常州地铁车站混凝土抗裂防渗技术推广体会

王宁宁，黄 丽

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

常州地铁1 号线建设总长约42km，共建有车站29 座，其中，地下车站27 座，高架站2 座，工程投资总额超过230 亿元，并于2015 年4 月全线开工。为分析城市轨道交通工程地下车站结构混凝土开裂及渗漏原因，在此基础上提出针对性解决方案，由江苏省城市轨道交通建设专业委员会组织，常州市轨道交通公司牵头实施，联合多家参见单位开展了课题研究，针对地下车站抗裂防渗问题日益突出的问题，采用数值模拟与试验研究相结合的方法，采用“水化—温度—湿度—约束”多场耦合收缩开裂评估模型，研究对结构混凝土的抗裂性进行评估[1-2]。然后从实验测试和模拟分析的双重角度，分析和评价混凝土原材料技术指标控制、抗裂剂作用原理、抗裂混凝土的组成设计和关键配合比参数对混凝土抗裂性能的影响，通过对混凝土工作性、力学性能、耐久性能的综合分析，优选出高抗裂混凝土的配合比[2]。在此，结合工程具体应用情况，对相关的研究内容谈几点体会。

1 设计是前提

在结构设计中，往往仅考虑结构荷载的作用，而忽略了混凝土温度应力对结构裂缝产生的影响。通常在进行城市地铁地下车站的设计过程中，由于结构混凝土的开洞、留槽等因素，以及局部构造的处理不当，往往会导致结构方面的局部应力集中，使结构混凝土裂缝产生的概率大大提高；其次，一般地下车站的侧墙、顶板等结构的钢筋配置过少或过粗及间距过大等，也极大造成一些裂缝的产生；再者，在设计阶段，未能够充分考虑结构混凝土所受到的约束作用，混凝土的极限抗拉强度，在混凝土产生收缩变形后容易开裂；此外，设计文件所采用的混凝土单方水泥用量比例普遍太大，加之水泥细度偏大，水化过快，都极易产生结构混凝土温度应力，对收缩变形非常不利。本次课题研究从设计出发，开展了以下方面研究工作：

1.1 结构孔洞周边裂缝控制

在轨道交通地下工程中，车站各层板、内衬墙等结构因建筑设计及施工要求，需在结构上预留孔洞。这些结构开孔处存在应力集中现象，往往会产生应力集中裂缝。为避免应力集中裂缝的产生，在设计时，针对含有较大孔洞的板、墙结构，需在其周边设置加强边梁、柱等，增强混凝土结构的抗拉能力，减小洞口应力集中效应。这些措施很大程度地控制应力集中裂缝的产生，起到较好效果，但实际施工过程中发现，车站顶、中板盾构出土孔角部附近依然易出现一定数量的裂缝，这些裂缝沿洞口角部向外，呈放射状。

1.2 构造钢筋控制非荷载裂缝

建筑结构在其作用中承受两类作用，荷载作用和非荷载作用。如何选取合理的钢筋类型及其布置方式，才能更有效控制非荷载裂缝的产生与发展尚无明确的结论。针对此类问题，选取了两个试验段侧墙，分别采用两种构造钢筋配筋方式，并配合现场检测以及有限元模拟的方法进行研究，研究过程由施工方和研究方共同实施。其中，构造钢筋在保证配筋率不变的情况下，分别采用D20@150 和D16@100 两种方式进行配筋，其余与产生地下结构裂缝的相关因素（水胶比、水泥用量、外加剂等）均维持不变。

为具体分析构造钢筋对混凝土抗裂性能的影响及其影响机理，现场检测测量内容如下：①配筋后混凝土的温度、应力、应变情况；②结构表面裂缝分布情况；③配筋后混凝土的渗透系数。

