大型鋼筋混凝土地下結構不設伸縮縫研究與實踐
——深圳福田綜合交通樞紐取消伸縮縫案例分析

劉卡丁

(深圳市地鐵集團有限公司，廣東 深圳 518026)

大型鋼筋混凝土地下結構不設伸縮縫研究與實踐
——深圳福田綜合交通樞紐取消伸縮縫案例分析

劉卡丁

(深圳市地鐵集團有限公司，廣東 深圳 518026)

深圳福田地下綜合交通樞紐具有超長、超厚、長高比大及施工周期長等特點，建設期間承受較大的溫度收縮應力和干燥收縮應力。若設計伸縮縫，則會因為較多的伸縮縫對建筑外觀、結構安全、防水質量、施工及耐久性產生不利影響。結合理論分析、設計計算等研究該工程不設永久伸縮縫的可行性。同時針對在不設永久伸縮縫的條件下，以控制主體結構不出現有害裂縫為目標，對工程結構形式、抗裂材料、施工要求、現場監測以及裂縫處理預案進行研究，提出了成套的技術方案。經過實踐證明：該工程在按照設計的抗裂結構形式、材料及施工要求等條件下，不設永久伸縮縫可以滿足結構主體的抗裂要求。

深圳福田地下綜合交通樞紐；地下車站；伸縮縫；大體積混凝土；裂縫；抗裂措施；監測；施工連接縫；膨脹加強帶；配筋；抗裂材料

0 引言

在建設具有鮮明時代特征和中國特色的第三代鐵路客運站工作中，鐵路站房的建造技術面臨著前所未有的機遇和挑戰，新型鐵路站房建筑體量超大、形體越來越復雜。由于大型客運站占地面積超大、阻隔城市區域交通聯系，因而部分大型客站開始向地下發展。深圳福田綜合交通樞紐建在新深圳站與香港之間，是專門服務于廣深港高端商務客流的車站，是國內鐵路第1座地下火車站。深埋地下的深圳福田綜合交通樞紐長期浸泡在腐蝕性地下水中，混凝土抗裂防滲是需重點解決的問題。

為防止建筑構件因溫度變化、收縮應力而出現裂縫或破壞，在沿建筑物長度方向相隔一定距離預留垂直縫隙，這種因溫度變化而設置的縫叫做伸縮逢。按設計計算，深圳福田綜合交通樞紐需設置70多條伸縮縫，伸縮縫的設置對建筑外觀、結構安全、防水質量及施工會產生不利影響；同時，伸縮縫大量使用橡膠止水材料，橡膠止水帶存在老化問題，與深圳福田綜合交通樞紐的百年耐久性要求不相符。

從國內外相關規范規程[1-3]及一些重大工程的設計施工[4-7]可以看出，對待建筑結構變形作用引起的裂縫問題，存在2個學派：第1個學派，設計規范定得很靈活，沒有驗算裂縫的明確規定，設計方法留給設計人員自由處理。對伸縮縫和沉降縫的設置，沒有嚴格規定，基本上按經驗設置，有許多工程不留伸縮縫和沉降縫，基本上采取“裂了就堵，堵不住就排(有防排水要求的工程)”的實際處理手法。一些有關的裂縫計算則只作為參考資料而不作為規定。第2個學派，設計規范有明確規定，對于荷載裂縫有計算公式并有嚴格的允許寬度限制。對于變形引起的裂縫沒有計算規定，只要按規范每隔一定距離留一條伸縮縫，荷載差別大時，留沉降縫就認為問題不復存在了，即“留縫就不裂”的設計原則。

采取第1個學派設計原則的有日本、英、美等國家；采取第2個學派設計原則的有前蘇聯、德國、東歐一些國家和我國。文獻[1]對伸縮縫的規定是將結構長度看作控制開裂與否的唯一因素，為避免結構由于溫度收縮應力引起的開裂，采取設置永久性伸縮縫的方法，伸縮縫允許間距為30～55 m，露天條件下為20～35 m。規范的附注中又明確指出：如有充分依據和可靠措施時，上述規定可以增減。

其他有關的規程中還有允許采用“后澆帶”取代伸縮縫的辦法。從防水角度分析，由于近代建筑規模日趨宏大，超長、超寬、超厚結構逐漸增多，永久性的變形縫給工程的防水質量帶來嚴重不利，止水帶滲漏是常見而又難以處理的質量缺陷。所以，后澆帶的應用是一種進步，但并不是在任何條件下都能奏效。

從混凝土材料角度來看：1)德國Springenschmid,Breitenb a cher和Mangold在1994年RILEM會議報告中提出，控制裂縫尤其是微裂縫的措施為低的混凝土拌合物溫度；低的混凝土早期強度發展率；低溫度的水泥；用粉煤灰部分取代水泥；用低熱膨脹系數的骨料；在拌合物中引人約4%體積的氣體；避免摻用硅灰。2)在中國，在吳中偉院士的補償收縮混凝土理論的指導下，我國混凝土膨脹劑開發應用已有20多年歷史，取得了很大成績。補償收縮混凝土能明顯改善混凝土的孔結構和孔級配，提高混凝土抗滲能力，在鋼筋及臨位限制狀態下可使混凝土內部產生0.2～0.7 MPa的預壓應力，具有補償收縮功能[8]。主要應用于鋼筋混凝土結構自防水、防潮，補償大體積混凝土部分溫差應力，適當延長伸縮縫間距等方面。但是，膨脹劑質量的穩定性和應用技術仍存在不足，有待進一步改進；尤其是隨著低水膠比的高性能混凝土的應用，混凝土內部自由水量少，外部養護水又不能穿過致密的水泥石結構進人混凝土內部，膨脹劑補償收縮的作用難以發揮。普通的膨脹劑已不能滿足現代混凝土補償收縮的要求。采用飽水的低密度細骨料(LWA)替代部分砂，以通過提供“內部養護水”來減緩內部相對濕度的降低，從而減小自身收縮。我國也已開展了這方面的研究，但并未在實際工程中獲得廣泛應用，仍存在一些問題急需解決，包括如何控制混凝土的均質性等。3)從提高混凝土本身的極限抗拉強度來說，目前主要采用纖維增強，以降低混凝土表面泌水和骨料沉降，提高混凝土抗拉強度及斷裂韌性，從而有效避免混凝土早期出現開裂、減小開裂面積和裂縫寬度。但是，加入纖維不會從根本上防止裂縫，只是將大裂縫分散成小裂縫，這些不可見的小裂縫仍然會成為有害介質的侵入通道，影響混凝土的長期耐久性；纖維的加入會改變混凝土孔結構，使大孔增加，從而降低混凝土的抗滲性。

