地下車站的混凝土開裂數值分析及抗裂試驗研究

朱繼文，成 琨，李兆華，戴慧麗

[上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市200030]

0 引 言

隨著軌道交通建設在城市發展規劃中的作用日益突出，越來越多的城市邁進了“地鐵時代”[1]，截止到2019 年，中國大陸共有北京、上海、廣州等35 個城市開通地鐵，運營總長度達到5 180.6 km[2]。其中，上海擁有世界線路總長度最長的城市軌道交通系統。截至2020 年底，上海地鐵運營線路共18 條，共設車站429 座，運營總里程730 km[3]。

地鐵車站作為連接城市軌道交通網的關鍵節點[4]，其設計施工對地鐵線路的建設和運營至關重要。在施工階段，車站基坑可作為盾構始發、接收的工作井以及施工設備、材料的運輸通道；在運營階段，車站是為乘客提供換乘、候車的場所。目前國內外地鐵車站形式可分為地下車站、地面車站和高架車站[5]，其中地下車站可充分利用地下空間，不占用地面道路，功能分區靈活合理，因而得到廣泛應用。

與其它地上結構相比，由于地下車站環境比較復雜，地下水比較豐富，地下車站面臨混凝土防裂抗滲方面的挑戰[6]。地下車站抗裂性能不僅關系到施工階段的安全性，更關系到后期運營階段結構的耐久性。由于長期受地下水的侵蝕及壓力滲透作用，一旦出現混凝土開裂，就會出現滲漏水問題。滲漏水不但會造成鋼筋腐蝕，降低混凝土強度，縮短混凝土結構的使用壽命，還會影響車站內部的儀器的運行甚至是行車安全。針對地鐵車站混凝土開裂問題，工程與科研人員已開展了大量的研究[7～14]，溫竹茵等[15]通過分析大體積混凝土的溫度收縮應力對開裂的影響，得到了適用于地鐵車站結構的溫度收縮應力、裂縫間距及裂縫寬度的計算公式；李華[16]以表面裂縫和貫穿裂縫兩大類分別分析了裂縫發生的機理和影響裂縫開展的原因，提出了控制地鐵車站側墻中裂縫的方法；劉國彬等[17]在對上海各類地鐵車站的綜合防水方案進行歸納整理基礎上，總結了地鐵車站各部位滲漏水的原因并從設計構造和施工等方面提出了相應的改進措施；馬宏旺等[18]以上海地鐵某車站為實例，設計了車站頂板預應力設計方案，使混凝土結構在正常使用工況下保持裂縫閉合，從而使地鐵車站運營期間絕大部分時間無滲漏。

目前由于混凝土材料及結構特點，無法從根源上解決混凝土開裂問題。另外地鐵車站結構復雜，在裂縫的開裂形式及其發展規律方面的研究明顯不足，使得車站關鍵部位開裂問題較為嚴重，對結構的耐久性和防水產生了較大影響。本文采用數值分析方法建立了荷載-約束耦合作用下的混凝土開裂損傷模型，同時利用光纖光柵傳感器開展了混凝土溫度及應變現場監測試驗。

1 工程背景

上海地鐵15 號線羅秀路站位于老滬閔路與羅秀路交叉口，為地下二層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，車站平面尺寸為208.8 m×20.44 m，主體埋深約為16.5 m，圍護結構為800 mm厚的地下連續墻，混凝土強度等級為C35，抗滲等級為P8，采用明挖順筑法施工。

上海地區為典型的富水軟土地層，具有含水量高、孔隙比大、抗剪強度低、流變性等特點，羅秀路站基坑開挖范圍內分布有深厚軟土層，具體地層分布為①1-1層人工填土、①1-2層素填土、②1黏土、③淤泥質粉質黏土、④1淤泥質黏土、④1-2砂質粉土夾粉質黏土、④2砂質粉土夾粉質黏土、⑤2-1砂質粉土、⑤3-1粉質黏土、⑥粉質黏土、⑦1-1砂質粉土夾粉質黏土、⑦1-2砂質粉土、⑦2粉細砂等地層，潛水穩定水位埋深約0.80～1.90 m，各土層分布見圖1。

圖1 羅秀路站地質剖面圖

2 地下車站混凝土開裂原理

混凝土是由水泥砂漿和骨料組成的非均質復合材料，包含大量的初始微裂紋，特別是在粗骨料和砂漿之間的界面處，在荷載、約束作用下微裂紋會進一步擴展。當微裂縫發展至一定程度時，會對混凝土結構產生不利影響。

