地鐵天府廣場站結構的抗裂與防水效果

周 歡

(中鐵二院工程集團有限責任公司,四川成都610031)

成都地鐵天府廣場站為4層地下結構，長276 m，寬168 m，總建筑面積約10×104m2。地下1、2層為天府廣場地下空間；地下3層為地鐵1號線站臺層和地鐵2號線設備層；地下4層為地鐵2號線的站臺層；地鐵1、2號線之間由聯絡線相連。整個結構底板由1～4層逐步內收。其中1、2號線地鐵車站交匯點上方負1層樓板為下沉式廣場，面積約7 000 m2。主體結構采用多跨現澆鋼筋混凝土框架結構，結構柱網主要為10 m×11 m，為交叉梁體系。結構頂板覆土平均厚約1.96 m。

車站地下四層底板進入強風化巖1～2 m，以上各層均位于卵石土上，地下水充沛。天府廣場工程作為大體量、結構功能復雜的地下工程，為保證結構的使用性能和耐久性，詳細分析結構的抗裂性能及裂縫控制的技術措施十分必要，是確定是否設置變形縫的前提。

研究結構抗裂性能，首先應分析結構裂縫產生的原因。裂縫產生的主要原因有以下幾方面：(1)材料缺陷——包括干燥收縮、溫差收縮、自生收縮、減水劑的影響及混凝土后期膨脹裂縫等；(2)施工管理及維護——包括混凝土配合比、混凝土的澆注及振搗、混凝土的養護等；(3)設計問題——對荷載裂縫及結構變形的控制。

1 結構抗裂設計的理念

結構抗裂設計的理念是：(1)不出現裂縫。(2)當出現裂縫時，變有害裂縫為無害裂縫。

要使結構，特別是大體積混凝土結構不出現裂縫代價是很大的，從混凝土特有的性能上講也是很困難的，因此首要任務是變有害裂縫為無害裂縫。針對本工程，結構的主要變形為沉降和混凝土收縮及溫度變化引起。

本工程主體結構底板標高不同，1～3層均位于卵石層上，板底設抗拔樁，4層底板位于中風化泥巖上。經計算使用階段結構為上浮型，是沉降的有利因素。施工階段按最不利情況計算的結構豎向變形值分別如下：地下一層沉降量為2.69 mm、地下2層沉降量為2.71 mm、地下3層沉降量為0.4 mm、地下4層沉降量可忽略。各層的差異沉降很小，滿足使用要求，可不設沉降縫。在主體結構與周邊通道的接口處沉降變形較大的部位，可通過設置變形縫的辦法來處理。

2 溫度影響分析

引起混凝土裂縫的另一主要原因是混凝土收縮和溫度變化引起的變形，有必要對溫度變化對結構的影響進行有限元分析。

2.1 溫度變化

混凝土溫度膨脹系數取1.0×10-5℃成都地區溫度多年平均值為16.2 ℃，極端高溫值為37.3 ℃，極端低溫值為-5.9 ℃。地下部分的土中溫度就是地面上的年平均氣溫16.2 ℃，使用階段夏季室內溫度取空調設計溫度26 ℃，冬季室內溫度取空調設計溫度18 ℃；下沉式廣場部分冬季室外溫度取極端低溫值為-5.9 ℃，夏季室外溫度取極端高溫值為37.3 ℃，地面陽光直射溫度為70 ℃。

地面廣場夏季計算最高溫度取值，應由地表溫度70 ℃減去地面保溫層溫度損失，為結構板面的溫度。根據相關工程經驗，地面廣場采用保溫隔熱措施可以將表面計算溫度控制在37.3 ℃；地面廣場冬季取值原理同上，取為0 ℃。因此廣場夏季溫差計算為37.3 ℃ -26 ℃ =11.3 ℃，冬季溫差0 ℃ -18 ℃ =-18 ℃。通?；炷两Y構的總溫差計算值通常應為20 ℃～25 ℃，上述取值滿足此范圍。

