì)施工資料核查

1）原設(shè)計(jì)主要參數(shù)

車站結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級為一級，設(shè)計(jì)使用年限為100 a；地震設(shè)防烈度為8 度，抗震設(shè)防類別為乙類，地下結(jié)構(gòu)抗震等級為三級。車站結(jié)構(gòu)按甲類人防工程、結(jié)構(gòu)按常6 級、核6級人防荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。主要受力構(gòu)件采用一級防火標(biāo)準(zhǔn)；抗浮安全系數(shù)不小于1.05。車站結(jié)構(gòu)中露天及迎土面混凝土構(gòu)件的環(huán)境類別為I-B類，內(nèi)部混凝土構(gòu)件的環(huán)境類別為I-A 類，兩者均視為一般環(huán)境構(gòu)件。

設(shè)計(jì)要求車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大裂縫寬度允許值背土（水）面為0.3 mm、迎土（水）面為0.2 mm。車站結(jié)構(gòu)以混凝土自防水為主，主體結(jié)構(gòu)防水等級為一級，結(jié)構(gòu)抗?jié)B標(biāo)號(hào)不低于P8，并鋪設(shè)全包外防水。

2）施工資料調(diào)查

為分析裂縫產(chǎn)生的原因，對委托方提供的《施工日志》等資料進(jìn)行了查閱。重點(diǎn)是與裂縫形成可能相關(guān)的施工階段和施工節(jié)點(diǎn)。

4 裂縫成因分析

該車站主體結(jié)構(gòu)裂縫普遍在施工完畢后出現(xiàn)，不是運(yùn)營階段的使用荷載導(dǎo)致。結(jié)合本工程的實(shí)際情況，通過對相關(guān)試驗(yàn)檢測結(jié)果和設(shè)計(jì)施工資料分析，并結(jié)合裂縫的特征，得出產(chǎn)生裂縫的原因主要有以下幾方面：

1）混凝土振搗不充分

根據(jù)相關(guān)施工資料以及現(xiàn)場觀測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面存在大量龜裂裂縫、麻面現(xiàn)象，尤其南北側(cè)墻。雖然龜裂區(qū)域面大，但不是連續(xù)分布，而是分區(qū)域、分塊集中出現(xiàn)，由此可推斷混凝土振搗效果不理想。

2）養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足

施工資料顯示存在混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足現(xiàn)象，以東六區(qū)7-8 軸施工為例，該區(qū)域頂板于2013 年3 月24 日澆筑，負(fù)一層腳手架于2013 年4 月3日拆除，養(yǎng)護(hù)時(shí)間長度為10 d，明顯短于相關(guān)規(guī)范[6]規(guī)定的抗?jié)B混凝土、強(qiáng)度等級C60 及以上的混凝土，混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不應(yīng)少于14 d 的規(guī)定。

養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在短時(shí)間內(nèi)承擔(dān)上部覆土重量，而且施工方提供資料表明，頂板回填時(shí)，頂板以上50 cm 黏土層施工時(shí)，啟用壓路機(jī)震動(dòng)碾壓，可能會(huì)造成頂板震裂，會(huì)使構(gòu)件形成大量的龜裂裂縫和主裂縫。3）拆模過早

由施工資料和現(xiàn)場檢查結(jié)果顯示存在拆模過早現(xiàn)象，以東八區(qū)2-3 軸施工為例，該區(qū)域頂板于2013 年4 月13 日澆筑，負(fù)一層對撐桿于2013年4 月17 日拆除；該區(qū)段腳手架于4 月20 日全部拆除。

依據(jù)相關(guān)的規(guī)定，對于構(gòu)件跨度2~8 m 的板、梁構(gòu)件底模拆除時(shí)，混凝土應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級的75%。拆模后強(qiáng)度不足的結(jié)構(gòu)構(gòu)件直接用來承擔(dān)外部荷載，進(jìn)行下一步施工，容易使構(gòu)件形成大量的深長裂縫。

4）鋼支撐體系拆除過早

淤鋼支撐拆除過早。由施工資料以及現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)多處鋼支撐拆除較早。以東六區(qū)7-8 軸施工為例，該區(qū)域中板于2013 年3 月6 日澆筑，基坑于2013 年3 月12 日拆第二道鋼支撐；東二區(qū)18-20 軸在2012 年12 月21 日澆筑底板，12 月27 日、30 日連拆第四道鋼支撐和第三道鋼支撐；東四區(qū)13-14 軸在2013 年3 月16 日澆筑完成中板，于3 月20 日拆除第二道鋼支撐、鋼圍檁。