由上述可知，鋼筋混凝土結構的抗裂問題是世界性的難題，國內外專家學者為此傾注了大量的心血，但都往往局限于各自專業范疇，沒有從結構設計、材料、施工、監測等方面全方位考慮混凝土結構的抗裂問題，尤其是對大型鐵路客站超長混凝土結構問題，更是缺乏深入的研究。本文主要針對深圳福田地下綜合交通樞紐的特點，研究不設永久伸縮縫的可行性，認為在使用期內不設伸縮縫可以滿足使用要求；并且在不設永久伸縮縫的條件下，以控制主體結構不出現有害裂縫為目標，對結構形式、抗裂材料、施工要求、現場監測以及裂縫處理預案進行詳細研究。

1 工程概況

深圳市福田綜合交通樞紐工程包括客運專線、城際軌道交通、城市軌道交通(地鐵1，2，3，4，11號線)、常規公交、小汽車及出租車等多種交通方式。如何合理地布局各種交通設施，組織乘客合理、有序、便捷地換乘，是福田綜合交通樞紐工程需要解決的主要問題。西邊為地鐵2，3，11號線和南北配套工程，長約360 m，寬約160 m，局部地下1層、地下2層、地下3層，“無伸縮縫結構”總建筑面積達12萬m2。廣深港福田站為廣深港客運專線上的一座中間站，位于深圳市福田區深南大道與益田路地下交叉口，即深圳市民廣場西側。車站為全地下車站，共設4個站臺。車站主體擬采用蓋挖法與明挖法相結合的施工方法。福田站長約1 025 m，寬約81.26 m，“無伸縮縫結構”總建筑面積達14萬m2；底板埋深31 m，地下3層箱形框架結構，框架縱向跨度12 m，橫向最大跨度19.26 m。地下車站長期浸泡在具有腐蝕性的地下水中，混凝土抗裂防滲是需重點解決的問題。深圳福田地下綜合交通樞紐總平面如圖1所示。

圖1 深圳福田地下綜合交通樞紐總平面

2 取消永久伸縮縫的依據

針對深圳福田綜合交通樞紐伸縮縫的設置進行如下分析和計算。

2.1 計算參數的確定

2.1.1 深圳福田地下綜合交通樞紐參數

深圳福田地下綜合交通樞紐分2部分，廣深港福田站外包尺寸為長1 025 m，寬81.26 m，底板埋深32 m，底板厚1.4 m，混凝土強度等級C40。

最大底板長高比為底板長度/底板厚度=732，墻體長高比為墻體長度/墻體高度=32.0。

2.1.2 深圳氣候條件

深圳地處北回歸線以南，屬亞熱帶海洋性氣候，氣候溫和，雨量充沛，日照時間長。夏無酷暑，時間長達6個月。春秋冬3季氣候溫暖，無寒冷之憂。年平均氣溫為22.3 ℃，最高氣溫為36.6 ℃，最低氣溫為1.4 ℃。

2.1.3 水泥水化所導致的溫差

Tmax=WQ/(γC)。

(1)

式中：W為混凝土單方水泥用量，混凝土水泥用量按400 kg/m3計算；Q為水泥水化熱，42.5普通硅酸鹽水泥水化熱取350 kJ/kg；γ為混凝土表觀密度，取2 400 kg/m3；C為混凝土比熱，取0.96 kJ/(kg·℃)。

2.1.4 混凝土干燥收縮率

混凝土干燥收縮率=3.24×10-4m1m2m3m4m5m6m7。

(2)

式中：m1為相對濕度系數；m2為尺寸影響系數；m3為養護方法系數；m4為礦物摻和料摻量影響系數；m5為混凝土強度等級影響系數；m6為化學外加劑影響系數；m7為配筋率影響系數。

2.1.5 混凝土收縮當量溫差

T2=Sd/α。

(3)

式中:Sd為混凝土干燥收縮率，%；α為混凝土線膨脹系數，為1.0×10-5/℃。

2.1.6 極限延伸率

混凝土的極限延伸率

Sk=0.5Rf×(1+μ/d)×(1+0.5)×10-4。

(4)

式中：Sk為混凝土極限延伸率；Rf為混凝土的抗拉強度，MPa；μ為配筋率，×100；d為鋼筋直徑，cm。

2.1.7 混凝土彈性模量

C40混凝土彈性模量E=3×104MPa。

2.1.8 混凝土抗拉強度

按GB 50010《混凝土結構設計規范》提供公式：

ftk=1.134 3 ln (fcu,k)-1.827 5。

(5)

式中：ftk為混凝土抗拉強度，MPa；fcu,k為混凝土抗壓強度，MPa。

2.2 取消永久伸縮縫的計算

深圳福田地下綜合交通樞紐頂板深埋地下3 m，底板最深處達32 m，使用期車站內使用空調，主體結構溫、濕度基本恒定。根據深圳市的氣候條件，福田站主體結構與環境溫度變化在20 ℃以內，濕度變化也較小。結構混凝土施工完畢到車站交付使用按1年計算，此期間混凝土收縮已完成，使用期內可不考慮混凝土收縮應力的影響，僅對溫度應力進行計算。

由最大應力

(6)

