地铁车站超厚混凝土顶板施工技术研究

王会东

（中铁十六局集团有限公司，北京 100018）

近年来，随着国内经济与城市交通的快速发展，超厚混凝土顶板施工技术的应用越来越多，在地铁车站施工中，普遍应用超厚混凝土顶板施工技术。该施工技术需要保证连续浇筑，浇筑完成后，做好混凝土结构养护，能够在很大程度上避免发生开裂现象。同时，随着施工技术愈发成熟，可以有效提高施工效率，降低施工难度，缩短施工周期，进而取得显著的经济效益，为同类工程提供良好的借鉴，推进建筑行业整体发展。

1 超厚混凝土施工的主要特点和技术措施

1.1 超厚混凝土的主要特点

超厚混凝土比一般混凝土结构厚度大，施工现场浇筑难度和施工量较大，尤其是在高层建筑和地铁车站这类特殊建筑工程中，由于施工环境相对苛刻，因此，对混凝土施工技术和构造措施要求较高。为此，施工单位必须结合混凝土施工环境，做好材料配合比设计，确定混凝土结构承压力。操作流程要严格遵守施工规范，浇筑完成后将养护工作落实到位，避免因温差过大出现混凝土开裂及结构变形的情况。由于超厚混凝土体积较大，表面产生的温度应力也较大，如果没有按照施工规范做好养护工作，打造良好的温控环境，那么当混凝土结构温度应力达到临界值时，混凝土的开裂风险就较大。混凝土浇筑完成后，会因水泥的水化作用在短时间内产生大量热量，这也是超厚混凝土施工的主要特点。水泥本身的导热性较差，浇筑完成结块时，混凝土结构内热量不易散发，内外温差较大，会直接影响浇筑质量。当结构内温度高于外部温度时，结构内部会发生膨胀，形成应力；当结构内温度小于外部温度时，混凝土结构块会产生收缩。只要存在温度差就有较大的开裂风险，这是应用超厚混凝土施工技术最大的限制问题，必须在施工实践中总结经验，努力克服。

1.2 混凝土施工产生裂缝的主要原因

从超厚混凝土长度、深度和宽度3 个视角，可以将混凝土施工裂缝划分为贯穿裂缝、深层裂缝和表面裂缝。其中，危害最大的是贯穿裂缝，可由细微裂缝发展而来，能切断整个混凝土结构横断面，严重影响超厚混凝土结构的稳定及安全。深层裂缝是指切断了一部分混凝土结构横断面的裂缝，其危害不及贯穿裂缝，但是，具有一定风险。表面裂缝是危害最小的一种裂缝，其最大宽度不超过0.2 ㎜，但在实际施工中也要加以重视，及时采取合适的措施进行补救，以避免诱发严重影响。混凝土产生裂缝的主要原因包括水泥水化热、外界天气变化、混凝土收缩3 种。水泥水化热是指在混凝土结构施工中因水泥材料性质引发的水化反应。以超厚混凝土顶板施工为例，在进行混凝土结构施工时，厚度较大，水泥水化过程中会释放一定热量，如果热量不能及时释放，当混凝土内部温度高于外部温度时，就会出现裂缝，造成结构缺陷，影响结构的正常使用功能及耐久性。如果裂缝现象比较严重，还会影响施工安全。外界气温变化会导致混凝土结构温度变化，因此，需要在混凝土施工中，控制外界环境温度，以避免出现裂缝现象。如果遇到冷空气侵袭，气温骤降，会加大混凝土结构内、外温差，影响混凝土结构稳定；若局部气温升高，混凝土内部温度较低，即使混凝土结构内部温度没有及时散发，但持续时间较长，同样会影响施工效果。在超厚混凝土施工中混凝土收缩引发裂缝是需要重点关注的问题。在混凝土浇筑过程中，约有80%的水分会随着时间蒸发。如果水分蒸发过多，混凝土表面会产生收缩，此时若水分突然增加，那么在水分的作用下，混凝土会恢复到原来的体积，水分过多还会膨胀至大于原来的体积，进而影响混凝土结构质量。因此，在施工中需要观察混凝土结构的硬化情况，保证剩余水分在20%左右。

