明挖地鐵車站混凝土裂縫特征與原因分析

陳 文

(北京長城貝爾芬格伯格建筑工程有限公司，北京 100028)

1 明挖地鐵車站特點

明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)斷面尺寸均較大，鋼筋密集。目前地鐵車站混凝土多選用高強度和高抗?jié)B編號的混凝土(C40 P10)以滿足地下的復雜環(huán)境和受力、抗?jié)B需要，但也出現(xiàn)了許多問題，混凝土裂縫就是其中之一。

混凝土裂縫的出現(xiàn)對地下結(jié)構(gòu)使用功能和耐久性造成了不利的影響，直接導致了鋼筋銹蝕和滲漏水等問題的出現(xiàn)。經(jīng)調(diào)查，北京多條營運中的地鐵線路出現(xiàn)的滲漏水問題都與混凝土裂縫有關(guān)。

2 明挖地鐵車站混凝土裂縫特征與原因分析

以某車站負一層27軸～41軸側(cè)墻裂縫統(tǒng)計情況為例。此車站主體為明挖三層雙柱三跨箱型框架結(jié)構(gòu)，采用明挖順作法施工，基坑圍護結(jié)構(gòu)形式采用:圍護樁+網(wǎng)噴混凝土+鋼管支撐的方案。車站總長380 m，設(shè)3條變形縫，其中13軸、27軸與41軸是變形縫位置。標準段寬度28 m，車站中心里程處覆土厚度為2.5 m，底板埋深25 m。主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，沿車站縱向采用縱梁體系，各層板橫向形成三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)。在板和梁、板和墻交界處設(shè)置受力斜托，改善板的受力條件。如圖1所示。車站土方開挖與主體結(jié)構(gòu)施工劃分為14個流水段，流水段長度25～29 m。見圖2。

圖1 車站主體結(jié)構(gòu)剖面圖(單位:mm)

圖2 車站結(jié)構(gòu)流水段劃分(單位:mm)

2.1 明挖地鐵車站側(cè)墻豎向裂縫特征與原因分析

2.1.1 側(cè)墻豎向裂縫特征

車站側(cè)墻采用C40 P10抗?jié)B鋼筋混凝土，墻厚為700 mm，采用單側(cè)支鋼模方式施工。施工后側(cè)墻墻體出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度為0.1～0.4 mm不等，且三層均有分布。

2.1.2 裂縫情況描述

從裂縫分布上可以看出，裂縫在負一層北墻上的分布有一定規(guī)律，每一施工流水段中裂縫的條數(shù)和寬度都大致相近;在負一層南墻上分布為西側(cè)較東側(cè)密集;而總體來說，裂縫大多從墻中生產(chǎn)，向墻上下兩端延伸，且無滲漏水情況;南墻裂縫的裂縫寬度比北墻的裂縫寬度稍大，澆筑段長度越長產(chǎn)生的裂縫數(shù)量越多，澆筑施工時環(huán)境溫度越高產(chǎn)生的裂縫數(shù)量越多且寬度越大。

2011年12月對27軸、41軸變形縫寬度進行測量后，發(fā)現(xiàn)變形縫由2 cm增大到5.5 cm，混凝土收縮效應非常明顯，這樣我們把裂縫總開裂值與變形縫寬度變化值相加，粗略得到混凝土收縮值為4.4 cm，則混凝土收縮系數(shù)為3.98 ×10－4。

2.1.3 墻體裂縫產(chǎn)生原因分析

車站側(cè)墻厚度為700～800 mm，負一層凈高度為5.15～5.45 m，屬于大體積混凝土，在施工中容易因為溫度應力的影響產(chǎn)生裂縫。從裂縫的分布規(guī)律來看，澆筑段長度越長產(chǎn)生的裂縫數(shù)量越多，澆筑施工時環(huán)境溫度越高產(chǎn)生的裂縫數(shù)量越多且寬度越大，其表明墻體裂縫的產(chǎn)生和大體積混凝土澆筑時溫度應力的變化有一定的關(guān)系。