由于此時(shí)底板或中板的強(qiáng)度及剛度尚未完全達(dá)到設(shè)計(jì)值，不足以作為剛性支點(diǎn)用來抵抗圍護(hù)的地連墻傳來的側(cè)向壓力，側(cè)墻的變形易受到地連墻的影響，再加上模板支架剛度不足，容易引起側(cè)墻側(cè)向變形，形成大量的龜裂以及深長裂縫。

于未進(jìn)行換撐。由施工組織設(shè)計(jì)可知，中板澆筑完成后回筑到負(fù)一層過程中，拆除第二道撐，此時(shí)第二道支撐距底板距離約8 m，中間未設(shè)置臨時(shí)支撐（按照原設(shè)計(jì)應(yīng)該有臨時(shí)鋼支撐），同樣會(huì)導(dǎo)致地連墻變形傳導(dǎo)給側(cè)墻，導(dǎo)致側(cè)墻早期變形而形成大量龜裂以及深長裂縫。

5）模板剛度不足

淤單塊模板面積較大。由現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)南北側(cè)墻、柱子等結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面多有鼓脹現(xiàn)象，平整度較差。最大模板面積大約4.5 m2，單塊模板面積較大，模板支撐主要分布在模板四角，對模板中部混凝土約束能力不足，易使結(jié)構(gòu)構(gòu)件形成大量的龜裂以及深長裂縫。

于模板支撐間距較大。依據(jù)施工資料以及現(xiàn)場檢查，模板支撐水平最大間距1.8 m，豎向最大間距2.5 m，支撐密度較小，模板中部撓曲較大。同時(shí)現(xiàn)場實(shí)測資料顯示南北側(cè)墻、頂板及中板等主要受力構(gòu)件存在向自由面變形問題，造成構(gòu)件表面平整度較差。依據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，采用扣件式鋼管作模板支架時(shí)，立桿縱距、立桿橫距不應(yīng)大于1.5 m，支架步距不應(yīng)大于2.0 m；作為高大模板支架時(shí)立柱縱距、橫距不應(yīng)大于1.2 m，支架步距不應(yīng)大于1.8 m。

上述多重原因共同作用造成主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生大量龜裂以及深長裂縫。

5 車站主體結(jié)構(gòu)裂縫評價(jià)

1）龜裂裂縫

龜裂裂縫雖然數(shù)量多、分布較廣，但深度較淺，均為非結(jié)構(gòu)性裂縫，基本上不會(huì)對結(jié)構(gòu)承載力產(chǎn)生影響。但龜裂裂縫的存在會(huì)對結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生一定的影響。

2）主裂縫

該車站主體結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件中存在寬度大于0.2 mm 的主裂縫，部分裂縫的寬度遠(yuǎn)超過0.3 mm。主裂縫的長度與深度均較大，裂縫深度超過側(cè)墻厚度的接近30%，但從分布形態(tài)上判斷也不屬于結(jié)構(gòu)性裂縫。

為評價(jià)主裂縫的存在對結(jié)構(gòu)承載力的影響，采用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件MidasGen 進(jìn)行承載力核算[7]。計(jì)算時(shí)采用對該車站的主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸進(jìn)行折減的方法來考慮裂縫對承載力的影響。對頂板、中板及側(cè)墻截面高度分別折減100 mm、50 mm 及150 mm，并偏保守的選擇一個(gè)橫向中部斷面進(jìn)行計(jì)算，最大剪力為1 241 kN，最大彎矩為2 079 kN·m。

車站主體結(jié)構(gòu)雖然因裂縫的存在對承載力產(chǎn)生一定的影響，但有限元計(jì)算結(jié)果表明，車站主體結(jié)構(gòu)承載力仍然能夠滿足承載能力極限狀態(tài)要求。但主裂縫的存在會(huì)對車站主體結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生不利影響。

6 裂縫處理措施

6.1 龜裂裂縫及主裂縫（w<0.2 mm）的處理措施

對于此類裂縫主要采取表面封閉法進(jìn)行處理[8]。具體處理工藝是：

1） 沿著裂縫走向，打磨裂縫兩側(cè)一定范圍（寬20~30 mm）混凝土基體，清除灰塵、污染物等，對結(jié)構(gòu)表面的缺陷、疏松部位等均應(yīng)先做修鑿，局部表面有油漆或其它有機(jī)物附著物必須先清洗干凈。

