地鐵施工中大體積混凝土裂縫控制分析

蔡守冬

（中鐵二十四局集團有限公司，上海 200070）

0 引言

地鐵項目的施工周期長、建設成本高、施工難度大、質量要求高。而大體積混凝土施工是地鐵施工的重要環節，但大體積混凝土經常會出現裂縫問題，如何解決大體積混凝土裂縫問題已經成為當下施工單位和相關設計人員的工作重點。當大體積混凝土出現裂縫時，需要第一時間對這些裂縫進行處理，以免大體積混凝土內部的鋼筋受到侵蝕而影響主體結構的穩定性。采用恰當的方式解決大體積混凝土裂縫問題（見圖1），可以提高大體積混凝土的耐久性及穩定性，進而發揮地鐵工程的價值與社會效益。

圖1 大體積筏板基礎澆筑

1 地鐵施工具有的特點

1.1 工程建設規模大、投資大

隨著地鐵項目的逐漸增多，地鐵車站及區間線路埋深也越來越大，許多大型地鐵車站同時肩負著交通換乘樞紐及商業的功能，因此單個地鐵車站的建設規模越來越大，單體造價也越來越高，單條地鐵線路投資超百億元的項目在國內比比皆是。隨著地鐵功能的增強，設計施工中大體積混凝土的應用也越來越多。

1.2 工程地質和周邊環境復雜

我國幅員遼闊，各地的地質情況不盡相同，同時地鐵項目的施工環境也相當復雜，因地鐵線路主要串聯人流量較大的區域，地表建筑物、地下管網、河流等各種不利因素重重疊加，對地鐵建設提出更高的要求。

1.3 質量要求高

地鐵工程作為百年工程，對結構的耐久性提出極高的要求，特別是沿海地區，地下水及雨水中氯離子含量高，地鐵的主體結構常年受到侵蝕，如果混凝土產生裂縫，其內部的鋼筋將被快速侵蝕而影響整體結構的穩定性。

2 混凝土裂縫的類型

混凝土裂縫的類型多種多樣，產生混凝土裂縫的原因也比較多。可以按照不同的劃分方式將混凝土裂縫分為垂直裂縫、水平裂縫、橫向裂縫等。可以采用裂縫深度對裂縫進行劃分，包括深度裂縫、表面裂縫、貫穿裂縫等。可以根據裂縫產生原因進行劃分，包括溫差裂縫、沉降裂縫以及塑性收縮裂縫等[1]。

3 混凝土裂縫產生的原因分析

3.1 溫差裂縫產生的原因

在地鐵工程中，溫差是造成混凝土裂縫的重要因素。混凝土施工結束以后，混凝土初凝到終凝一般需要8～10h，而且水泥的水化反應是一個放熱反應，隨著水化反應的進行，混凝土強度也逐步提高。水化反應所產生的水化熱會在3～7d 達到峰值，在此期間，混凝土的強度較低，如果混凝土結構內外的溫差超過25℃，混凝土表面與大氣環境的溫差超過20℃，都會造成裂縫。溫差裂縫形成的過程一般分為三個階段：第一階段是初期裂縫，即在水化熱升溫期，從混凝土澆筑開始到水化熱達到峰值期間，混凝土內部溫度高、外部溫度低，引起的“約束力”超過混凝土自身的抗拉強度，從而產生裂縫；第二階段是中期裂縫，即水化熱降溫期，當水化熱達到峰值后逐步降低，水化熱散盡，混凝土結構溫度接近環境溫度，結構溫度引起的“外約束力”超過混凝土抗拉強度而產生裂縫（收縮裂縫）；第三階段是后期裂縫，在混凝土水化反應后期，混凝土結構溫度相對穩定，當外部環境溫度發生劇烈變化時，由于混凝土為熱的不良導體，形成溫度梯度，當溫度梯度較大時就會產生裂縫。