考慮到混凝土引起的應力松弛作用，結構承受的應力

(7)

式中H(t,τ)為混凝土徐變松弛系數，一般為0.3～0.5。

σ=-EαTH(t,τ)。

(8)

考慮到福田樞紐結構頂板埋深地下3 m，土中溫、濕度變化緩慢，取應力松弛系數H(t,τ)=0.3，混凝土彈性模量E取3×104MPa，結構溫差取極限溫差20 ℃，福田站結構承受的應力

σ=-EαTH(t,τ)=1.8 MPa。

由有效補償混凝土收縮應力的研究可知：摻有膨脹劑的混凝土14 d產生1.2 MPa的膨脹壓應力；在180 d以后，混凝土仍然處于受壓狀態，內部殘存約0.5 MPa的膨脹自應力，內部殘存膨脹壓應力，可以補償部分溫差導致的溫度拉應力。膨脹劑對多元復合膠凝材料混凝土收縮應力的影響如圖2所示。

圖2 膨脹劑對多元復合膠凝材料混凝土收縮應力的影響Fig.2 Influence of expansion agent on contraction stress of concrete with multiple-element composite cementing materials

實際使用期福田站由于溫度變化所承受的收縮應力

σ=1.8-0.5=1.3 MPa。

C40混凝土的1年抗壓拉強度不低于50 MPa，混凝土抗拉強度按GB 50010《混凝土結構設計規范》提供的公式ftk= 1.134 3 ln(fcu,k)-1.827 5進行計算，可得ftk=2.61 MPa。

K=ftk/σ=2>1.15。

通過計算可知，福田站主體結構承受的溫度應力小于混凝土抗拉強度，結構不會因為溫差導致的溫度應力開裂，使用期內不設伸縮縫可以滿足使用要求。

3 深圳福田地下綜合交通樞紐抗裂措施

深圳福田地下綜合交通樞紐結構體系如圖3所示。

3.1 抗裂結構形式設計

3.1.1 施工連接縫設計

由2.1可知，收縮應力隨著建筑物長高比L/H的降低而顯著下降，遵循“放”的原則。在深圳福田地下綜合交通樞紐主體結構施工過程中設置后澆帶、施工縫、膨脹加強帶等施工連接縫，把超大超長結構分成若干個低長高比的區段，這些連接縫一方面是施工工藝的需要，另一方面又可有效地釋放收縮應力，待早期劇烈的水化溫度應力和收縮應力釋放后，把這許多段澆成整體，實現控制裂縫的目的。

圖3 深圳福田地下綜合交通樞紐結構體系Fig.3 Structure system of Futian underground comprehensive transportation hub in Shenzhen

3.1.1.1 施工連接縫的間距計算

施工連接縫間距可按式(9)進行計算，即結構物的長度

(9)

采用表1所示的高效減水劑與傳統礦物外加劑組成的多元復合膠凝材料、高性能膨脹劑、抗裂纖維等抗裂材料，可降低混凝土溫度應力、干縮應力，提供膨脹應力，提高混凝土極限延伸率εp。

表1 抗裂材料及作用Table 1 Anti-cracking materials and their effects

以抗裂材料為基礎的墻體施工連接縫間距計算如下。

1)水化溫差T1。Tmax=400×350/(2 400×0.96)=60 ℃。

通過合理調配膠凝材料組分，可有效降低水化溫差T120%以上。由此，T1=60 ℃×0.8=48 ℃。

2)混凝土收縮當量溫差T2。取混凝土干縮率影響系數m1=1.0，m2=0.9，m3=1.0，m5=1.15，m6=1.2，m7=0.6，可得出混凝土干縮率Sd=2.4×10-4。多元礦物外加劑復合使用可使混凝土收縮應力減少20%以上。由此，T2=Sd/α=24 ℃×0.8=19.2 ℃。

3)引入的膨脹當量溫差T3。 引入的限制膨脹率ε2=0.03%，試件與工程構件的差異折算系數取50%。由此，T3=ε2/α×0.5=15 ℃。

4)混凝土綜合溫差T。T=T1+T2-T3=48+19.2-15=52.2 ℃。

5)極限延伸率εp。考慮混凝土緩慢的升溫、降溫過程及纖維的作用，混凝土極限延伸率提高50%。由此，εp=1.5×(1+0.5)×10-4=2.25×10-4。

6)其他參數。Cx=1.5 N/mm3，E=3×104MPa，H=31 000 mm。

選取60 m作為施工連接縫間距。

3.1.1.2 施工連接縫的留置時間確定

為有效控制混凝土溫度收縮應力和干燥收縮應力、補償混凝土收縮、分散收縮應力，進行傳統水泥混凝土體系與本文提出的低熱微膨脹體系的水化熱、收縮率、膨脹率的試驗研究。試驗結果如表2，圖4和圖5所示。

表2 混凝土早期收縮數據Table 2 Rate of early contraction of concrete

圖4 低熱微膨脹混凝土的水化熱變化曲線Fig.4 Curves of variation of hydration heat of low-heat micro-expansion concrete

由表2可知：C30～C40現代混凝土具有早期收縮大的特點，14 d已完成總收縮的50%以上，施工連接縫留置14～28 d可釋放早期的收縮應力。

由圖4可知：采用低熱微膨脹體系的水化熱，無論是水化熱峰值還是升溫降溫速度均明顯低于傳統水泥混凝土，在10 d內混凝土水化熱與環境溫度接近，表明水化熱得以釋放。

圖5 礦物外加劑種類、養護時間與混凝土膨脹率的關系Fig.5 Relationship among mineral additives,curing time and expansion rate of concrete

