地鐵車站主體結構混凝土開裂及缺陷研究

岳國偉

摘 要：地鐵車站施工中存在的問題較多，其中混凝土開裂是較為常見的問題，這種“常發病”以及“多發病”直接影響著地鐵工程技術人員的進一步施工。為有效解決開裂滲漏對地鐵運行安全帶來的影響，同時大幅降低后期維修費用，本文對地鐵工程中混凝土裂縫的產生機理和影響因素進行分析、總結，針對不同情況、不同部位結構裂縫，提出針對性的裂縫控制辦法。

關鍵詞：地鐵車站;混凝土裂縫;材料因素;施工因素;設計因素

中圖分類號：TU755文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）07-0092-04

Study on Concrete Cracking and Defects of Main Structure of Subway Station

YUE Guowei

（China Railway Seventeenth Group Shanghai Rail Transit Engineering Co.， Ltd.，Shanghai 200135）

Abstract： There are many problems in the construction of subway station， among which concrete cracking is a common problem. This kind of "common disease" and "frequently occurring disease" directly affect the further construction of subway engineering and technical personnel. In order to effectively solve the impact of cracking and leakage on subway operation safety， and greatly reduce the later maintenance costs， this paper analyzed and summarized the mechanism and influencing factors of concrete cracks in subway engineering， and put forward targeted crack control methods according to different situations and different parts of structural cracks.

Keywords： subway station;concrete cracks;material factor;construction factors;design factors

1 研究背景

國家地下交通基礎設施的構建備受矚目，呈現出迅猛發展的態勢，大量的地鐵工程在各個地區競相出現。但同時，地鐵車站施工中存在的問題也逐漸凸顯，其中混凝土開裂是較為常見的問題，這種“常發病”以及“多發病”直接影響著地鐵工程技術人員的進一步施工，嚴重時會威脅到人員的生命安全。若是采取科學的措施加以處理，多種裂縫問題便可迎刃而解，降低開裂滲漏對地鐵運行安全產生的影響。本文著重分析混凝土裂縫產生的原因，通過歸納和總結，提出施工中控制裂縫的可行對策，以防患于未然。

2 混凝土開裂的影響因素及危害

2.1 影響因素

混凝土開裂的影響因素主要包括四個方面：材料因素、設計因素、施工因素、外界因素[1]。

2.1.1 材料因素。早期，為了滿足施工進度和模板周轉速度的要求，片面追求混凝土強度。多年來強度第一、強度為宜的錯誤觀念從混凝土行業傳遞到水泥行業，造成把水泥強度與活性等同，認為強度的唯一來源就是水泥。錯誤的認識造成水泥熟料早期強度高、細度增加，再加上水泥中的石膏形態和數量沒有正確優化，堿含量高，在提高水泥早期強度的同時也導致水泥水化熱和混凝土的收縮變形顯著增加。實際上，水泥的早期強度既有化學方面的作用，也有物理方面的作用，通過優化水泥的顆粒分布，也可以提高物理作用對強度的影響，這一點又是很容易被忽視的。

砂石原材料的粒形、級配和含泥量對混凝土收縮有很大的影響。砂石粒形和級配差，要達到相同的坍落度，漿體用量增加，砂率增大，混凝土的穩定性變差。砂石含泥量增加不僅會影響混凝土拌和物的強度，而且會影響混凝土的收縮。一般來說，隨著含泥量的增加，混凝土裂縫產生時間和產生條數會都增加。

外加劑和礦物摻合料種類繁多，質量參差不齊，假粉煤灰、假礦粉的現象時有發生，進廠檢測難度大，有時很難發現。在試驗過程中，只重視抗壓強度的試驗，對其他性能和體積穩定性缺乏研究。對各種外加劑和摻合料的特性和使用范圍研究更少，使用過程中往往依據已有經驗和主觀意識。這無形中增加了混凝土裂縫出現的概率。

2.1.2 施工因素。混凝土本身是一種人造混合材料，質量的好壞能通過成型混凝土反映出來，若是混凝土成型后質量均勻、密實，則證明混凝土本身質量較好。在混凝土攪拌及運輸時，要規避各個工序可能出現的缺陷及疏漏，這些均可能成為裂縫產生的誘因。