施工階段取成都地區多年平均值為16.2 ℃。由于施工時段不確定，若結構的溫差超出上述范圍時，施工中應采取臨時措施解決。

下沉式廣場部分:夏季溫差取11.3 ℃,冬季溫差取-18℃。

地下部分:夏季溫度取26 ℃,冬季溫度取18℃。

2.2 計算分析

有限元分析計算結果見表1(不設變形縫)。

表1 有限元分析結果

從表1可看出，冬季溫差變化情況下為控制工況。此時最不利位置柱頂彎距為800～1 750 kN·m，圓弧邊緣拉應力超過C40混凝土抗拉強度。工程上可以通過施加一定的預應力來抵消梁的部分甚至全部拉應力、并能平衡一部分柱彎距，但結構設計施工復雜。

天府廣場車站在計算的最不利部位——下沉廣場上，結合建筑造型及功能布局，采用了半徑18 m處設置10 m寬度圓環開孔，起到變形縫作用，相同部位的不利工況計算結果如表2。可以看出調整結構布置后，可以有效地降低了結構變形及內力(圖1、圖2)。

表2 下沉廣場設變形縫(利用10 m環狀開孔)有限元分析計算結果

圖1 原整體模型

圖2 結合建筑造型設置10 m環狀變形縫

3 混凝土收縮影響

干縮是導致混凝土裂縫的另一重要因素，收縮系數一般

取為5.5×10-4，施工時采取如下措施減少混凝土干縮影響。

(1)主體結構與圍護結構全脫離，設置全包防水層，減少了圍護結構與主體結構的約束，從而避免混凝土受側向的約束導致局部出現大的開裂。

(2)采用跳槽施工及設置后澆帶，消化吸收一定量的混凝土收縮量。采用設置后澆帶和跳槽施工可以解決收縮的70%，即為3.85×10-4，干縮量還剩1.65×10-4。

(3)在混凝土中摻入20%的優質粉煤灰。由研究可知，摻用粉煤灰后可產生0.4×10-4～1.0×10-4的膨脹變形，膨脹變形可取0.7×10-4。

(4)降低水膠灰比：將水膠比控制在0.5以下，還可減少一定的干縮，按剩余量的50%計，即為0.85×10-4。

(5)通過上述4項措施，實際的混凝土干縮系數已控制到一定范圍：0.8×10-4。

此外在施工過程中對混凝土塌落度、入模溫度、養護條件等均嚴格控制。地下廣場板面受溫度變化的影響較大，除采用保溫隔熱措施外，在板面還設置防裂鋼絲網，并在結構穩定后涂刷滲透性結晶涂料，該措施能有效地分散裂縫，將每條縫寬控制在0.05 mm以下，滿足防水抗裂作用。

因此，天府廣場站通過下沉廣場結合建筑布局設置10 m環狀變形縫，結構的內力分析在理論上支持地下結構不設變形縫的結論，同時輔以控制施工階段混凝土收縮的措施，能達到良好的防水效果。后期根據審查要求在結構中部垂直276 m長度方向增設一條變形縫，除雙柱對內部空間布置不利外，在使用中給結構防水也帶來一系列問題，變形縫寬度受季節變化的影響也較明顯。

從既有的工程實例看：廣州地鐵1號線車站主體結構一般均未設變形縫，其中廣州地鐵芳村站超過600 m長的車站僅設置一道變形縫，一號線公園前超過400 m長的車站僅靠近聯絡線處設置一道變形縫，后期建成的成都地鐵2號線沙河堡站長度達到540.101 m，未設置伸縮縫，結構及防水效果良好。因此，在富水的砂卵石地層中，成都地鐵技術要求做出如下規定：車站和明挖區間的現澆結構的縱向設縫距離，當采取較為有效地工程措施后，如設置后澆帶、間隔跳槽施工、用膨脹加強帶、采用補償收縮混凝土等，在有效地減少混凝土的溫度應力和收縮應力、確保避免發生有害裂縫后，可不設或少設縫。原則上地下車站主體結構不設變形縫。

[1] 王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].中國建筑工業出版社，1997