由圖5可知：低熱微膨脹體系的混凝土膨脹穩定期均在7～14 d，在此期間已完成應有0.03%～0.07%的有益膨脹，可有效地補償混凝土收縮應力和溫度收縮應力。

綜合以上結果，可以確定施工連接縫的留置時間應根據施工需要確定，但不得早于14 d。

3.1.1.3 施工連接縫形式選擇

施工連接縫一般有以下3種形式。

1)后澆帶。①間距及位置：沿基礎長度每隔 50～60 m 留置貫通頂板、底板及墻板的后澆帶，后澆帶宜設置在柱距 3 等分的中間范圍內。②構造：后澆帶寬與墻、板厚度有關，寬度不小于800 mm。對底板厚度超過1 m以上的，可根據后澆帶處的接槎形式、鋼筋搭接、施工難易程度等靈活掌握。當施工較困難時，后澆帶寬度可適當增加。當墻、板厚度<30 cm時，斷面可做成平直縫；當厚度為30～60 cm時，可做成階梯形或上下對稱坡口形；當墻、板厚度>60 mm時，可做成企口縫，后澆帶兩側設置埋入式止水帶或止水條。帶有沉降性質的后澆帶鋼筋應貫通；收縮后澆帶鋼筋斷開為好；梁板結構的板筋斷開，梁筋貫通，斷開的主筋搭接長度應大于45 倍主筋直徑。后澆帶混凝土的設計強度等級比兩側混凝土提高一個強度等級，限制膨脹率提高0.01%。后澆帶混凝土的養護時間不得少于28 d。③留置時間：GB 50108—2001《地下工程防水技術規范》要求后澆帶應在其兩側混凝土齡期達到 42 d 后施工，考慮到深圳福田綜合交通樞紐主體結構的抗裂材料措施，后澆帶留置時間不少于28 d，底板、頂板大體積混凝土需待兩側混凝土中心溫度降至環境溫度時再澆筑。

2)膨脹加強帶。①間距及位置：間距為20～40 m，應留置在柱距中間范圍內。②構造：寬為2～3 m，在加強帶的兩側用密孔鐵絲網將帶內混凝土與帶外混凝土分開。膨脹加強帶分為連續式、間歇式與后澆式3種形式(見圖6)。連續式膨脹加強帶為平直縫，施工過程與兩側混凝土同時澆筑；間歇式一側為階梯式，一側為平直縫，平直縫與下段混凝土同時澆筑；后澆式膨脹加強帶兩側為階梯縫，類似于后澆帶的后澆方式。為達到防水要求，間歇式膨脹加強帶單側階梯縫、后澆式兩側階梯縫設置埋入式止水帶或止水條。膨脹加強帶內鋼筋不斷，增設10%抗裂鋼筋，附加筋直徑不大于10 mm。 膨脹加強帶內混凝土的設計強度等級比兩側混凝土提高一個強度等級，限制膨脹率提高0.01%。③留置時間：根據施工需要確定，但不得早于14 d。④連續澆筑長度及構造形式：參照表3確定所設膨脹加強帶的條數、構造形式和澆筑方式。

(a) 連續式

(b) 間歇式

(c) 后澆式

表3 連續澆筑的結構長度及構造形式Table 3 Lengths and types of continuously-cast structures

3)跳倉法。以50～60 m為連續施工區段，混凝土澆筑完畢后間隔60 m進行下一個區段的施工。跳倉間隔時間滿足釋放溫度應力、收縮應力的要求，跳倉接縫處按施工縫的要求設置和處理。跳倉間距小于60 m，跳倉間隔時間不得早于14 d，跳倉接縫處構造與施工縫的要求相同。

以上3種連接縫形式的特點如表4所示。

通常會綜合考慮釋放溫度、收縮應力的效果、抵抗溫度、收縮的能力以及施工進度、施工場地等條件，選取膨脹加強帶做法。本工程采用一般抗裂鋼筋混凝土的施工方法，如減少水泥用量、增加優質粉煤灰、降低坍落度和入模溫度、加強水霧養護。最大限度地減少資源濫用，簡化施工工藝，把“復雜問題簡單化，簡單問題精細化”，所有的“工藝”必須是理論可行、措施可靠、操作簡單。

表4 施工連接縫形式的比較Table 4 Comparison and contrast among different construction joints

3.1.2 配筋設計

3.1.2.1 配筋量和位置

深圳福田地下綜合交通樞紐超大地下淺埋結構配筋采用全截面雙層、雙向布筋方式。配筋率根據結構受力確定，為加強和利用約束膨脹，配筋率應有所提高?？紤]到不同結構部位承受的收縮應力不同，深圳福田地下綜合交通樞紐超大地下淺埋結構最小配筋率按表5執行。在同樣含鋼量下，采用細而密的配筋更有利于提高混凝土極限延伸率，建立膨脹壓應力，尤其是易裂的墻體、頂板，水平鋼筋間距宜在100～150 mm。

表5 不同結構部位的最小配筋率Table 5 Minimum steel bar ratios at different structural positions

注：底板鋼筋間距取表中高限，頂板可取中間值，墻體建議取低限；配筋率可按結構受力要求確定，只要不低于表中要求即可。

配筋位置按結構受力要求決定。抵抗溫度收縮的鋼筋可利用結構原有的鋼筋貫通布置，也可按照“細、密”的原則另外設置構造鋼筋網，并與原有鋼筋按受拉鋼筋的要求搭接。

3.1.2.2 溫度收縮、干縮應力集中部位增設附加抗裂鋼筋

對于抗裂而言，重要的是通過適當的配筋率和配筋方式，提高混凝土極限延伸率，發揮混凝土的膨脹能力，所以在一些薄弱部位增設一些附加鋼筋，能夠發揮混凝土的補償收縮效果，提高抵御有害裂縫的能力。附加抗裂鋼筋的技術要求如下：

1)墻體垂直裂縫多出現在墻體的中部，這是由于墻體受到底板鋼筋約束產生應力集中。墻體高度的水平中線上下500 mm范圍內增設附加抗裂鋼筋，水平筋的間距不大于100 mm。