3.2 沉降裂縫產生的原因

沉降裂縫的形成主要由建筑基礎土質不均、疏松，在浸水后產生不平衡沉降造成；或者由于模板強度不夠、模板支柱長度過大或支柱底板松散而造成，尤其是在冬季，鋼筋支承在凍土上，凍土化凍時出現不平衡沉降，導致混凝土構件出現裂縫。此種裂縫一般呈深進或貫穿式裂縫，其方向與沉陷程度密切相關，通常沿同一地層，垂直或呈30～45°角走向開展，較大的沉陷裂縫通常伴有一定的錯位，裂縫長度通常與下沉量成正比關系，但受氣溫變動的影響相對較小。地基變形平穩以后，沉降裂縫也就基本趨于穩定。沉降裂縫的形成條件包括：地面結構、建筑物下方土壤軟硬不均，或在局部出現軟弱土時未采取適當的補強措施，在水泥施工時，因地面部分出現不平衡沉降而產生裂縫；現場生產的預制構件(如屋架、薄腹梁等)，由于其側向剛性較差，在弦、腹桿件搭設處或梁的一側經常形成裂縫；如果模板支承間隙過大、底部支撐材料泡水，或混凝土未達到規定強度過早拆模，都會引起不平衡沉降裂縫；構件各部負荷懸殊，且未作必要的加固處理，在水泥施工時，由于地基受力不均，形成不平衡沉降，導致構件應力聚集而造成裂縫。

混凝土沉降裂縫在我國北方地區的發生概率非常大。我國北方地區一年四季溫差變化非常明顯，從秋季進入冬季時土壤會凍脹，從冬季進入春季時土壤會解凍，從而導致土壤沉降現象，進而會影響到混凝土的整體結構，造成混凝土沉降裂縫[2]。

3.3 塑性收縮裂縫產生的原因

地鐵混凝土施工中經常會出現干縮裂縫和收縮裂縫這兩種塑性收縮裂縫，其產生原因各不相同。主要原因是在混凝土澆筑過程當中，混凝土過振，從而造成混凝土浮漿過多；混凝土澆筑結束以后，收面工作不及時、不徹底，導致混凝土表面水分蒸發過快，影響混凝土的水化熱反應，導致混凝土出現塑性收縮裂縫。塑性收縮裂縫對混凝土整體結構的影響相對較小，因此一些施工單位在混凝土施工過程中忽視對塑性收縮裂縫的控制，導致大體積混凝土表面出現塑性收縮裂縫的問題逐漸增多。此外，在混凝土施工結束以后，養護工作不到位也會導致混凝土出現不同程度的裂縫。

4 地鐵施工中大體積混凝土裂縫控制

4.1 嚴格控制混凝土質量

現階段在地鐵工程施工中使用的混凝土主要為商品混凝土，施工單位對混凝土原材料的質量控制尤為重要。施工單位在進場初期，收到施工圖紙后應立即組織商品混凝土攪拌站對不同標號、不同要求的混凝土進行試配，根據試配結果確定最佳配合比，并將最終確定的配合比送第三方檢測單位驗證，通過驗證之后才能正式用于工程施工。

在高標號大體積混凝土配合比設計前，應測定不同品牌、不同產地水泥的水化熱，選擇低水化熱的水泥進行試配。此外，還可以適當增加粉煤灰、礦粉等膠凝材料，從而降低水泥用量，減少早期水泥水化反應產生的水化熱，粉煤灰及礦粉的摻加還可以提高混凝土的和易性。但是，粉煤灰、礦粉摻入量過多會影響混凝土的早期強度，從而影響混凝土拆模時間，延遲工程施工進度。此外，粉煤灰、礦粉摻入量過多還容易導致混凝土表面出現收縮裂縫。粉煤灰、礦粉的摻入量應根據試配情況不斷調整，滿足設計圖紙及國家、地區的規范要求。在混凝土澆筑之前還需要對混凝土的坍落度、和易性等進行現場檢查，確保混凝土的質量符合要求之后，才能夠開展混凝土澆筑[3]。

