常州地鐵車站混凝土抗裂防滲技術(shù)推廣體會

王寧寧，黃 麗

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

常州地鐵1 號線建設(shè)總長約42km，共建有車站29 座，其中，地下車站27 座，高架站2 座，工程投資總額超過230 億元，并于2015 年4 月全線開工。為分析城市軌道交通工程地下車站結(jié)構(gòu)混凝土開裂及滲漏原因，在此基礎(chǔ)上提出針對性解決方案，由江蘇省城市軌道交通建設(shè)專業(yè)委員會組織，常州市軌道交通公司牽頭實(shí)施，聯(lián)合多家參見單位開展了課題研究，針對地下車站抗裂防滲問題日益突出的問題，采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，采用“水化—溫度—濕度—約束”多場耦合收縮開裂評估模型，研究對結(jié)構(gòu)混凝土的抗裂性進(jìn)行評估[1-2]。然后從實(shí)驗(yàn)測試和模擬分析的雙重角度，分析和評價混凝土原材料技術(shù)指標(biāo)控制、抗裂劑作用原理、抗裂混凝土的組成設(shè)計(jì)和關(guān)鍵配合比參數(shù)對混凝土抗裂性能的影響，通過對混凝土工作性、力學(xué)性能、耐久性能的綜合分析，優(yōu)選出高抗裂混凝土的配合比[2]。在此，結(jié)合工程具體應(yīng)用情況，對相關(guān)的研究內(nèi)容談幾點(diǎn)體會。

1 設(shè)計(jì)是前提

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，往往僅考慮結(jié)構(gòu)荷載的作用，而忽略了混凝土溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的影響。通常在進(jìn)行城市地鐵地下車站的設(shè)計(jì)過程中，由于結(jié)構(gòu)混凝土的開洞、留槽等因素，以及局部構(gòu)造的處理不當(dāng)，往往會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)方面的局部應(yīng)力集中，使結(jié)構(gòu)混凝土裂縫產(chǎn)生的概率大大提高；其次，一般地下車站的側(cè)墻、頂板等結(jié)構(gòu)的鋼筋配置過少或過粗及間距過大等，也極大造成一些裂縫的產(chǎn)生；再者，在設(shè)計(jì)階段，未能夠充分考慮結(jié)構(gòu)混凝土所受到的約束作用，混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，在混凝土產(chǎn)生收縮變形后容易開裂；此外，設(shè)計(jì)文件所采用的混凝土單方水泥用量比例普遍太大，加之水泥細(xì)度偏大，水化過快，都極易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)混凝土溫度應(yīng)力，對收縮變形非常不利。本次課題研究從設(shè)計(jì)出發(fā)，開展了以下方面研究工作：

1.1 結(jié)構(gòu)孔洞周邊裂縫控制

在軌道交通地下工程中，車站各層板、內(nèi)襯墻等結(jié)構(gòu)因建筑設(shè)計(jì)及施工要求，需在結(jié)構(gòu)上預(yù)留孔洞。這些結(jié)構(gòu)開孔處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，往往會產(chǎn)生應(yīng)力集中裂縫。為避免應(yīng)力集中裂縫的產(chǎn)生，在設(shè)計(jì)時，針對含有較大孔洞的板、墻結(jié)構(gòu)，需在其周邊設(shè)置加強(qiáng)邊梁、柱等，增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，減小洞口應(yīng)力集中效應(yīng)。這些措施很大程度地控制應(yīng)力集中裂縫的產(chǎn)生，起到較好效果，但實(shí)際施工過程中發(fā)現(xiàn)，車站頂、中板盾構(gòu)出土孔角部附近依然易出現(xiàn)一定數(shù)量的裂縫，這些裂縫沿洞口角部向外，呈放射狀。

1.2 構(gòu)造鋼筋控制非荷載裂縫

建筑結(jié)構(gòu)在其作用中承受兩類作用，荷載作用和非荷載作用。如何選取合理的鋼筋類型及其布置方式，才能更有效控制非荷載裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展尚無明確的結(jié)論。針對此類問題，選取了兩個試驗(yàn)段側(cè)墻，分別采用兩種構(gòu)造鋼筋配筋方式，并配合現(xiàn)場檢測以及有限元模擬的方法進(jìn)行研究，研究過程由施工方和研究方共同實(shí)施。其中，構(gòu)造鋼筋在保證配筋率不變的情況下，分別采用D20@150 和D16@100 兩種方式進(jìn)行配筋，其余與產(chǎn)生地下結(jié)構(gòu)裂縫的相關(guān)因素（水膠比、水泥用量、外加劑等）均維持不變。

為具體分析構(gòu)造鋼筋對混凝土抗裂性能的影響及其影響機(jī)理，現(xiàn)場檢測測量內(nèi)容如下：①配筋后混凝土的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變情況；②結(jié)構(gòu)表面裂縫分布情況；③配筋后混凝土的滲透系數(shù)。

1.3 車站結(jié)構(gòu)設(shè)縫

目前，設(shè)計(jì)中常采取后澆帶或誘導(dǎo)縫的方式來控制、減少裂縫的形成。但這兩種方式在實(shí)際施工過程中，都存在一定的問題，如何結(jié)合實(shí)際工程，選取更經(jīng)濟(jì)合理的方式是工程問題所必須解決的難題之一。