2)梁兩側腰筋的間距不大于200 mm。

3)膨脹加強帶、后澆帶是溫差、干縮收縮應力集中的位置，在垂直于膨脹加強帶方向增設附加鋼筋，其附加筋直徑不大于10 mm，長度為“帶寬+1 000 mm”。

4)墻體與柱子連接部位容易出現垂直裂縫，這是由于墻與柱的配筋率相差較大，外形尺寸相差也較大，導致溫度應力、收縮應力不一致而產生裂縫。墻柱、墻墻相交部位增設直徑8～10 mm的水平鋼筋，長1 500 mm，插入柱及相臨墻內部分不小于150 mm，其余部分插入墻內，增加量為原同向鋼筋配筋率的10%～15%。

5)與周圍梁、柱、墻等構件整體澆筑且受約束較強的樓板增設溫度鋼筋。

6)在結構開口的出入口位置、結構截面變化處、構造復雜的突出部位、樓板預留孔洞、標高不同的相鄰構件連接處等提高鋼筋配置水平。

3.2 抗裂材料設計

針對深圳福田地下綜合交通樞紐建設期主體結構所承受的溫度應力、收縮應力，推薦使用新型化學外加劑、傳統礦物外加劑、新型膨脹劑以及先進的抗裂纖維配制高性能抗裂混凝土，在不同階段通過物理化學方法實現減少溫度應力、降低收縮應力、提供有益的膨脹應力、分散收縮應力的目的。抗裂材料的種類、摻量、作用及依據標準如表6所示。

表6 抗裂材料推薦表Table 6 Proposed anti-cracking materials

3.2.1 抗裂材料的技術指標

3.2.1.1 高效減水劑技術條件

1)高效減水劑采用聚羧酸高效減水劑。

2)滿足GB 8076—1997《混凝土外加劑》和科技基[2005]101號《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》的要求，詳見表7。

3.2.1.2 礦物外加劑技術條件

1)粉煤灰。Ⅱ級以上，符合GB 1596—2005 《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》技術條件。粉煤灰技術指標詳見表8。摻量為膠凝材料總量的15%～40%。

2)磨細礦渣粉。S95級，符合GB/T《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉的技術要求》，詳見表9。摻量不低于膠凝材料總量的15%～50%。

3.2.1.3 膨脹劑的技術要求

1)混凝土膨脹劑品種為硫鋁酸鈣類膨脹劑。

2)混凝土膨脹劑關鍵技術指標見表10?；炷僚蛎泟┢渌笜藵M足JC 476—2001《混凝土膨脹劑》。

3.2.1.4 抗裂纖維的技術要求

1)抗裂纖維品種為纖維素纖維。

2)抗裂纖維關鍵技術指標最低要求見表11。

表7高效減水劑技術指標
Table 7 Technical standards of high-performance water-reducing agent

項目指標備注水泥凈漿流動度/mm≥240硫酸鈉含量/%≤100氯離子含量/%≤02堿含量(Na2O+0658K2O)/%≤100減水率/%≥20含氣量/%≥30用于配制非抗凍混凝土時≥45用于配制抗凍混凝土時坍落度保留值/mm30min ≥180 用于泵送混凝土時60min ≥150 用于泵送混凝土時常壓泌水率比/%≤20壓力泌水率比/%≤90用于泵送混凝土時抗壓強度比/%3d ≥1307d ≥12528d ≥120對鋼筋銹蝕作用無銹蝕收縮率比/%≤135相對耐久性指標/%，200次≥80

表8 粉煤灰技術指標Table 8 Technical standards of flyash %

表9 磨細礦渣粉技術指標Table 9 Technical standards of slag

表10 混凝土膨脹劑關鍵技術指標Table 10 Key technical standards of expansion agent

表11 抗裂纖維技術指標Table 11 Technical standards of anti-cracking fibre

3.2.2 混凝土的要求

3.2.2.1 混凝土基本要求

混凝土的配合比必須滿足設計所需要的強度、膨脹性能、抗滲性、耐久性、技術指標和施工工作性要求?；炷僚浜媳仍O計除應符合現行國家行業標準JGJ 55《普通混凝土配合比設計規程》外，尚應符合下列規定：

1)水膠比不宜大于0.45。

2)拌合水用量不宜大于170 kg/m3。

3)高效減水劑品種為聚羧酸高效減水劑。

4)礦物外加劑的品種為雙摻粉煤灰和礦渣粉。

5)砂率宜為38%～45%。

6)混凝土拌合物到澆筑工作面的坍落度不高于100～120 mm。

3.2.2.2 大體積混凝土的技術要求

1)強度評定及設計的依據。采用混凝土60 d或90 d的后期強度作為混凝土強度評定、工程交工驗收及混凝土設計的依據。

2)緩凝劑的摻加。摻加緩凝劑，延緩水泥水化，降低放熱峰值，避免在混凝土澆筑早期出現過高溫度。

3)嚴格控制混凝土出機溫度，混凝土澆筑溫度低于35 ℃。為降低混凝土出機溫度，在氣溫較高時，砂、石場堆設置遮陽棚，必要時噴水降溫。

4)礦物外加劑的品種、摻量。雙摻粉煤灰和礦渣粉，粉煤灰摻量不宜超過水泥用量的40%；礦渣粉的摻量不宜超過水泥用量的50%；2種摻合料的總量不宜大于混凝土中水泥用量的50%。根據大體積混凝土在入模溫度基礎上的絕熱溫升最大值不超過45 ℃的技術條件和耐久性要求確定摻量。

5)大體積混凝土溫控指標。在入模溫度基礎上的絕熱溫升最大值不超過45 ℃；里表溫差不超過30 ℃；降溫速率不超過2.0 ℃/d。

6)大體積混凝土的養護。宜采取自動定時噴霧保溫保濕養護方法，養護方法應符合下列規定：專人負責保溫養護工作，做好測試記錄；保溫養護措施應使混凝土澆筑體的里表溫差及降溫速率滿足溫控指標的要求；保濕養護的持續時間，不得少于14 d。保溫覆蓋層的拆除應分層逐步進行，當混凝土的表面溫度與環境溫差小于30 ℃時，可全部拆除。保濕養護過程中，應經常檢查塑料薄膜或養護劑的完整情況，保持混凝土表面濕潤。

