隧道鋼筋混凝土消防水池裂縫控制

李佳晏 葉昌凱

摘要：隨著鐵路工程防火設計規范改版和啟用，在長度≥5.0km的鐵路隧道設置消防救援系統，通過在隧道兩端洞口設置高位鋼筋混凝土水池解決隧道消防水源，已成為普遍做法。本文針對山區施工環境和復雜地質條件，結合成昆鐵路擴能改造米攀段隧道消防工程施工實踐，分析了消防水池裂縫形成的原因，并針對原因提出控制裂縫的解決措施。

關鍵詞：消防水池；裂縫；控制舉措

成昆鐵路米易至攀枝花段位于河谷階地、構造剝蝕中高山兩個地貌單元區，沿線不良地質主要有錯落、巖堆、順層、巖溶及高地溫熱害、高地應力等，沿線特殊巖土主要是松軟土、膨脹性巖土及第三系昔格達（N2x）地層。隧道占鐵路線路總長83.75%，容量超過300m3的高位水池共計16座。消防水池要求限制裂縫寬度為ωmax≤0.2mm。

一般情況下，裂縫寬度較小且不影響整個結構的性能、耐久性的情況下是允許的。對于山區地形鐵路隧道消防水池，受特殊地質條件和施工環境限制，較一般民用建筑水池更易出現裂縫，嚴重者危及消防水源有效供給，對鐵路行車和旅客安全構成較大隱患，裂縫控制更為重要。

一、產生裂縫的具體原因

鋼筋混凝土消防水池裂縫產生的原因主要有荷載裂縫、溫差裂縫、不良構造裂縫、施工不當等。

（一）內外荷載

池壁與底板在收縮過程中變形不一致，池壁變形會受底、頂板約束產生拉應力，在拉應力超出其抗拉極限時會產生裂縫。在地質不良的山區施工，結構設計缺陷、施工機械和基坑回填方式不當、施工后地層淺表滑移等外部附加荷載也會造成裂縫。

（二）溫度變化

水化熱溫升和環境之間的溫差本身容易導致在混凝土結構表面形成拉應力，加之攀西高原地區晝夜溫差大，山區野外環境更容易在混凝土內部和表面形成較大的溫度梯度峰值，一旦溫度應力超過混凝土的抗裂力，混凝土就會出現裂縫。

（三）不良構造

消防水池構造不合理會產生裂縫，如池壁薄、構造鋼筋設置不合理；對于攀西大裂谷這樣的河谷階地地貌，如果設計選址正好位于地質淺表滑裂面而未采取相應設計措施，會在結構上形成非正常集中應力，結構變形超過允許值而產生結構開裂。

（四）施工不當

山區鐵路施工條件不利，存在機械就位困難、混凝土長距離運輸等情況，在混凝土攪拌、運輸、支模、澆筑振搗、施工縫留設等過程中，技術措施如果不合理，會產生不同方向的裂縫。

二、從多個方面控制裂縫

下面主要就混凝土材料選擇、施工與養護、結構設計三方面著手，降低混凝土溫升、減小混凝土收縮、改善結構設計，減小外部荷載對結構的影響，從多方面控制裂縫。

（一）材料的選擇

在鋼筋混凝土水池裂縫控制舉措中，首先應對材料進行選擇和控制，具體措施如下：

1、選擇低熱水泥品種

土木工程經常使用的普通硅酸鹽水泥是由一定量的石膏，加硅酸鹽水泥熟料和6%～15%混合材料制成的[1]。這種水泥使用中會產生大量水化熱，引起溫升。而在鋼筋混凝土消防水池材料中，選擇使用低熱礦渣硅酸鹽水泥有利于水池抗裂。

2、降低水泥用量

混凝土中的熱量主要由水泥的水化反應產生，據相關研究顯示，單位水泥用量每增加或減少l0kg，溫度就會相應升高或降低10℃[2]。所以，在水池修建中，適當降低水泥的使用量可以減少溫升，減少裂縫產生。

3、控制水灰比

據相關研究表明，在水泥使用量不發生變化時，用水量增加10%，則混凝土強度會降低20%，其與鋼筋的粘結力也會降低10%左右，干縮會增加20%～30%[3]。所以，在混凝土澆筑中，既要降低水泥用量，又要使其強度不發生變化，需要減小用水量，合理控制水灰比。