水分蒸發和水泥結石等也會導致混凝土出現明顯的裂縫。模板構造不合理，出現漏水、漏漿和模板變形等情況，會造成混凝土開裂。在具體施工階段，鋼筋表面的污染若未能及時處理，混凝土保護層較大或較小時，也會使混凝土出現裂縫。在實際澆灌階段，如果鋼筋發生碰撞而出現了移位的情況，也會出現裂縫問題。

混凝土養護，尤其是早期養護的質量和裂縫之間存在著密切的聯系。早期表面干燥或者是內外溫差較大時，易產生裂縫問題;養護不合理，導致混凝土抗滲性有所降低，從而致使鋼筋銹蝕年限成倍縮減，引發明顯的裂縫;1天養護和7天養護，導致碳化問題出現，從而引發銹蝕情況，年限縮減為原來的四分之一[2]。

在極端天氣條件下施工（低溫、炎熱、暴雨），會導致混凝土結構開裂。

經過幾十年的發展，混凝土施工工藝有了很大的進步，但現場施工工人往往不了解，依然按照傳統的經驗和養護方法進行施工。再加上為了縮短工期，加快模板周轉，過早地拆模以及養護不足和不養護，加劇了混凝土裂縫的形成和開裂程度。

此外，在混凝土澆筑過程中，施工工人為了降低勞動強度，私自加水，導致混凝土坍落度明顯增加。混凝土坍落度一旦增加，將會使混凝土離析分層，嚴重威脅混凝土拌和物的勻質性，導致混凝土收縮存在著明顯的差別，出現裂縫的概率明顯提高。

2.1.3 設計因素。設計結構構件斷面突然因開洞、留槽等因素出現應力集中的情況，構造處理不到位，產生了明顯的構件裂縫;設計中對構件施加的預應力不合理，使構件本身產生裂縫;設計中鋼筋的配置較少或者過粗，未能全面地分析混凝土構件的收縮變形情況，也使構件裂縫十分明顯;設計中實際運用的混凝土等級較高，導致用灰量有所增加，直接影響收縮過程;各種結構縫設置不合理，導致混凝土出現了明顯的開裂問題。

2.1.4 外界因素。鋼筋混凝土結構開裂的基本原因是地基產生了不均勻沉降，出現形變。裂縫的大小和形狀等，均能直接影響地基變形，因為地基變形使得應力明顯提升，導致裂縫貫穿性顯著。

混凝土具有熱脹冷縮的性質，相應的線膨脹系數是1×10-5/℃。當外部環境或結構內部溫度發生變化，混凝土將發生變形，若變形受到約束，則在結構內產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時，就會產生溫度裂縫。工程項目中，該類裂縫較為多見，如現澆屋面板上的裂縫和大體積混凝土裂縫等。

濕度變形。混凝土在空氣中結硬時，體積會逐漸縮小，一般謂之干縮。收縮裂縫，常見于現澆墻板式結構和框架結構中，通常是因為養護不合理所致。砼的收縮值是0.02%～0.04%，發展規律為早期快、后期慢。對于超長建筑物和構筑物，一般需要適當添加微膨脹劑，以妥善處理混凝土早期干縮的問題。

在結構受荷之后，易出現明顯的裂縫問題，例如，拆模較早或者是構件使用方式不合理，構件堆放或者是吊裝階段的吊點位置不合理，都會引起明顯的裂縫問題。最為常見的是鋼筋混凝主梁和板等受彎構件，在荷載作用下易產生明顯的裂縫。普通鋼筋混凝土構件承擔30%～40%的荷載時，裂縫十分明顯，肉眼通常不易察覺。構件的極限破壞荷載一般在設計荷載的1.5倍以上。

砼的徐變引起開裂和裂縫的例子較為常見。依照相關文獻記載[3]，受彎構件截面砼受壓后徐變，可以使構件變形增大2～3倍，預應力結構受徐變的影響，會出現明顯的應力損失，降低結構的抗裂性能。