3.2.2.3 補償收縮混凝土的技術要求

1)限制膨脹率要求。由于不同結構部位的約束程度和收縮應力不同，養護條件的差別會影響混凝土限制膨脹率的發揮，不同結構部位的混凝土限制膨脹率如表12所示。

2)膨脹劑摻量要求。膨脹劑采用內摻法摻入，摻量為膠凝材料總量的8%～12%，按照表12的技術指標，依據GB 50119混凝土限制膨脹率的試驗方法，確定膨脹劑的摻量。

3)養護。補償收縮混凝土養護期不少于14 d，養護期內混凝土應保持潮濕狀態。板式構件采取保溫保濕養護方法；墻體澆筑完成后，可在頂端設多孔淋水管，以保持頂面供水及墻體兩側較大濕度。

表12 補償收縮混凝土技術指標Table 12 Technical standards of compensation contraction concrete

3.2.2.4 纖維混凝土的技術要求

1)抗裂指數。纖維混凝土抗裂指數要求見表13。

2)摻量要求。纖維素纖維的摻量為0.9～1.2 kg/m3，按照纖維混凝土技術要求抗裂指數≥85%的要求，采用美國材料協會ASTM 1579中推薦的混凝土早期抗裂性試驗設計和評價方法，確定纖維素纖維的準確摻量。

3.2.2.5 鋼管混凝土的技術要求

為保證混凝土與鋼管協同工作，提高鋼管混凝土的承載力，鋼管混凝土采用微膨脹混凝土。

1)膨脹劑要求。①絕濕膨脹：由于鋼管混凝土無法實現水中或潮濕養護，要求膨脹劑具有絕濕膨脹的特點。②膨脹速度：C60混凝土早期強度發展快，普通膨脹劑的膨脹性能與C60混凝土強度發展不協調，很難產生應有的膨脹，要求膨脹劑的膨脹速度要快，實現膨脹與強度的協調發展。③膨脹能：C60混凝土的水膠比低，自收縮、干燥收縮較大，需要高膨脹能的膨脹劑補償其自收縮、干燥收縮，尤其是早期的膨脹率要高。

2)限制膨脹率要求。鋼管混凝土的膨脹率見表13。

表13 鋼管混凝土技術指標Table 13 Technical standards of tubular concrete

3)膨脹劑摻量。膨脹劑采用內摻法摻入，摻量為膠凝材料總量的8%～10%，按照表13的技術指標，依據GB 50119混凝土限制膨脹率的實驗方法，確定膨脹劑的摻量。

4)試驗方法。①水中限制膨脹率、限制干縮率試驗室方法：按照GB 50119《混凝土外加劑應用技術規程》規定的試驗方法進行。②絕濕膨脹率試驗室方法：參照GB 50119《混凝土外加劑應用技術規程》規定的試驗方法，限制膨脹率的混凝土試件脫模測量初長后，立刻用食品保鮮膜嚴密包裹試件，將試件置于((20±3)℃溫度、(60±5)%濕度)干空試驗室內，測量7 d及14 d的限制絕濕膨脹率。③工地模擬法：按照實際混凝土配合比澆筑鋼管混凝土，7，14，28，42 d觀測混凝土與鋼管的緊密結合程度。簡單的方法是用敲擊法，檢查混凝土是否與鋼管脫開。

3.3 施工組織設計

針對深圳福田地下綜合交通樞紐抗裂施工進行專項施工組織設計，主要內容如下。

1)混凝土澆筑體溫度應力和收縮應力的計算。

2)明確施工區段劃分、施工連接縫構造、留置位置、時間等主要抗裂構造措施，落實大體積混凝土、補償收縮混凝土、纖維混凝土、鋼管混凝土等關鍵技術指標的實施。

3)原材料優選、供應計劃和配合比設計。

4)混凝土主要施工設備和現場總平面布置。

5)現場監測設備和測試布置圖。

6)混凝土澆筑程序和施工進度計劃。

7)混凝土保溫和保濕養護方法、措施及養護時間。

8)主要應急保障措施。

9)特殊部位和特殊氣侯條件下的施工措施。

3.4 現場動態反饋設計

大體積混凝土采用無線測溫系統，定時監測不同部位各測溫點溫度，建立溫度收縮應力預警系統。系統真實反應混凝土澆筑塊體升降溫、內外溫差、降溫速度及環境溫度，反饋施工現場信息，測溫報警溫差設置為30 ℃，隨時提醒現場采取有效措施，控制溫差及降溫速度，為施工過程中及時準確采取溫控對策提供科學依據，對保證混凝土的后期質量和控制混凝土裂縫有重要的意義。

3.4.1 測點布置

由于深圳福田地下綜合交通樞紐基礎底板的長度和寬度均遠大于厚度，所以從邊緣和角點向內進去2倍厚度以上的區域的散熱條件較為固定，主要是靠上表面的輻射、對流和基底傳導方式散熱，因此有著極其相近的溫度場分布；而邊緣和角點區域由于散熱途徑的增多，可能是3面甚至4面散熱，溫度場分布趨于復雜。根據這一特點，并考慮底板的對稱性，以每個施工段對稱軸線的半條軸線為測試區，按“T”字形沿平面將測點布置成“內疏外密”的形式。

深圳福田地下綜合交通樞紐連續施工的間距一般不超過48 m，測點布置示意圖如圖7所示。厚度為1 400 mm的底板每組設3個測點，沿板厚方向各安裝3個溫度傳感器，距底板上表面分別為50，1 200，1 350 mm；厚度為1 000 mm的頂板每組設3個測點，沿板厚方向各安裝3個溫度傳感器，距底板上表面分別為50，500，950 mm；局部超厚底板每組設5個測點，底板上表面50 mm、底板厚度的1/4、底板厚度的1/2、底板厚度的3/4、距底板下表面50 mm各安裝1個溫度傳感器。