4、外加劑選擇

消防水池施工適宜摻加的外加劑是減水劑、緩凝劑。其中減水劑使用的目的是保證混凝土和易性的同時減少用水量，減少蒸發的水分在混凝土中形成的貫通毛細孔與空隙；而緩凝劑可以延長初凝和終凝時間，減小混凝土從攪拌地到澆筑地的長距離運輸坍落度損失，有利于澆筑后的硬化過程中充分發揮混凝土自身強度潛力和材料松弛特性，增加混凝土早期抗裂性能。

（二）施工的研究

在工程施工中，施工水平往往會影響施工效果，特別是要結合工程實際情況，合理采用施工技術。

1、改善混凝土攪拌振搗

改進混凝土的攪拌工藝，如采用二次投料凈漿裹石、適當延長攪拌時間等方法可以減少水分與石子、水泥砂漿的集中程度，提高混凝土工作性能；通過分層、分塊澆筑促進水化熱散失。同時，澆筑后初凝前對混凝土二次振搗能夠提高鋼筋和混凝土之間的握裹力，減少因地質不良而產生的不均勻沉降裂縫，增加混凝土耐久性。

2、降低混凝土出機溫度

攀西高原屬干熱河谷氣候，日照時間長，白天氣溫高，施工中應重點控制混凝土溫升。混凝土的原材料中，石子比熱相對較小，但其所占比重較大，而水的比熱大，所占比重卻小得多。所以，對混凝土出機溫度影響最大的是水和石子，應避免原材料和成品運輸中陽光直曬、拌合用水加冰、石子沖洗等措施降低溫度，控制混凝土溫升起點。

3、加強養護期溫度控制

針對攀西高原晝夜環境溫差大（約在15℃左右）的特點，應做好養護期間保溫措施，在外露混凝土表面以及模板外側覆蓋保溫保濕材料，如草袋、鋸末、濕砂，還可輔以薄膜包覆的方法，使混凝土內外溫差≤20℃。在模板拆除后應立即回填，無法立即回填的，應重新采取覆蓋保護措施。

4、做好構造鋼筋及預埋件處理

消防水池除腋角斜筋外，還存在大量的預埋件。施工前需規劃好池壁施工縫，避開斜筋及其他易產生應力集中的部位。穿池壁的管道及池壁對拉螺桿須宜采用方形止水環，并進行雙面焊接。預埋件就位要仔細清理、可靠固定；基坑回填應選用合理的機械分層夯實，防止振動、撞擊發生預埋件變形錯位引發裂縫。

（三）設計的探討

設計角度對鋼筋混凝土水池裂縫控制的舉措主要通過設置后澆帶、加強構造，以及針對實際地質條件采取構造措施來實現，具體如下：

1、后澆帶

遵循“數量適中、位置合理”的原則設置后澆帶，后澆帶在保留期間其溫差引起的變形及30%以上的收縮均可穩定。后澆帶施工應采用補償收縮混凝土，其限制膨脹率宜在2.5*10-4～3*10-4之間，限制干縮率≤3*10-4，28d抗壓強度最小應≥25Mpa。

2、配筋構造

構造筋對混凝土構造的抗裂有很大的作用，但目前國內對其重視不夠。在水池底板上不能采用分離式配筋，應該使用上下兩層的連續式配筋方式，同時盡可能使用小直徑鋼筋并將其間距減小。水池構造可以在空洞四周增加斜向鋼筋及鋼筋網片，變截面上使用局部處理等方法增配抗裂鋼筋。

3、做好不良地質設計處理

消防水池設計定位前應仔細分析地質勘察報告，調查與相鄰工程的位置關系、地形地貌等。施工方在開挖過程中要注意核對地質斷面，基坑開挖完成后及時會同勘察、設計等驗槽，遇有不良地質時應對地基作夯、墊、換處理，針對淺表滑裂面、高地應力采用抗滑樁及其他結構穩定措施，甚至變更設計位置。

三、結語：

綜上，鋼筋混凝土消防水池裂縫可以從材料、施工、設計等方面進行控制，只有合理的設計、合格的材料以及嚴格施工與養護才能有效減少水池裂縫，確保消防供水安全。

參考文獻：

[1]焉永強.鋼筋混凝土水池設計中的裂縫控制[J].科學中國人，2015（12）：82.

[2]陸根葦.大型鋼筋混凝土水池池壁非荷載因素下裂縫研究[D].西華大學，2017.