如果混凝土發生均勻冷卻及自由收縮變形，其內部的應力為零，此時混凝土不會產生裂縫[19]。但當混凝土受到溫度、荷載、約束等的作用時，混凝土內部形變無法協調而產生應力，當拉應力超過混凝土抗拉強度時即發生開裂。由于車站混凝土結構荷載、邊界條件比較復雜，其中側墻受到外部水土荷載作用，同時側墻的變形受到頂板、中板、底板或支撐的約束，使得混凝土結構無法自由變形，因此在混凝土內部產生應力。在混凝土澆筑、養護過程中會產生大量的水化熱，由于表面散熱比較快，溫度較低，而內部散熱條件較差，隨著熱量不斷積聚，溫度較高，最高可達70℃，因此混凝土內外存在溫差，使得內外收縮變形不一致，從而使混凝土產生約束拉應力。

3 地下車站混凝土開裂損傷數值分析

3.1 混凝土開裂損傷模型

ABAQUS 提供了混凝土損傷塑性模型（CDP 模型），用于模擬混凝土材料的拉伸開裂和壓縮破碎等破壞，其屈服和破壞面的演化由兩個變量：拉伸等效塑性應變εfpl和壓縮等效塑性應變εcpl控制。在彈性階段，該模型采用線彈性模型對混凝土的力學性能進行描述，當混凝土進入損傷階段后，CDP 模型采用損傷因子d和初始無損彈性模量E0來描述損傷后的彈性模量：

其中損傷因子d為應力狀態和單軸拉壓損傷變量dt和dc的函數，在單軸循環荷載狀態下，該關系式為：

式中：st、sc分別為與應力反向相關的剛度應力狀態函數。

3.2 地下車站混凝土開裂損傷模型

選取羅秀路地鐵車站中的典型地下二層三跨矩形斷面，該斷面寬度25.9 m，高14.9 m，見圖2，包括地連墻（左右兩側各1 個）、側墻（左右兩側各1 個）、立柱（2 個）、頂板（1 個）、中板（1 個）以及底板（1 個）等部分。和基坑寬度相比，基坑縱向長度較長，模型類型可采用平面應變模型，網格采用為4 節點雙線性平面應變四邊形CPE4R 進行劃分，見圖3。

圖2 羅秀路車站橫向斷面圖（單位：mm）

圖3 數值計算模型

荷載包括混凝土結構自重、兩側地連墻的水土壓力、頂部的土壓力。在約束方面，根據疊合墻結構特點，地連墻和側墻之間采取綁定約束，共同承擔外部水土壓力，同時在模型底部約束水平方向、豎直方向以及轉動方向的位移。本數值模型中混凝土結構采用Abaqus 中自帶的混凝土損傷塑性本構模型進行模擬，混凝土型號為C35，重度為24 kN/m3，彈性模量為31.5 GPa，泊松比為0.2。材料進入塑性后，混凝土損傷模型的應力- 非彈性應變關系及損傷因子-非彈性應變關系見表1～表3。

表1 C35 混凝土抗壓計算參數

表2 C35 混凝土抗拉計算參數

表3 數值模型計算參數

3.3 地下車站混凝土開裂損傷分析

混凝土的損傷開裂是一個動態發展的過程，我們選取了混凝土開裂過程中三個典型階段進行分析。第一階段見圖4（a），混凝土裂縫首先發生在下二層兩側側墻中部位置處，該組裂縫起裂位置為靠近基坑內部的一側混凝土，由基坑內向基坑外部發展，這是由于在外部水土壓力及底板和中板約束的作用下，基坑內側混凝土受拉，拉應力超過了混凝土抗拉強度導致的。很明顯，該裂縫尚未形成貫通裂縫，不與外部地下水相通，因此對車站的防水問題影響不大。

隨著時間原有裂縫繼續發展，同時出現了新的裂縫。通過圖4（b）可以看出在荷載作用下下二層兩側側墻中部的裂縫數量逐漸增多，長度逐漸增大，同時在頂板兩端靠近側墻位置以及靠近底板的地連墻位置開始出現新的裂縫。這兩處新生裂縫是從混凝土外部開始起裂，地下水可進入裂縫內部，可能引起混凝土內部鋼筋的銹蝕及混凝土的碳化，但由于沒有形成貫通裂縫，水流不會滲流進車站內部對車站內部造成影響。