1.3 车站结构设缝

目前，设计中常采取后浇带或诱导缝的方式来控制、减少裂缝的形成。但这两种方式在实际施工过程中，都存在一定的问题，如何结合实际工程，选取更经济合理的方式是工程问题所必须解决的难题之一。

表1 车站C35P8 结构混凝土配合比 单位：kg/m3

表2 车站结构混凝土抗裂指标

表3 不同施工季节侧墙混凝土结构最大允许分段浇筑长度

通过总结后浇带和诱导缝在实际工程应用之中的不足之处，为实际工程选取处理方案提供了依据。分别采用后浇带和诱导缝进行混凝土浇筑，并配合现场检测以及有限元模拟的方法进行研究，研究过程由施工方和研究方共同实施，其中膨胀加强带宽度选为2m，采用阶梯缝作为接缝形式，后浇带位置的选取与设计方设计的诱导缝的位置保持一致。

2 材料是基础

结构混凝土的应用不是理论研究而是工程问题，必须结合实际工程和环境条件，研究工程实际中使用的结构混凝土，将所遇到的各种相互矛盾的因素，按照主次矛盾认真归类划分，最大限度地做到对立与统一，解决实际问题，以实现“百年大计”。本课题结合常州原材料的实际情况，考虑环境条件的影响，根据裂缝调研情况，在侧墙、顶板混凝土中，拟通过掺加抗裂外加剂来解决混凝土收缩变形导致开裂的问题，实现结构混凝土温度场与膨胀历程进行双重调控。江苏苏博特新材料股份有限公司从水泥水化进程干预的角度，发明了水泥水化放热速率调控化学外加剂，基于此，提出抗裂混凝土设计的要求见表1。

地下车站结构混凝土的抗裂指标见表2 所示，其中，限制膨胀率、自身体积变形分别参照《补偿收缩混凝土应用技术规程（JTG/T 178—2009）》《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T 50082—2009）》进行。

3 施工是关键

裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异，施工是关键。本课题主要研究工作如下：

3.1 混凝土浇筑季节

通常，季节的不同，由于气温变化往往导致混凝土入模温度也不相同，入模温度直接影响混凝土结构的温升温降变化，因此有必要分析浇筑季节对混凝土开裂风险的影响。结合工程现场测试数据，通过模拟混凝土在不同季节的入模温度，计算混凝土在低开裂风险下的最大浇筑长度。通过在常州地铁1 号线的研究可知，结构混凝土在不同季节施工时，侧墙结构混凝土所允许的最大分段浇筑长度不尽相同，夏季允许分段长度最短，为12.7m，具体数据见表3 所示。

3.2 结构混凝土的入模温度

由于夏季环境温度较高，为了降低混凝土结构的开裂风险，减少早期裂缝的形成，在施工过程中通常采取冷却拌合水、风冷骨料、加入冰片、冷却胶材、液氮等几种措施，以此来降低混凝土的入模温度，降低开裂风险。以上方法在降温的过程中，随着效果的增加，成本也在不断增大。为给制定合理的降温方案提供相应的理论依据，对夏季（日平均气温28~35℃）不同入模温度下，不同分段浇筑长度的侧墙开裂风险进行了研究。

在对混凝土不同入模温度分析时，本研究课题还研究了不同分段长度下，混凝土开裂风险和混凝土入模温度与分段长度之间的关系。在常州地铁1 号线的研究的结果表明：当夏季施工时，通过降低入模温度能够非常显著的降低混凝土开裂的风险，因此，混凝土的浇筑长度也可以显著的增加，当掺如功能材料外加剂后，与基准混凝土对比更为明显。

3.3 混凝土模板类型

实际工程中，通常采用木模板或钢模板进行支护浇筑，前者模板价格低廉，但散热效果不好，在夏季施工时常由于结构散热较慢导致结构温升较高；后者结构组装复杂且价格相对较高，但散热效果良好，能有效降低结构混凝土的最大温升，但也相应加大降温阶段结构混凝土的温降速率。