除此之外，還受周邊環境的影響，如酸堿腐蝕導致裂縫問題，以及意外事件，如火災、輕度地震等引起構筑物裂縫。

2.2 混凝土裂紋及缺陷的危害

混凝土裂紋及缺陷會損害建筑物的功能（安全性、適用性、耐久性），如防水建筑物出現漏水等;降低混凝土結構的強度，影響建筑物的安全;降低混凝土結構的整體性及密實性，大大增加如鋼筋銹蝕、碳化、離子侵蝕等程度，降低結構耐久性，增加運營維護費用，使建筑物壽命縮短，影響建筑物外觀。

3 現澆混凝土開裂產生條件與機理

3.1 混凝土開裂的本質與產生條件

混凝土的抗拉強度只有抗壓強度的6.67%～10.00%，且混凝土抗拉強度和抗壓強度比值（拉壓比）隨著抗壓強度的增加而減小。混凝土開裂的本質原因為混凝土結構自身拉應力[σs]大于其抗拉強度[σt]（[σs]>[σt]），混凝土結構變形受到約束限制時就會產生應力，其中，拉應力[σs]是由于變形方向與約束相背離時產生。

混凝土自身拉應力的產生具有兩個條件：①混凝土自身的變形;②變形受到約束作用，事實上混凝土構件總是處于被約束狀態，這些約束有些來自地基摩擦和端部構件，但更多來自混凝土的鋼筋和混凝土內外部的不同應變，而且混凝土內部存在力的不均勻性。

3.2 混凝土開裂產生機理

混凝土在約束條件下會因干縮應變產生彈性拉應力，同時會因黏彈性作用造成應力松弛，這兩種作用相互影響，屬于多數結構變形和開裂的根本原因。混凝土裂縫控制可以從控制形變、減小約束和提高抗裂出發。

4 車站結構混凝土裂縫及缺陷案例分析

4.1 側墻垂直地面裂紋

墻體垂直裂縫通常在拆模時或拆模后數日出現。相鄰兩裂縫間的距離為：前期距離為4～5 m，隨著時間推移，逐漸變為1.5～2 m，基本裂縫寬度0.1～0.5 mm，底部垂直向上（頂部垂直向下），中間寬兩端細直至消失。但是，滲水通常由底部開始。其產生機理是塑性收縮。側墻滲漏水情況如圖1所示。

早期，相鄰兩裂縫間的距離在4～5 m，隨著時間推移，相鄰裂紋之間再產生裂紋，導致裂紋寬度變為2～3 m，而且由于各個標段的施工工藝不同，產生的裂紋數量也有明顯區別。其產生機理是干燥收縮，側墻滲漏水情況發展如圖2所示。

修補之后，滲漏點轉移，由下部跑到上部，由（下部）上部跑到兩側。圖3為修補后滲漏點情況。

垂直地面裂縫控制措施為：混凝土配合比設計階段，依照工程結構的基本情況，全面分析混凝土內部溫度升高情況，控制好膠凝材料的總量、水膠比、漿骨比等。水泥品種應該優先選擇水泥比表面積較小且放熱量適度的中熱水泥或低熱水泥，借助粉煤灰等礦物摻和料的作用，替代原有的水泥，合理控制混凝土水化熱。運用緩凝型高效減水劑（如萘系、脂肪族與葡萄糖酸鈉、三聚磷酸鈉復合），適當延緩水泥本身的水化速度，科學控制溫度升高的趨勢。

結構設計者應該積極設置伸縮縫，運用密而細的墻體構造筋。對于高強度等級的混凝土墻體，應適當加入一定量的有機纖維，提高混凝土本身的抗裂性能。春秋季節晝夜溫差變化較大時，應適當選擇低溫和無風情況下澆筑混凝土，終凝通常選擇在太陽即將升起時，此時混凝土內外溫差較小。施工人員需要落實好測溫工作，若是混凝土內外溫差超過25 ℃，且表面溫度和大氣溫差超過20 ℃，需要及時采取保溫措施，同時科學地推遲具體的拆模時間。對于完全終凝的混凝土墻體，要灑水并養護，關注溫差情況，將溫差控制在15 ℃以內。在秋季轉冬季的特殊階段，混凝土日均降溫速率建議不超過3 ℃/d。控制拆模過程中的溫度，應該在混凝土表面溫度和最低環境溫度差值小于10 ℃時拆模[4]。同時，要及時封閉通風口，避免冷風快速冷卻墻體，使溫差裂縫出現。