在最后階段，可以看出裂縫分布越來越廣，且混凝土結構已經出現了貫通裂縫。如圖4（c）所示，由于承受較大的彎矩和軸力，中板、頂板、立柱等部位首次出現了開裂的情況，這些裂縫雖然無關結構防水，但從結構強度和耐久性方面還是應引起足夠重視。此外，側墻裂縫數量急劇增多，而且在靠近頂板、中板、底板的側墻處的已經出現內外貫通的裂縫，為了避免出現滲漏需要采取一定的防滲措施。通過現場觀測，發現在車站地下二層側墻發現一處豎向裂縫，見圖5，該裂縫從側墻內側起裂，與數值分析結果相符。

圖4 車站混凝土結構裂縫發展

經過上述分析發現，由于頂板、中板和底板的約束作用，貫通裂縫主要發生在側墻靠近平板的位置，貫通裂縫已完全將墻體斷開，使得基坑內部和外部之間形成了一條通路，該通路為外部水流的滲入提供了可能。而非貫通裂縫并未完全將墻體結構斷開，地下水尚且無法滲入到車站內部。根據開裂位置不同，非貫通裂縫包括內側起裂和外側起裂兩種類型，內側起裂非貫通裂縫對車站防水無明顯影響，外側起裂非貫通裂縫雖然不會引起基坑滲流，但有腐蝕鋼筋、碳化混凝土的風險。

圖5 地下二層側墻裂縫

4 車站混凝土溫度-應變現場監測試驗

為了探究添加劑、養護時間對混凝土開裂的影響，本節利用光纖光柵傳感器（包括溫度傳感器、應變傳感器）對水化熱溫度場變化情況以及應變變化情況進行了現場監測，進而判斷混凝土開裂情況。通過第三節數值分析發現，貫通裂縫主要發生在靠近中板的側墻上，因此在現場監測中傳感器埋置在地下一層靠近中板的側墻位置。

4.1 光纖光柵式技術

光纖光柵（FBG）是一種通過一定方法使光纖纖芯的折射率發生軸向周期性調制而形成的衍射光柵，是一種無源濾波器件。與常規傳感器相比，光纖光柵傳感器具有防爆、抗強電磁干擾、防雷擊、高精度、重量輕、體積小等特點，因此在光纖通信和傳感領域得到了廣泛的應用。本次監測將采用光纖光柵式應變計和光纖光柵式溫度計見圖6、圖7。

圖6 光纖光柵應變計

圖7 光纖光柵式溫度計

（1）光纖光柵式應變計

光纖光柵式應變計可用于測量混凝土的應變，通過傳感器安裝座將應變傳遞到內部的傳感芯，高精度的傳感芯將感受到的微小應變轉換為極為敏感的光學波長，通過解調儀器進行解析（見表4）。

表4 光纖光柵應變計參數

（2）光纖光柵式溫度計

光纖光柵溫度傳感器是國內最具代表性的溫度計產品，主要用于相關場所溫度的精確測量。外界溫度通過傳感器傳遞到內部的傳感芯，高精度的傳感芯將感受到的微小溫度變化轉換為極為敏感的光學波長，通過解調儀器進行解析（見表5）。

表5 光纖光柵溫度計參數

4.2 混凝土抗裂劑

作為混凝土的重要組成成分，添加劑可根據需要改善混凝土性質，提高混凝土各項性能。目前，在混凝土施工中常用的添加劑有：減水劑、引氣劑、緩凝劑、早強劑、泵送劑、膨脹劑、速凝劑、防凍劑、防水劑等[20]。據統計，混凝土結構裂縫中大約80%是由于混凝土的收縮變形造成的。混凝土的開裂，會影響混凝土工程結構的正常使用和耐久性，為了控制混凝土開裂，提高混凝土防水性能，本工程中將摻混HME-V 混凝土（溫控、防滲）高效抗裂劑，摻量為膠凝材料總量的6%～10%。

HME-V 混凝土（溫控、防滲）高效抗裂劑為兼具混凝土溫升抑制和收縮補償的新型高效抗裂、防滲添加劑。可以有效降低水泥水化進程中加速期的水化放熱速率，延長水泥水化放熱時間，并充分利用結構的散熱條件，削弱溫峰并延長溫降過程，降低溫度開裂風險；同時調控膨脹組分的膨脹速率，為有效膨脹的產生和膨脹壓應力的儲存贏得時間，使膨脹材料的補償收縮性能在高性能混凝土結構中得到優化提升，具體參數見表6。