根據(jù)相關(guān)檢測單位對車站側(cè)墻裂縫深度的檢測報告，裂縫深度大致在7～15 cm之間。從裂縫深度情況看來，其與干縮裂縫性質(zhì)相近，產(chǎn)生原因為拆模過早，拆模后未及時進行灑水養(yǎng)護或灑水養(yǎng)護時干時濕使混凝土表面濕度變化較大，從而導致混凝土表面干縮變形。

由于車站實際收縮率較大，用以下公式計算流水段合理長度［1］:

最終計算得平均整澆長度為21 695 mm。實際施工時每段澆筑段長度在25～29 m之間，流水段長度劃分偏大，當混凝土發(fā)生收縮時受到的外部約束較大，從而產(chǎn)生的拉應力導致混凝土開裂。由此，得出明挖車站施工流水段劃分以小于20 m為宜，且每一流水段施工周期不宜過短，宜在7 d，以消除混凝土初期收縮影響。

施工中使用的為泵送商品混凝土，其水泥用量、水灰比、坍落度等都比較大，由于水泥用量的增加，混凝土的收縮值有一定程度的提高。對于高強混凝土雖然有較高的抗拉強度，可是彈性模量也高，在相同收縮變形下，會引起較高的拉應力，而由于高強混凝土的徐變能力低，應力松弛量較小，所以抗裂能力差。

2.2 明挖地鐵車站層板、頂板45°斜裂縫特征與原因分析

2.2.1 裂縫特征

車站層板、頂板45°斜裂縫多出現(xiàn)在距離板邊L/8的區(qū)域處，裂縫寬度在0.2 mm到0.4 mm之間，個別處為貫通裂縫，且存在滲漏水情況。

2.2.2 層板、頂板45°斜裂縫產(chǎn)生原因分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁、柱、墻、板在環(huán)境的溫度、濕度發(fā)生變化時，均會產(chǎn)生溫度變形和收縮變形，由于形體上的差異，板的體積與表面積的比最小，混凝土的收縮形變最大，從而在板內(nèi)產(chǎn)生拉應力。由于側(cè)墻、梁與板的外側(cè)約束使板上由于板、梁和墻之間的收縮不一致引起變形應力產(chǎn)生45°斜裂縫。見圖3。

圖3 層板45°斜裂縫

2.3 明挖地鐵車站層板縱向裂縫特征與原因分析

2.3.1 裂縫特征

裂縫平行于層板長邊，沿車站縱向延伸，且大多出現(xiàn)在距墻2～3 m的位置，裂縫寬度為≤0.3 mm，無貫通縫，數(shù)量不多。

2.3.2 層板縱向裂縫產(chǎn)生原因分析

由于裂縫深度不大，屬于表面裂縫，產(chǎn)生原因為層板施工后未鋪設(shè)塑料薄膜直接受到陽光照射，失水較快，且未及時進行灑水養(yǎng)護或灑水養(yǎng)護時干時濕使混凝土表面濕度變化較大，從而導致混凝土表面干縮變形。但應特別注意，車站側(cè)墻采用單側(cè)支鋼模方式施工，經(jīng)計算，鋼模斜撐傳遞到層板的壓力能達到16 t以上。當施工側(cè)墻時，其下一層滿堂紅支撐體系不能拆除，以免板受到較大集中荷載而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫。

2.4 明挖地鐵車站層板、頂板、底板橫向裂縫特征與原因分析

2.4.1 裂縫特征

裂縫平行于層板短邊，沿車站橫向延伸，裂縫寬度為0.1～0.4 mm，三層均有分布，個別處為存在滲漏水現(xiàn)象的貫通裂縫。

而總體來說，裂縫大多從板中1/3處生產(chǎn)，向兩端延伸;澆筑流水段長度越長產(chǎn)生的裂縫數(shù)量越多;澆筑施工時環(huán)境溫度越高產(chǎn)生的裂縫數(shù)量越多且寬度越大;層板上表面裂縫數(shù)量多于下表面裂縫數(shù)量。