2 超厚混凝土顶板受力状态分析

2.1 施工过程对超厚混凝土顶板受力状态的影响

地铁车站施工，采用超厚混凝土顶板施工技术结构形式主要以预应力框架结构、无粘结预应力楼盖体系、预应力混凝土结构为主。本文的地铁车站施工中，以预应力混凝土结构为主，混凝土顶板受力情况需要考虑预应力、混凝土养护、后浇带等问题。对于地铁车站工程施工来说，超厚混凝土顶板浇筑后，需要进行顶部覆土等施工工序。施工过程中，需要考虑混凝土结构性能、荷载效应时变性、空间位置等多方面变化情况。如果竖向支撑构件数量较少，顶板荷载承压更大；若超厚混凝土结构强度未达到标准，则有可能开裂。地铁车站施工过程分为前、后两个阶段，通过建立有限元模型，考虑顶板支撑约束作用，在一定程度上可以保证受力符合施工要求，避免发生开裂现象。

2.2 长期荷载对超厚混凝土顶板受力状态的影响

混凝土结构的长期荷载主要包括混凝土自重和上层覆盖长期作用荷载。对于地铁车站这种地下空间结构来说，必须在施工中考虑超厚混凝土结构自重和覆土荷载。由于混凝土材料性能会随时间发生变化，混凝土顶板挠度变形问题也愈发突出，需要重点分析混凝土徐变性能，通过ansys、matlab 的理论计算值进行模拟与对比分析，根据变形协调条件，推导超厚混凝土顶板重力分布解析表达式，以保证施工方案可行。根据实验模拟总结，徐变使混凝土应力释放，释放应力由钢筋承担，钢筋配置数量越多，内力重分布越明显，混凝土强度越高。

2.3 考虑水化热的超厚混凝土顶板早龄期受力状态影响

由于超厚混凝土结构长度、宽度的几何尺寸较大，当受到自身结构和外部荷载影响时，极易发生变形。在浇筑及硬化过程中，混凝土混合料中的水泥水化反应产生大量水化热，超厚混凝土结构内、外存在温差，如果混凝土内部存在细微裂缝，且依旧没有调整好水化热，那么随着裂缝扩大会破坏工程结构。针对本地铁车站顶板施工规划，还原施工具体过程，对其早龄期受力状态进行仿真分析，选择对象顶板尺寸为96.0m×54.2m×0.6m的超厚混凝土顶板，在Midas 中选用实体单元对混凝土板进行离散，将板底x 方向和y 方向上的中点作为坐标原点，如图1 所示。

图1 96.0m×54.2m×0.6m 的超厚混凝土顶板空间模型示意图

根据弹性模量分析混凝土顶板抵抗变形能力，采用双指数式或双曲线式分析方法，等式如下：

其中，E28为混凝土28d 弹性模量，α、β为与水泥类型和养护条件有关的系数。假定在混凝土周围没有任何散热条件和热损耗的情况下，水泥水化热全部转化为混凝土温升后的温度值，混凝土结构外部温度控制在5℃～30℃，浇筑完成前3d，顶板最高温度达到50.5℃，3～10d 顶板处于水化热降温阶段，浇筑完成10d 后，顶板水化温度和应力均处于稳定状态。

3 地铁车站超厚混凝土顶板施工技术与施工质量控制

3.1 主要技术构造措施

本地铁站台基础混凝土浇筑施工时，考虑到超长、超厚混凝土施工管理难度较大，温度变化会引发开裂问题，所以，应特别注意应力集中或薄弱部位的技术构造措施和养护办法。结合现场施工条件，可以采用防裂网对混凝土结构进行保护，采用竖向温度凹槽做好相应防护。另外，在拆除模板后，需检查混凝土结构是否出现裂缝，如果存在裂缝，则需使用细料混凝土及时进行修复填充。