2）用專用刷對裂縫兩側(cè)處理面均勻涂抹2 層厚1 mm 左右、寬20~30 mm 的水泥基滲透結(jié)晶型防水材料，總用量不小于1.5 kg/m2。

6.2 主裂縫（w≥0.2 mm）的處理措施

對于此類裂縫主要采取壓力灌漿法進(jìn)行處理。具體處理工藝是：

1）沿裂縫深度鑿除裂縫表層混凝土，以露出新鮮混凝土為宜，對其所有要處理的裂縫，沿縫鑿成深40 mm，寬50 mm 的“U”形槽，并鑿毛裂縫內(nèi)混凝土表面。

2） 沿縫鉆孔或斜向鉆孔至裂縫深部，孔徑準(zhǔn)10 mm@350 mm。

3）縫內(nèi)及孔用清水刷洗干凈，要求施工面無浮塵和雜質(zhì)、打入注漿鋼針。

4）用速凝微膨脹補(bǔ)漏水泥進(jìn)行封槽并預(yù)埋灌漿嘴，保證與施工基面的粘結(jié)密實(shí)度，防止注漿過程出現(xiàn)竄冒漿現(xiàn)象。

5）待快干水泥達(dá)足夠強(qiáng)度后進(jìn)行高滲透性環(huán)氧灌漿施工。為保證灌漿飽滿，立面裂縫灌漿順序應(yīng)從下面灌漿嘴開始注漿，待上層灌漿漿管排出孔內(nèi)水、氣后，封閉低位灌漿管。根據(jù)吸漿量情況逐步升至設(shè)計(jì)壓力，4~5 h 后檢查注漿效果，對管口不飽滿的膠管進(jìn)行第二次注漿直至飽滿。

6）灌注壓力控制在0.2~0.4 MPa，當(dāng)吸漿率小于5 ml/min 時(shí)，逐漸加壓至0.4~0.5 MPa，二次注漿壓力可提高至0.6 MPa。灌注過程中，觀察封縫效果如出現(xiàn)竄冒漿液現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)用快干水泥封堵至不滲漏，方可繼續(xù)加壓灌漿。出現(xiàn)其它異常情況應(yīng)及時(shí)降壓并采取相應(yīng)措施。

7）待高滲透性環(huán)氧灌漿液凝結(jié)2 d 后拆除并用堵漏砂漿封閉灌漿管。然后用高滲透性環(huán)氧材料進(jìn)行封槽。

8）封槽后經(jīng)養(yǎng)護(hù)，待填縫材料凝結(jié)2 d 后，對裂縫兩邊各200 mm 范圍進(jìn)行打毛及清理，用專用刷對裂縫兩側(cè)處理面均勻涂抹2 層厚1 mm、寬20~30 mm 的水泥基滲透結(jié)晶型防水材料，總用量控制在不小于1.5 kg/m2，裂縫兩邊涂刷寬度躍200 mm。

6.3 裂縫修補(bǔ)效果檢驗(yàn)

1）裂縫修補(bǔ)檢驗(yàn)辦法。當(dāng)膠結(jié)材料達(dá)到7 d固化期時(shí)，應(yīng)立即鉆取芯樣進(jìn)行檢驗(yàn)。取樣數(shù)量按裂縫修補(bǔ)區(qū)域每個(gè)區(qū)域不少于2 個(gè)芯樣，且直徑不應(yīng)小于50 mm。

2）裂縫修補(bǔ)檢驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)。芯樣檢驗(yàn)應(yīng)采用劈裂抗拉強(qiáng)度測定方法，檢驗(yàn)結(jié)果符合下列條件之一時(shí)即為符合設(shè)計(jì)要求：

①沿裂縫方向施加的劈力，其破壞應(yīng)發(fā)生在混凝土內(nèi)部；

②破壞雖有部分發(fā)生在界面上，但這部分破壞面積不大于破壞面積的15%。

7 結(jié)語

通過對地鐵站混凝土主體結(jié)構(gòu)相關(guān)試驗(yàn)檢測及對施工資料的分析核查，得出了裂縫產(chǎn)生的原因，然后在對車站主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力驗(yàn)算的基礎(chǔ)上，對裂縫進(jìn)行了評價(jià)，最后針對不同裂縫提出了相應(yīng)的處理方法。