表6 HME-V 混凝土高效抗裂劑參數

4.3 監測方案

為了研究抗裂劑、養護時間對混凝土溫度和應變的影響，設置了四個試驗段：（1）標二段添加抗裂劑，養護時間為28 d；（2）標三段采用普通混凝土配比，無抗裂劑，養護時間為28 d；（3）標四段添加抗裂劑，養護時間為14 d；（4）標五段采用普通混凝土配比，無抗裂劑，養護時間為14 d。在每個標段的負一層側墻中部埋設溫度傳感器，在側墻靠近中板處埋設應變傳感器，見圖8、圖9。

圖8 測點布置圖

圖9 傳感器安裝

4.4 混凝土溫度-應變變化及開裂分析

利用光纖光柵傳感器監測得到混凝土溫度、應變隨時間變化曲線見圖10、圖11，由于現場停電、更改線路等原因，監測數據部分缺失，但仍保留關鍵數據，不會對結果產生影響。通過圖10 可以看出混凝土溫度變化可分為三個階段：升溫段、快速降溫段和緩慢降溫段。在混凝土澆筑早期，水泥和水發生水化作用而釋放大量的熱，水化熱積聚在混凝土中不易散發，使得混凝土溫度急劇上升，標二段混凝土溫度在1.5 d 內升高至40.94℃；標三段混凝土溫度在0.75 d 內升高至51.81℃；標四段混凝土溫度在1.63 d 內升高至43.70℃；標五段混凝土溫度在1.33 d內升至54.10℃。分析發現摻混抗裂劑、延長養護時間可顯著降低混凝土的水化熱溫度。

圖10 混凝土溫度變化曲線

圖11 為混凝土應變隨時間變化曲線，可以看出混凝土應變在短時間內迅速增大，隨后逐漸趨于穩定。其中標五段的應變最大，標三段次之，標四段再次之，標二段的應變最小。由于側墻的澆筑先后順序為標二、標三、標四、標五，后澆筑標段的混凝土養護階段的變形受到前一標段的限制，因此在養護的前14 d 中，在條件相同情況下，后澆筑段的應變普遍大于前澆筑段。

根據《建筑工程裂縫防治技術規程》[21]，混凝土拉應力和拉應變之間的關系為：

式中：σt為混凝土拉應力/MPa；εt為混凝土拉應變；Ec為混凝土彈性模量/MPa；φt為混凝土徐變系數，取值2.5。

當拉應力大于0.4 倍的混凝土抗拉強度時，則認為混凝土發生開裂，即，

聯立式（3）和式（4），得到，

圖11 混凝土應變變化曲線

根據式（3）計算得到標二段～標五段的最大拉應力分別為0.75 MPa、2.11 MPa、1.76 MPa、3.04 MPa。C35 混凝土的抗拉強度為2.20 MPa，通過式（5）計算認為標二段的混凝土的拉應力尚未達到開裂標準，混凝土不開裂，標三段～標五段混凝土拉應力均大于開裂標準，混凝土發生開裂。經過上述分析認為，摻混添加劑、提高養護時間可有效提高混凝土的抗裂性能。

5 結 論

本文建立了混凝土損傷數值模型，開展了混凝土溫度場- 應變場現場監測實驗，對混凝土的裂縫發展規律及特點進行分析，并重點研究了抗裂劑、水化熱溫度以及養護時間的影響。得到如下主要結論：

（1）混凝土本身含有大量的原生微裂縫，在荷載、約束等作用下，當拉應力超過混凝土的抗拉強度時，即發生混凝土開裂；

（2）混凝土裂縫發展是一個動態變化過程。首先，側墻內側最先發生開裂，隨后靠近頂板、中板及底板處的側墻外側也出現裂縫，并最終形成貫通裂縫；

（3）根據裂縫形態可分為貫通裂縫和非貫通裂縫，其中貫通裂縫可引起地鐵車站滲漏，而非貫通裂縫不會引起滲漏但可造成混凝土碳化和鋼筋銹蝕，靠近中板的側墻位置最容易引起基坑滲漏水；

（4）混凝土溫度在1.5 d 左右可升至最大，隨后降低至常溫，同時混凝土應變隨著溫度的升高而逐漸增大。通過對比分析發現通過摻和抗裂劑、適當延長養護時間可降低混凝土的峰值溫度，提高混凝土抗裂性能；

（5）抗裂劑采用內摻，摻量約為膠凝材料總量的6%～10%，適當優化混凝土區段澆筑順序，盡量減少混凝土邊界約束。