明挖裝配式地下車站側墻疊合層現澆混凝土開裂風險研究*

徐軍林 馬樹偉 姚 婷 王育江,3

(1.中鐵第四勘察設計集團有限公司，430063，武漢；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，211103，南京;3.東南大學材料科學與工程學院，211189，南京∥第一作者，正高級工程師)

地下車站裝配式結構因其施工對環境影響小、工程造價低、施工質量易保證，越來越受到國內外的關注，并逐漸得到廣泛應用[1-2]。由于地下水環境較為復雜和地下結構自防水要求，地下車站整體裝配式結構仍需解決接頭接縫防水以及現澆部分混凝土收縮開裂問題，以保障結構的安全使用和長期服役性能[3-4]。

某軌道交通車站為地下2層單柱雙跨標準島式車站，站臺寬為11 m，縱向柱距為9 m，車站總長為195 m。除車站兩端盾構井段及風道接口范圍采用現澆法施工外，其余約150 m有柱地下車站采用整體裝配式疊合墻板施工技術。裝配式結構各構件均通過濕節點連接形成整體，現澆混凝土與預制構件形成疊合構件，預制構件可兼做永久模板，與現澆部分通過鋼筋連接。由于施工時預制構件混凝土水化已基本完成，收縮變形很小，而現澆混凝土強度高，早期易產生較快的水化放熱和較大的收縮變形，受到高強預制構件的約束也較大，容易因新老混凝土變形不協調而導致嚴重收縮開裂問題。

為此，本文針對明挖裝配整體式現澆疊合層混凝土易開裂的難題，基于“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合收縮開裂評估方法[5]，對地下車站墻板疊合層現澆混凝土抗裂性進行定量分析，研究此類結構混凝土的早齡期開裂風險規律，可為此類工程的裂縫控制提供參考。

1 混凝土配合比與性能測試

地下車站明挖裝配整體式疊合層現澆混凝土設計強度等級為C40，因該工程現澆混凝土位于地下，一側模板為預制疊合板，另一邊為地下連續墻，均為永久模板，可忽略干燥收縮變形，但需重點考慮自收縮和溫度收縮變形對開裂的影響。因此，擬制備無收縮混凝土以提高結構抗裂性。依據JGJ 55—2019 《普通混凝土配合比設計規程》，在滿足強度、工作性和耐久性的基礎上，制備的混凝土需兼顧低溫升、無收縮等抗裂性能和體積穩定性，初步設計了系列C40基準混凝土和無收縮混凝土配合比進行試驗研究。綜合技術性和經濟性原則，選擇其中有代表性的配合比，如表1所示。

表1 明挖裝配式地下車站側墻疊合層現澆混凝土配合比

根據表1所示的混凝土配合比，參照相關標準規范，試驗測試了混凝土早齡期絕熱溫升、彈性模量、劈裂抗拉強度及自生體積變形等性能指標隨齡期的變化曲線，如圖1所示。

圖1 早齡期混凝土材料性能測試結果Fig.1 Test results of material properties of early age concrete

2 開裂風險評估方法與計算模型

2.1 評估方法

通常實體結構混凝土從澆筑成型開始一直處于水化、溫度、濕度、約束等多種因素共同作用的復雜環境中，本文主要采用課題組提出的基于“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合機制的抗裂性評估理論與模型[5]，參照DB32/T 3696—2019《江蘇省高性能混凝土應用技術規程》中的基本參數取值方法和計算方法，結合明挖裝配整體式地下車站側墻結構特點，對該軌道交通車站側墻疊合層現澆混凝土溫度歷程和開裂風險進行評估。定義開裂風險系數η為實時應力與實時抗拉強度之比，如下式所示：

(1)

式中：

σ(t)——t時刻混凝土最大拉應力；

ft(t)——t時刻的抗拉強度。

一般認為η>1.0時，混凝土已經開裂；η=1時，混凝土達到理論上的臨界開裂狀態；0.7≤η<1.0時，考慮到混凝土早齡期性質的不確定性以及結構分析時的簡化和近似，混凝土有較大可能開裂；η<0.7時，混凝土開裂可能性較小。