表1 車站C35P8 結(jié)構(gòu)混凝土配合比 單位：kg/m3

表2 車站結(jié)構(gòu)混凝土抗裂指標(biāo)

表3 不同施工季節(jié)側(cè)墻混凝土結(jié)構(gòu)最大允許分段澆筑長度

通過總結(jié)后澆帶和誘導(dǎo)縫在實(shí)際工程應(yīng)用之中的不足之處，為實(shí)際工程選取處理方案提供了依據(jù)。分別采用后澆帶和誘導(dǎo)縫進(jìn)行混凝土澆筑，并配合現(xiàn)場檢測以及有限元模擬的方法進(jìn)行研究，研究過程由施工方和研究方共同實(shí)施，其中膨脹加強(qiáng)帶寬度選為2m，采用階梯縫作為接縫形式，后澆帶位置的選取與設(shè)計(jì)方設(shè)計(jì)的誘導(dǎo)縫的位置保持一致。

2 材料是基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)混凝土的應(yīng)用不是理論研究而是工程問題，必須結(jié)合實(shí)際工程和環(huán)境條件，研究工程實(shí)際中使用的結(jié)構(gòu)混凝土，將所遇到的各種相互矛盾的因素，按照主次矛盾認(rèn)真歸類劃分，最大限度地做到對立與統(tǒng)一，解決實(shí)際問題，以實(shí)現(xiàn)“百年大計(jì)”。本課題結(jié)合常州原材料的實(shí)際情況，考慮環(huán)境條件的影響，根據(jù)裂縫調(diào)研情況，在側(cè)墻、頂板混凝土中，擬通過摻加抗裂外加劑來解決混凝土收縮變形導(dǎo)致開裂的問題，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)混凝土溫度場與膨脹歷程進(jìn)行雙重調(diào)控。江蘇蘇博特新材料股份有限公司從水泥水化進(jìn)程干預(yù)的角度，發(fā)明了水泥水化放熱速率調(diào)控化學(xué)外加劑，基于此，提出抗裂混凝土設(shè)計(jì)的要求見表1。

地下車站結(jié)構(gòu)混凝土的抗裂指標(biāo)見表2 所示，其中，限制膨脹率、自身體積變形分別參照《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程（JTG/T 178—2009）》《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50082—2009）》進(jìn)行。

3 施工是關(guān)鍵

裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度因產(chǎn)生的原因而異，施工是關(guān)鍵。本課題主要研究工作如下：

3.1 混凝土澆筑季節(jié)

通常，季節(jié)的不同，由于氣溫變化往往導(dǎo)致混凝土入模溫度也不相同，入模溫度直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的溫升溫降變化，因此有必要分析澆筑季節(jié)對混凝土開裂風(fēng)險的影響。結(jié)合工程現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，通過模擬混凝土在不同季節(jié)的入模溫度，計(jì)算混凝土在低開裂風(fēng)險下的最大澆筑長度。通過在常州地鐵1 號線的研究可知，結(jié)構(gòu)混凝土在不同季節(jié)施工時，側(cè)墻結(jié)構(gòu)混凝土所允許的最大分段澆筑長度不盡相同，夏季允許分段長度最短，為12.7m，具體數(shù)據(jù)見表3 所示。

3.2 結(jié)構(gòu)混凝土的入模溫度

由于夏季環(huán)境溫度較高，為了降低混凝土結(jié)構(gòu)的開裂風(fēng)險，減少早期裂縫的形成，在施工過程中通常采取冷卻拌合水、風(fēng)冷骨料、加入冰片、冷卻膠材、液氮等幾種措施，以此來降低混凝土的入模溫度，降低開裂風(fēng)險。以上方法在降溫的過程中，隨著效果的增加，成本也在不斷增大。為給制定合理的降溫方案提供相應(yīng)的理論依據(jù)，對夏季（日平均氣溫28~35℃）不同入模溫度下，不同分段澆筑長度的側(cè)墻開裂風(fēng)險進(jìn)行了研究。

在對混凝土不同入模溫度分析時，本研究課題還研究了不同分段長度下，混凝土開裂風(fēng)險和混凝土入模溫度與分段長度之間的關(guān)系。在常州地鐵1 號線的研究的結(jié)果表明：當(dāng)夏季施工時，通過降低入模溫度能夠非常顯著的降低混凝土開裂的風(fēng)險，因此，混凝土的澆筑長度也可以顯著的增加，當(dāng)摻如功能材料外加劑后，與基準(zhǔn)混凝土對比更為明顯。

3.3 混凝土模板類型

實(shí)際工程中，通常采用木模板或鋼模板進(jìn)行支護(hù)澆筑，前者模板價格低廉，但散熱效果不好，在夏季施工時常由于結(jié)構(gòu)散熱較慢導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫升較高；后者結(jié)構(gòu)組裝復(fù)雜且價格相對較高，但散熱效果良好，能有效降低結(jié)構(gòu)混凝土的最大溫升，但也相應(yīng)加大降溫階段結(jié)構(gòu)混凝土的溫降速率。