4.2 底板表面塑性裂紋

塑性收縮是指混凝土終凝之前，因高溫或風速較大，大面積暴露的新澆混凝土表面因失水較快而產生的收縮裂縫。該類裂縫主要表現為表面裂縫，在混凝土硬化前生成，通常是在混凝土澆筑后幾小時產生，一般在干熱或大風天氣出現，裂縫長度在幾十厘米至一米多，間距大多為幾十厘米且分布不規則。開始時裂縫的深度一般在幾厘米，有約束的混凝土（如樓板）硬化后有可能會繼續發展成貫通裂縫。

底板表面塑性裂紋因大風、太陽照射等原因，在混凝土凝結前，表面過早（大量）失水。裂紋產生機理為毛細管張力。

表面塑性裂紋的機理是混凝土澆筑后，大暴露面板式結構容易帶來水分蒸發加劇，從而引起塑性收縮開裂。

措施：二次抹抹面、采取擋風和遮陽措施、及時灑水和覆蓋養護;盡量夜間施工，避免陽光直射;調整配合比，適當增加混凝土的泌水、采用早期抗裂性能較好的混凝土。二次抹面施工圖如圖4所示。

4.3 頂板或中板混凝土裂紋

頂板的厚度一般在70～100 cm，頂板底部均為帶模養護，頂部暴露在空氣中，前期的養護不當導致頂板頂部出現龜裂現象。頂板結構混凝土相對較厚，早期的收縮除了自收縮和溫度收縮外（早齡期以內外溫差引起的溫度收縮為主），還包括塑性收縮。而其外部約束主要為長度方向上兩側的頂板混凝土，梁、柱節點（節點處對板類混凝土有約束，振搗不到位、不密實或有冷縫）以及寬度方向上兩側的側墻混凝土。側墻結構的主要約束為筏板混凝土，與頂板約束不同。頂板或中板混凝土裂紋特征：無規則、無方向、無規律可循。

中板裂縫較少的原因是中板混凝土結構上下表面均可以散熱，相較于頂板混凝土厚度較薄，且較易養護，混凝土無明顯水化溫升，后期干燥收縮占主導。

車站梁、柱根據設計要求，采用不同強度標號的砼（例如，柱一般為C50，梁、板一般為C35）;梁柱節點處在澆筑混凝土時應采取圍擋措施，防止梁、板砼流入梁柱節點范圍，一般采用鋼絲網圍擋。節點施工后細部圖如圖5所示。

梁板柱節點混凝土施工處是一個重要而又易忽視的地方，在施工過程中應加強防范，精細施工。

5 結語

影響混凝土開裂的因素很多，就單一因素來評價和研究是不夠的。因此，在工程實踐中，從氣候溫度、施工環境、施工工藝及工程結構特點等出發，抓住產生裂縫的主要因素，兼顧次要問題，從而采取針對性措施控制裂縫。

參考文獻：

[1]樊江蘇.地鐵車站混凝土結構頂板收縮裂縫研究[J].西部探礦工程，2011（6）：204-205.

[2]中華人民共和國國家經濟貿易委員會.水泥混凝土養護劑：JC 901—2002[S].北京：中國標準出版社，2002.

[3]徐峰.建筑工程混凝土裂縫原因及防治措施[J].石河子科技，2014（1）：57-58.

[4]趙亮亮.地鐵車站側墻混凝土表面缺陷處理技術研究[J].山西建筑，2010（28）：143-144.

[5]肖華.地鐵工程混凝土非受力裂紋預防與處治[J].科技資訊，2008（22）：69.