2.2 結構形式與計算模型

該軌道交通車站明挖裝配整體式側墻預制構件每節長3 m，高4.86 m，現場沿長度方向拼裝成一定長度后，作為現澆混凝土的永久模板，另外一側為地下連續墻，現澆混凝土澆筑閉合。與底板連接部分內側采用木模板，預制部分與現澆部分通過鋼筋連接，且分別呈凹槽狀，兩者互相咬合，現澆混凝土側墻不僅受到底板的約束，還受到預制側墻的約束。現澆側墻與地下連續墻之間鋪設一層防水卷材，由于防水卷材屬于柔性材料，因此假設施工期地下連續墻與現澆側墻之間僅存在熱量的交換與傳遞，不對現澆混凝土產生約束作用。現澆疊合層側墻總高度為6.46 m，但不同位置處厚度有所不同，主要有0.35 m、0.6 m或0.7 m幾種典型厚度區域，其中與底板連接處現澆層厚度為0.7 m，上部凹槽處有0.35 m和0.6 m兩種厚度。單塊預制板長度為3 m，所以一次性澆筑長度必須是預制構件長度3 m的整數倍。側墻結構具體布置情況及結構尺寸如圖2所示。在此基礎上，建立開裂風險評估計算模型如圖3所示。

圖2 側墻結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of side wall

圖3 側墻結構計算模型Fig.3 Computational model of side wall structure

3 側墻疊合層現澆混凝土開裂風險評估

3.1 材料參數

上述計算模型中的主要材料參數如表2所示；其余參數為：取日均氣溫20 ℃、入模溫度25 ℃，下部0.7 m厚側墻處采用木模板，3 d后拆除模板。

3.2 溫度結果分析

采用上述結構熱分析計算參數、計算方法和計算模型，得到側墻現澆疊合層混凝土溫度計算結果如圖4所示。從圖4可以看到：

1) 對于基準混凝土，厚0.35～0.70 m側墻混凝土均在1.25 d左右達到溫峰值，其中心溫升和表面溫升分別約為15.86～21.73 ℃、13.03～15.96 ℃，內外溫差均小于6 ℃。可見，此類結構由內外溫差引起開裂的可能性較小。

2) 無收縮抗裂混凝土最大溫升發生在1.75 d左右，厚0.35～0.70 m側墻混凝土中心溫升和表面溫升分別約10.91～16.21 ℃、8.47～11.66 ℃，內外溫差小于5 ℃，與基準混凝土相比，無收縮混凝土溫峰值降低了4.45～5.58 ℃。這是因為混凝土中摻加的抗裂材料延緩了早期水化放熱速率，在結構具備散熱條件下，為疊合層混凝土散熱贏得了時間，從而大幅緩解混凝土集中放熱程度，削弱溫升和溫降速度[6]。

3) 根據地鐵車站實體結構混凝土的跟蹤與監測分析結果發現[7]，對于C35地鐵車站疊合墻體系內襯墻混凝土，盡管溫升值基本在10 ℃以下，但是仍存在較大的開裂風險。此外，本工程結構形式類似于疊合墻結構，在此基礎上同時還受到凹槽狀C50預制板的咬合作用，約束作用更強，混凝土強度更高，溫升值也更高，在目前溫升值大于10 ℃的情況下有較大的開裂風險。

3.3 基準混凝土開裂風險結果分析

圖5為一次性澆筑不同長度時側墻現澆疊合層基準混凝土開裂風險評估結果，可以看到：

1) 由圖5 a)、圖5 b)可知，一次性澆筑18～24 m時，現澆側墻中心混凝土最大η約1.17～1.23，大于1.0，說明該工況下基本上必然開裂；表面最大η約0.88～0.94，大于0.7，說明表面混凝土開裂風險也比較大；澆筑長度越長，側墻混凝土最大開裂風險越大，一次性澆筑長度18 m增加到24 m時，η增大幅度約為5%～7%。

圖4 側墻現澆混凝土溫度計算結果Fig.4 Temperature calculation results of the cast-in-situ concrete on the side wall

圖5 側墻現澆疊合層基準混凝土開裂風險計算結果Fig.5 Calculation result of cracking risk of the cast-in-situ reference concrete on the side wall laminated layer