2.4.2 層板橫向裂縫產(chǎn)生原因分析

車站頂板厚度為800～1 200 mm，底板厚度為900～1 100 mm，中板厚度為400～600 mm。由于厚度較大，澆筑施工時溫度應力的變化對裂縫的形成起決定性的影響。

由于裂縫深度不大，屬于表面裂縫，產(chǎn)生原因為層板施工后未鋪設(shè)塑料薄膜直接受到陽光照射，失水較快，且未及時進行灑水養(yǎng)護或灑水養(yǎng)護時干時濕使混凝土表面濕度變化較大，從而導致混凝土表面干縮變形。

同時，澆筑段長度偏大、使用高強度混凝土等也是裂縫形成的原因。

此外，大體積混凝土的澆筑工藝不當對裂縫的形成也有一定程度的影響。以澆筑中板為例，由于每澆筑段澆筑面積較大，采取縱向分段斜向分層澆筑方法。在澆筑下一段澆筑段時，前一澆筑段的抹面壓光區(qū)距離振搗處較近時，由于振搗時混凝土流動的影響，導致已經(jīng)抹面壓光的混凝土產(chǎn)生橫向裂縫。為了避免這種現(xiàn)象，振搗處離抹面區(qū)距離應大于8 m，且應進行二次壓光。如圖4。

圖4 中板混凝土澆筑施工

3 總結(jié)

1)混凝土技術(shù)路線有一定的問題。現(xiàn)階段混凝土一味追求高強抗?jié)B耐久，而高強混凝土抗裂能力差，容易產(chǎn)生裂縫，裂縫的產(chǎn)生會導致鋼筋的銹蝕，從而降低了結(jié)構(gòu)的耐久性。本欲提高結(jié)構(gòu)耐久性，結(jié)果卻適得其反。

2)混凝土本身質(zhì)量原因。由于市場化的惡意無序競爭，商品混凝土供應商在混凝土原材料質(zhì)量、成品生產(chǎn)過程控制、成品運輸時間上不能做到嚴格控制，導致混凝土本身質(zhì)量偏低，影響工程結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量。

3)施工流水段的劃分在施工前必須仔細考慮和嚴格計算，不應只考慮工期的要求而隨意加大施工流水作業(yè)段的施工面，應綜合大體積混凝土的澆筑工藝、控溫手段、保濕手段、養(yǎng)護條件等綜合考慮。

4)養(yǎng)護是混凝土澆筑施工中至關(guān)重要的一環(huán)，這一環(huán)的施工質(zhì)量好壞能直接影響混凝土強度的提升、干縮裂縫的形成，絕對不能因為嫌麻煩就敷衍了事。

5)混凝土澆筑施工工藝對混凝土裂縫的形成也有一定的影響，比如側(cè)墻的單側(cè)鋼模支架和大面積混凝土澆筑順序?qū)炷亮芽p形成的影響。這些問題都可以在施工方案的設(shè)計和施工時通過技術(shù)手段避免的，這也要求我們在施工前仔細考慮到每一步施工時可能出現(xiàn)的問題，從而進行規(guī)避。

6)車站結(jié)構(gòu)混凝土裂縫的產(chǎn)生對結(jié)構(gòu)使用功能和耐久性有較大的影響。在耐久性的影響方面主要表現(xiàn)為鋼筋銹蝕降低了結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。在使用功能影響方面主要表現(xiàn)為滲漏水。貫通裂縫的直接滲漏水和由于混凝土收縮較大導致結(jié)構(gòu)頂板變形縫上部防水層撕裂而形成的變形縫滲漏水都給車站結(jié)構(gòu)后期修補造成了巨大的麻煩。

［1］《建筑施工手冊》(第四版)編寫組.建筑施工手冊(第四版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.