地铁天府广场站结构的抗裂与防水效果

周 欢

(中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都610031)

成都地铁天府广场站为4层地下结构，长276 m，宽168 m，总建筑面积约10×104m2。地下1、2层为天府广场地下空间；地下3层为地铁1号线站台层和地铁2号线设备层；地下4层为地铁2号线的站台层；地铁1、2号线之间由联络线相连。整个结构底板由1～4层逐步内收。其中1、2号线地铁车站交汇点上方负1层楼板为下沉式广场，面积约7 000 m2。主体结构采用多跨现浇钢筋混凝土框架结构，结构柱网主要为10 m×11 m，为交叉梁体系。结构顶板覆土平均厚约1.96 m。

车站地下四层底板进入强风化岩1～2 m，以上各层均位于卵石土上，地下水充沛。天府广场工程作为大体量、结构功能复杂的地下工程，为保证结构的使用性能和耐久性，详细分析结构的抗裂性能及裂缝控制的技术措施十分必要，是确定是否设置变形缝的前提。

研究结构抗裂性能，首先应分析结构裂缝产生的原因。裂缝产生的主要原因有以下几方面：(1)材料缺陷——包括干燥收缩、温差收缩、自生收缩、减水剂的影响及混凝土后期膨胀裂缝等；(2)施工管理及维护——包括混凝土配合比、混凝土的浇注及振捣、混凝土的养护等；(3)设计问题——对荷载裂缝及结构变形的控制。

1 结构抗裂设计的理念

结构抗裂设计的理念是：(1)不出现裂缝。(2)当出现裂缝时，变有害裂缝为无害裂缝。

要使结构，特别是大体积混凝土结构不出现裂缝代价是很大的，从混凝土特有的性能上讲也是很困难的，因此首要任务是变有害裂缝为无害裂缝。针对本工程，结构的主要变形为沉降和混凝土收缩及温度变化引起。

本工程主体结构底板标高不同，1～3层均位于卵石层上，板底设抗拔桩，4层底板位于中风化泥岩上。经计算使用阶段结构为上浮型，是沉降的有利因素。施工阶段按最不利情况计算的结构竖向变形值分别如下：地下一层沉降量为2.69 mm、地下2层沉降量为2.71 mm、地下3层沉降量为0.4 mm、地下4层沉降量可忽略。各层的差异沉降很小，满足使用要求，可不设沉降缝。在主体结构与周边通道的接口处沉降变形较大的部位，可通过设置变形缝的办法来处理。

2 温度影响分析

引起混凝土裂缝的另一主要原因是混凝土收缩和温度变化引起的变形，有必要对温度变化对结构的影响进行有限元分析。

2.1 温度变化

混凝土温度膨胀系数取1.0×10-5℃成都地区温度多年平均值为16.2 ℃，极端高温值为37.3 ℃，极端低温值为-5.9 ℃。地下部分的土中温度就是地面上的年平均气温16.2 ℃，使用阶段夏季室内温度取空调设计温度26 ℃，冬季室内温度取空调设计温度18 ℃；下沉式广场部分冬季室外温度取极端低温值为-5.9 ℃，夏季室外温度取极端高温值为37.3 ℃，地面阳光直射温度为70 ℃。

地面广场夏季计算最高温度取值，应由地表温度70 ℃减去地面保温层温度损失，为结构板面的温度。根据相关工程经验，地面广场采用保温隔热措施可以将表面计算温度控制在37.3 ℃；地面广场冬季取值原理同上，取为0 ℃。因此广场夏季温差计算为37.3 ℃ -26 ℃ =11.3 ℃，冬季温差0 ℃ -18 ℃ =-18 ℃。通常混凝土结构的总温差计算值通常应为20 ℃～25 ℃，上述取值满足此范围。

施工阶段取成都地区多年平均值为16.2 ℃。由于施工时段不确定，若结构的温差超出上述范围时，施工中应采取临时措施解决。

下沉式广场部分:夏季温差取11.3 ℃,冬季温差取-18℃。

地下部分:夏季温度取26 ℃,冬季温度取18℃。

2.2 计算分析

有限元分析计算结果见表1(不设变形缝)。

表1 有限元分析结果

从表1可看出，冬季温差变化情况下为控制工况。此时最不利位置柱顶弯距为800～1 750 kN·m，圆弧边缘拉应力超过C40混凝土抗拉强度。工程上可以通过施加一定的预应力来抵消梁的部分甚至全部拉应力、并能平衡一部分柱弯距，但结构设计施工复杂。

天府广场车站在计算的最不利部位——下沉广场上，结合建筑造型及功能布局，采用了半径18 m处设置10 m宽度圆环开孔，起到变形缝作用，相同部位的不利工况计算结果如表2。可以看出调整结构布置后，可以有效地降低了结构变形及内力(图1、图2)。

表2 下沉广场设变形缝(利用10 m环状开孔)有限元分析计算结果

图1 原整体模型

图2 结合建筑造型设置10 m环状变形缝

3 混凝土收缩影响

干缩是导致混凝土裂缝的另一重要因素，收缩系数一般

取为5.5×10-4，施工时采取如下措施减少混凝土干缩影响。

(1)主体结构与围护结构全脱离，设置全包防水层，减少了围护结构与主体结构的约束，从而避免混凝土受侧向的约束导致局部出现大的开裂。

(2)采用跳槽施工及设置后浇带，消化吸收一定量的混凝土收缩量。采用设置后浇带和跳槽施工可以解决收缩的70%，即为3.85×10-4，干缩量还剩1.65×10-4。

(3)在混凝土中掺入20%的优质粉煤灰。由研究可知，掺用粉煤灰后可产生0.4×10-4～1.0×10-4的膨胀变形，膨胀变形可取0.7×10-4。

(4)降低水胶灰比：将水胶比控制在0.5以下，还可减少一定的干缩，按剩余量的50%计，即为0.85×10-4。

(5)通过上述4项措施，实际的混凝土干缩系数已控制到一定范围：0.8×10-4。

此外在施工过程中对混凝土塌落度、入模温度、养护条件等均严格控制。地下广场板面受温度变化的影响较大，除采用保温隔热措施外，在板面还设置防裂钢丝网，并在结构稳定后涂刷渗透性结晶涂料，该措施能有效地分散裂缝，将每条缝宽控制在0.05 mm以下，满足防水抗裂作用。

因此，天府广场站通过下沉广场结合建筑布局设置10 m环状变形缝，结构的内力分析在理论上支持地下结构不设变形缝的结论，同时辅以控制施工阶段混凝土收缩的措施，能达到良好的防水效果。后期根据审查要求在结构中部垂直276 m长度方向增设一条变形缝，除双柱对内部空间布置不利外，在使用中给结构防水也带来一系列问题，变形缝宽度受季节变化的影响也较明显。

从既有的工程实例看：广州地铁1号线车站主体结构一般均未设变形缝，其中广州地铁芳村站超过600 m长的车站仅设置一道变形缝，一号线公园前超过400 m长的车站仅靠近联络线处设置一道变形缝，后期建成的成都地铁2号线沙河堡站长度达到540.101 m，未设置伸缩缝，结构及防水效果良好。因此，在富水的砂卵石地层中，成都地铁技术要求做出如下规定：车站和明挖区间的现浇结构的纵向设缝距离，当采取较为有效地工程措施后，如设置后浇带、间隔跳槽施工、用膨胀加强带、采用补偿收缩混凝土等，在有效地减少混凝土的温度应力和收缩应力、确保避免发生有害裂缝后，可不设或少设缝。原则上地下车站主体结构不设变形缝。

[1] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].中国建筑工业出版社，1997