2) 由圖5 c)可知，除了離自由邊界較近的地方，其它大部分中部區域混凝土η均超過了0.7，甚至超過1.0，厚度0.35 m和0.6 m區域混凝土仍然有較大的開裂可能性；且同一時刻現澆混凝土側墻開裂風險在長度方向上有所波動，這是因為C50預制板和現澆側墻截面厚度均是變化的，其現澆混凝土的約束程度和溫升值不同位置處也是不一樣的，溫度高且約束大的地方(預制板較厚的位置處)開裂風險較大，而約束小的地方，開裂風險相對較小。

3.4 無收縮混凝土開裂風險結果分析

圖6為一次性澆筑不同長度時側墻現澆疊合層無收縮混凝土開裂風險評估結果，可以看到：

1) 一次性澆筑18～24 m長時，現澆側墻無收縮混凝土最大η約0.66～0.72，除了澆筑長度24 m時，最大η稍大于0.7，有一定的開裂風險；而澆筑18～21 m時，η小于0.7，基本可控制混凝土不開裂。表面最大η約0.45～0.50，小于0.7，也不大可能開裂；澆筑長度越長，側墻混凝土最大開裂風險越大；一次性澆筑長度18 m增加到24 m時，η增大幅度約為9%。

圖6 現澆側墻疊合層無收縮混凝土開裂風險計算結果Fig.6 Calculation result of cracking risk of the cast-in-situ non-shrinkage concrete on the side wall laminated layer

2) 采用無收縮混凝土，當一次性澆筑長度不超過21 m時，現澆疊合層混凝土最大η不超過0.7，可避免裂縫產生；從開裂風險隨長度變化曲線可以看出，與基準混凝土類似，同一時刻現澆混凝土側墻開裂風險在長度方向上有所波動，主要是因為結構尺寸和各位置處約束程度不同所致。

綜上，采用無收縮混凝土是明挖整體裝配式地下車站疊合層現澆混凝土裂縫控制的有效措施。

4 結語

綜上，采用基于“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合機制的評估方法，結合明挖裝配整體式地下車站側墻結構特點和室內實測混凝土性能參數，對一次性澆筑不同長度時側墻疊合層現澆混凝土的溫度歷程和開裂風險進行了定量分析，結果表明：

1) 盡管該側墻結構現澆部分整體厚度較薄，尺寸較小，但由于本工程混凝土強度較高，早期水化較快，散熱條件差，現澆基準混凝土內部仍然可產生15.9～21.7 ℃的溫升，表面可產生13.0～16.0 ℃的溫升，內外溫差小于6 ℃，可見由內外溫差產生裂縫的可能性較小，混凝土的開裂風險主要由整體降溫過程中收縮變形受到高強預制側墻和先澆底板對現澆部分混凝土外部約束作用引起；與基準混凝土相比，無收縮混凝土內部產生約10.91～16.21 ℃的溫升，表面可產生8.47～11.66 ℃的溫升，溫峰值降低約5 ℃，有利于結構抗裂。

2) 一次性澆筑長度18～24 m時，現澆側墻疊合層基準混凝土內部最大η均大于1.0，存在比較大的開裂風險；澆筑長度越長，現澆側墻混凝土開裂風險越大；一次性澆筑長度18 m增加到24 m時，η增大幅度僅5%～7%，而且增加幅度趨緩。這也從側面證實了此類結構約束作用較強，到達一定的長度后，長度的增加對約束貢獻有限。因為地下車站疊合層現澆混凝土在溫降階段產生的收縮變形，不僅受到已澆底板混凝土的約束作用，而且受到凹槽狀高強預制板的約束，導致混凝土容易產生開裂。

3) 與基準混凝土相比，采用無收縮混凝土，一次性澆筑長度為18～24 m時，現澆側墻無收縮混凝土最大η約0.66～0.72，當一次性澆筑長度不超過21 m時，現澆疊合層混凝土最大η不超過0.7，可見，理論分析結果表明，對于明挖裝配式地下車站側墻疊合層結構，無收縮混凝土可以有效降低結構開裂風險，提高結構抗裂性，避免裂縫產生。