大體積混凝土施工時，需要控制好澆筑的速度，并根據現場的實際情況減少施工分段長度。一般情況下，混凝土施工分段長度控制在7～9m 之間。混凝土的入模溫度控制不當也會導致裂縫產生，因此在混凝土澆筑時需要對其入模溫度加強控制，避免混凝土內部發生水化熱反應時和混凝土外部出現較大的溫差，從而減少混凝土溫差裂縫的產生概率。進行混凝土澆筑時也需要分析天氣情況，避免在高溫和嚴寒的環境下開展大體積混凝土澆筑施工。在混凝土澆筑過程中，需要由專業人員進行振搗，避免混凝土內部出現氣泡，影響混凝土的整體質量。在混凝土施工結束以后，需要對混凝土表面進行壓實抹平，并設專人對混凝土進行養護，養護工作要有序開展，時間不宜少于14d，以有效提高混凝土整體結構的穩定性[4]。

4.2 混凝土裂縫的控制措施

4.2.1 溫差裂縫的控制措施

第一，在地鐵工程施工中，為了避免大體積混凝土出現溫差裂縫，可以在施工之前根據現場的實際情況開展模擬試驗，以明確混凝土的水化熱升溫參數。對溫差控制范圍有了全面了解之后，即可在實際澆筑過程中使用專業設備對混凝土內部溫度進行實時監測，合理判斷混凝土內外部之間存在的溫差。第二，混凝土澆筑時應時刻關注氣溫變化，氣溫高時應降低混凝土澆筑厚度，利用澆筑層面散熱。第三，可使用地下水作為混凝土拌和用水，碎石在拌和之前可用冷水沖洗降溫，從而降低混凝土的入模溫度。第四，可在大體積混凝土中埋設冷卻水管，從而從內部降低混凝土溫度，避免內外溫差過大造成溫差裂縫。第五，嚴格控制拆模時間，當混凝土澆筑完成后，混凝土內部水化反應激烈，此時是混凝土升溫的重要階段，拆模后應立即使用土工布、棉被等對混凝土進行覆蓋以保持恒溫。第六，對養護用水的溫度進行監測，避免因養護用水溫度過低造成混凝土內外溫差過大[5]。

4.2.2 塑性收縮裂縫的控制措施

第一，為了避免混凝土出現塑性收縮裂縫，在混凝土配合比設計時，要嚴格控制水灰比及水泥用量，選擇集配良好的碎石，減少空隙率及砂率。第二，混凝土澆筑過程中要振搗密實，以減少收縮量。第三，混凝土澆筑之前，應對墊層、模板澆水，使其濕透。第四，混凝土澆筑完成后應及時覆蓋養護，在高溫、干燥及刮風天氣，應及時噴水養護。第五，如果混凝土終凝前出現細微裂縫，則應及時抹壓一次，再予以覆蓋養護。

4.2.3 沉降裂縫的控制措施

第一，在進行混凝土澆筑前，應對地基承載力進行檢測，避免混凝土澆筑過程中出現不均勻沉降。第二，混凝土澆筑前應檢查模板加固情況，對關鍵受力部位進行二次加固，澆筑過程中要安排專人巡查模板情況，出現異常情況及時停止澆筑并采取應急處理。第三，在進行混凝土澆筑時要全面監測基礎沉降，如果沉降值過大，則必須停止施工并采取相應的解決方案[6]。

4.3 混凝土裂縫的處理

當大體積混凝土出現裂縫時，必須及時進行處理，常見方法有表面處理法、填充法、灌漿法等。表面處理法包括表面涂抹法和表面貼補法，涂抹法適用范圍是漿液難以灌入的細而淺的裂縫，深度未達到鋼筋表面的細微裂縫，不漏水、不伸縮、不再變化的裂縫；表面貼補法適用于大面積漏水的防滲堵漏。填充法是將加固用修補材料直接填充進裂縫中，一般用來修補較寬的裂縫。灌漿法使用較為廣泛，從細微裂縫到寬度較大裂縫均可適用。除此之外，還有結構補強法、斷面補強法、錨固補強法、預應力法等非常規處理方法。

5 結語

總而言之，地鐵項目非常龐大，施工環境比較復雜，涉及的施工內容比較多。大體積混凝土是地鐵工程的重要組成部分，經常會出現裂縫問題，對此，應根據裂縫的種類進行全面分析，采用恰當的方式解決大體積混凝土裂縫問題，提高地鐵工程的整體質量，進而提高施工單位的經濟效益，發揮地鐵項目的社會價值。