3.2 混凝土浇筑方法

本地铁车站超厚混凝土顶板局部厚度达3m，根据地势特点，采用由南到北、斜向分层、薄层浇筑、一次到底的连续浇筑施工方法。混凝土从浇筑层下端开始，逐渐上移，分配振捣，每批厚度控制在500 ㎜左右。第一次振捣时间与第二次振捣时间间隔在20～30min，以避免发生严重的水化热现象，充分释放水泥热量。同时，为保证混凝土结构浇筑和振捣质量，需采用分段定点、一个坡度、薄层浇筑、循序渐进、一次到顶的浇筑方法，以避免出现裂缝。若振捣混凝土过程中筏板厚度过大，则利用振捣器在中层钢筋处进行振捣。超厚混凝土分层振捣如图2 所示。

图2 超厚混凝土分层振捣示意图

3.3 混凝土动态养护方法

（1）混凝土浇筑完成后，必须采用动态养护的方法，对超厚混凝土结构进行养护，经现场测温，控制混凝土的内外温差，保证内外温度均衡。（2）底板养护时，可用长刮尺刮平混凝土表面，反复用木抹子搓毛压实，再将塑料薄膜或棉毡轻覆盖在上方。通过测温仪实时测温，当温差大于25℃时，加盖覆盖物，以避免发生水化热现象；当温差小于15℃时，减少覆盖物，使混凝土结构充分散热。（3）筏板基础侧壁面混凝土养护，可采用较厚的棉毡覆盖物发挥良好的保温作用，在筏板旁侧搭建防护棚进行隔离保温。养护过程中，需测量水分含量，若蒸发量大于80%，则需要喷洒少许水，以保证混凝土硬化效果。（4）对边缘位置、棱角位置进行养护时，同样需覆盖塑料薄膜或棉毡，保温厚度应是底板的2～3 倍，以避免温差过大。（5）电梯井口位置的混凝土浇筑完成后，需要进行注水操作，根据超厚混凝土厚度确定注水深度，以提高传感器测温的精确性。为避免天气原因带来的温差影响，坑口位置浇筑完成后，要始终保持封闭状态。养护1 周后，可拆除电梯井内的模板，闭合坑口，直到车站超厚混凝土保温养护结束。（6）在混凝土养护过程中，需要关注天气变化，如果温度突升或者骤降，需要根据温度变化调整覆盖物厚度，以减少温差应力，避免引发混凝土开裂。在混凝土凝固时间的1/2～2/3 时，可以掀开覆盖物查看硬化情况，如果有细微裂缝，必须采用细料混凝土及时修复，并进行二次抹平、覆盖。

3.4 混凝土温度实时监测数据校验

为避免超厚混凝土施工过程中出现裂缝，必须加强工程监管，实时监测混凝土结构温度。采用HC-TW80无线测温仪监测混凝土内、外部温度，并在施工前模拟试验，比对校验数据，二次校验所有监测点的传感器，以保证数据的准确性。可通过以下公式计算校验数据：

其中，G 表示仪器出厂系数，C 表示仪器自身的修正系数功能，R1 为读数，R0 为读数与频数，K 为传感器膨胀系数，T1 为实时温度，T0 为初始温度。在地铁车站超厚混凝土顶板施工过程中，使用传感器实时监测混凝土结构温度，在很大程度上能避免出现裂缝。但在实际施工过程中，由于混凝土内部含水量蒸发不可控，因此，传感器测量的数据并一定准确，而且在施工和养护过程中，混凝土弹性模量也会增加，或多或少会产生一些变形，影响传感器的工作效能。但综合对比各个监测点实时温度变化曲线图仍然能够发现混凝土结构温度值变化，并在此基础上及时调整养护办法，以有效控制混凝土结构温度差，取得较好的养护效果。

综上所述，某地铁车站超厚混凝土实际浇筑施工、养护过程中，采用一次性浇筑施工方法，保证了现场施工的连续性。在施工过程中，严格按照施工方案要求展开工程操作，结合施工现场条件，将有限元分析方法和现场实时监测相结合，有效控制温度变化和应力变化，提出有针对性的养护对策，保证了超厚混凝土的施工质量，促使工程施工顺利展开，且取得了良好的经济效益。