圖7 連續施工段的溫度監控測點布置圖(單位：mm)Fig.7 Layout of temperature monitoring points in continuously-cast section(mm)

在測組A，E，F處距離混凝土表面1.5 m各設置1個環境溫度測溫點測量大氣溫度，氣溫取讀數的平均數。在混凝土泵出料口設置1個溫度傳感器，測量混凝土入模溫度。

3.4.2 大體積混凝土溫度數據采集要求

在混凝土澆筑后的前7 d，每隔30 min測量并記錄各點溫度數據一次；8～14 d，每隔1 h測量并記錄各點溫度數據一次；15～30 d，每隔2 h自動測量并記錄各點溫度數據一次；將同一測試位置的相鄰測點間同一時刻的溫度差絕對值定義為溫差，監測報警溫差設置為30 ℃。

3.4.3 大體積混凝土溫控指標

1)大體積混凝土在入模溫度基礎上的絕熱溫升值最大值不超過45 ℃。

2)大體積混凝土的里表溫差不超過30 ℃。

3)大體積混凝土的降溫速率不超過2.0 ℃/d。

3.4.4 溫度傳感器的選擇

1)測溫元件的測溫誤差應不大于0.5 ℃(25 ℃環境下)。

2)測試范圍為-30～150 ℃。

3)絕緣電阻大于500 MΩ。

3.4.5 應變測試元件的選擇

1)測試誤差應不大于1.0 με。

2)測試范圍為-1 000～1 000 με。

3)絕緣電阻大于500 MΩ。

3.4.6 溫度和應變測試元件的安裝及保護

1)測試元件安裝前，必須在水下1 m處經過浸泡24 h不損壞。

2)測試元件接頭安裝位置應準確，固定牢固，并與結構鋼筋及固定架金屬體絕熱。

3)測試元件的引出線宜集中布置，并加以保護。

4)測試元件周圍應進行保護，混凝土澆筑過程中，下料時不得直接沖擊測試測溫元件及其引出線；振搗時，振搗器不得觸及測溫元件及引出線。

3.5 裂縫處理預案

裂縫對混凝土結構安全性會產生直接的危害，作為深圳福田綜合交通樞紐裂滲控制技術的一個重要內容就是對裂縫要有科學合理的處理預案。

依據深圳福田綜合交通樞紐的耐久性、安全性以及使用功能的要求，以及福田站長期浸泡在腐蝕性的地下水中的具體情況，根據裂縫的性質、裂縫的最大寬度，提出相應的處理工藝及材料，詳見表14。

表14 裂縫處理預案Table 14 Countermeasures for cracks

注：滲水裂縫不論寬度，采用高壓化學灌漿處理，實現防水補強。

4 采用抗放技術條件下的施工期抗裂計算

采取表15所示的抗放措施，在施工期間縫釋放了結構溫度應力、收縮應力，降低了混凝土溫度應力、干縮應力；引入了有益膨脹變形，提高了混凝土極限延伸率。為判斷深圳福田綜合交通樞紐超大地下淺埋結構在建設期是否會產生裂縫，針對福田站底板、墻體進行了計算。

4.1 底板

4.1.1 水化溫差

Tmax=400×350/(2 400×0.96)=60 ℃。

施工連接縫釋放大體積底板混凝土的水化熱40%以上。

表15深圳福田綜合交通樞紐主要抗放措施
Table 15 Main stress-releasing and stress-resisting countermeasures for Futian underground comprehensive transportation hub in Shenzhen

技術路線措施作用放設置施工連接縫分段施工 釋放溫度應力40%～80%；釋放收縮應力30%～50%抗細密配筋+抗裂構造鋼筋提高混凝土極限延伸率多元復合膠凝材料 減少溫度應力20%～40%；減少收縮應力20%～50%膨脹劑 硬化期提供限制膨脹率003%～005%抗裂纖維 “次要加強筋”的分散應力作用

從混凝土溫度收縮應力的研究結果可知，通過合理調配膠凝材料組分，實現降低水化熱和混凝土水化熱溫升，可有效降低水化溫差T120%以上。

T1=60 ℃×0.6×0.8=28.8 ℃。

4.1.2 混凝土收縮當量溫差T2

施工連接縫可釋放混凝土收縮總量的30%，而采取多元礦物外加劑復合使用，混凝土收縮應力可減少20%以上，由此，T2=11 ℃×0.7×0.8=6.2 ℃。

4.1.3 膨脹當量溫差T3

引入的限制膨脹率ε2=0.03%，考慮到試件與工程構件的差異，折算系數取50%，T3=15 ℃。

4.1.4 混凝土綜合溫差T

T=T1+T2-T3=28.8+6.2-15=20 ℃。

4.1.5 極限延伸率εp

混凝土溫度收縮應力研究表明，多元膠凝材料使混凝土升溫、降溫速度明顯呈緩慢趨勢，考慮到混凝土較長時間的升溫、降溫特征、抗裂纖維“次要加強筋”的分散應力作用，混凝土極限延伸率偏于安全按提高50%計算，即

εp=1.5×10-4×1.5=2.25×10-4。

4.1.6 伸縮縫間距

當|αT|<εp時，表明底板混凝土收縮應力小于混凝土抗拉強度，混凝土不會開裂，底板可以取消永久伸縮縫。

4.2 墻體

4.2.1 水化溫差

Tmax=400×350/(2 400×0.96)=60 ℃。

墻體表面大，施工連接縫可釋放墻體混凝土的水化熱60%以上；通過合理調配膠凝材料組分，可有效降低水化溫差T120%以上。由此，T1=60 ℃×0.4×0.8=19.2 ℃。

4.2.2 混凝土收縮當量溫差T2

施工連接縫可釋放混凝土收縮總量的30%，而采取多元礦物外加劑復合使用，混凝土收縮應力可減少20%以上。由此，T2=24 ℃×0.7×0.8=13.4 ℃。

4.2.3 膨脹當量溫差

引入的限制膨脹率ε2=0.03%，試件與工程構件的差異折算系數取50%。由此，T3=15 ℃。

4.2.4 混凝土綜合溫差

T=T1+T2-T3=19.2+13.4-15=17.6 ℃。

4.2.5 極限延伸率εp

考慮混凝土緩慢的升溫、降溫過程及纖維的作用，混凝土極限延伸率為εp=2.25×10-4。

4.2.6 其他參數

Cx=1.5 N/mm3，E=3×104MPa，H=31 000 mm。

4.2.7 伸縮縫間距

|αT|<εp，墻體混凝土不會開裂，取消伸縮縫。

采用結構釋放、材料抵抗的抗放兼施技術路線，使收縮應力小于混凝土的抗拉強度，可取消建設期的伸縮縫。

5 結論與建議

通過對大型客站超長混凝土結構防裂技術的研究，結合深圳福田地下綜合交通樞紐的氣候條件、使用環境等具體情況，通過計算溫度應力對鋼筋混凝土的影響，得出深圳福田地下綜合交通樞紐不設永久伸縮縫能滿足客站使用期的抗裂要求。

針對深圳福田綜合交通樞紐具有超長、超厚、長高比大及施工周期長的特點，在不設永久伸縮縫的條件下，以控制主體結構在施工期不出現有害裂縫為目標，對抗裂結構形式、抗裂材料設計、施工要求、現場監測以及裂縫處理預案提出如表16所示的成套技術方案。

通過初步理論分析和實踐證明，采用抗放兼施技術路線，深圳福田綜合交通樞紐超大鋼筋混凝土結構不設變形縫，其主體結構建設期收縮應力和全壽命周期內的溫度應力小于鋼筋混凝土的抗拉強度，滿足結構主體的抗裂要求，經過3年多的使用，證明“大型鋼筋混凝土地下結構不設永久伸縮縫”是安全的。

表16 深圳福田綜合交通樞紐成套技術方案Table 16 Anti-cracking technologies adopted for Futian underground comprehensive transportation hub in Shenzhen

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50010—2010 混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑科學研究院，2011.(Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People’s Republic of China.GB 50010—2010 Code for design of concrete structure[S].Beijing: China Academy of Building Research,2011.(in Chinese))

[2]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社,1998.(WANG Tiemeng.Engineering structure crack control[M].Beijing: China Architecture & Building Press,1998.(in Chinese))

[3]黃國興,惠榮炎.混凝土的收縮[M].北京：中國鐵道出版社,1990.(HUANG Guoxing,HUI Rongyan.Contraction of concrete[M].Beijing: China Railway Publishing House,1990.(in Chinese))

[4]龔劍,李宏偉.大體積混凝土施工中的裂縫控制[J].施工技術，2012(6): 8-14.(GONG Jian，LI Hongwei.Crack control of mass concrete construction[J].Construction Technology，2012(6): 8-14.(in Chinese))

[5]侯雁南.大體積混凝土裂縫控制及處理措施研究[D].濟南：山東大學土建與水利學院,2007.(HOU Yannan.Study on control and countermeasures of mass concrete crack[D].Ji’nan: Civil Engineering and Hydraulics School,Shandong University,2007.(in Chinese))

[6]路璐,李興貴.大體積混凝土裂縫控制的研究與進展[J].水利與建筑工程學報,2012(1)：146-150.(LU Lu,LI Xinggui.Research and progress of control for mass concrete temperature crack[J].Journal of Water Resources and Architectural Engineering，2012(1)：146-150.(in Chinese))

[7]劉楊.大體積混凝土裂縫控制技術研究[D].成都：西南石油大學土木工程學院,2011.(LIU Yang.Study on control technologies for mass concrete crack[D].Chengdu: School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,2011.(in Chinese))

[8]吳中偉.補償收縮混凝土[M].北京：中國建筑工業出版社,1979.(WU Zhongwei.Compensation contraction concrete[M].Beijing: China Architecture & Building Press,1979.(in Chinese))

StudyonandExecutionofLarge-scaleUndergroundReinforcedConcreteStructurewithoutExpansionJointsCaseStudyonFutianUndergroundComprehensiveTransportationHub

LIU Kading

(ShenzhenMetroCorporation,Shenzhen518026,Guangdong,China)

Due to the extremely long length,great thickness,large length/height ratio and long construction period,Futian underground comprehensive transportation hub in Shenzhen has to suffer large temperature-induced contraction stress and dry-induced contraction stress during the construction.If expansion joints are installed,the appearance,structural safety,water-proofing quality,construction and durability of the structure will be affected.In this paper,the feasibility that no permanent expansion joints are installed for the project is studied by means of theoretical analysis and design calculation.Furthermore,the structural types,anti-cracking materials,construction requirements,site monitoring and crack countermeasures are studied so as to avoid harmful cracks of the main structure of the project under the condition of no permanent expansion joints.In the end,a serise of technical program is proposed.The construction practice shows that the anti-cracking requirement of the main structure of the project can be met when no permanent expansion joints are installed,provided that the project is constructed according to the designed anti-cracking structural types,materials and construction requirements.

Futian underground comprehensive transportation hub; underground station; expansion joint; mass concrete; crack; anti-cracking technology; monitoring; construction joint; expansion strengthening section; steel bar arrangement; anti-cracking material

2014-07-20

劉卡丁(1957—)，男，重慶人，1982年畢業于西南交通大學，隧道及地下鐵道專業，教授級高級工程師，博士生導師?，F任深圳地鐵集團有限公司首席規劃師，享受國務院特殊津貼專家。主要從事城市軌道交通的規劃、設計、科研與建設管理等工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.001

U 45

A

1672-741X(2014)12-1113-13