平潭高鐵站站前廣場綜合體超大地下室結構設計與施工

吳 偉 劉 麒

1. 中鐵一局集團有限公司 陜西 西安 710054；

2. 同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200092

1 工程概況

項目位于福州市平潭縣中樓鄉海尾（韓厝村），總建筑面積為477 174.8 m2，其中地上建筑面積為147 944.16 m2，地下建筑面積為329 230.64 m2。項目功能包括長途客運站、鄉村客運站、旅游服務中心、BRT公交車站、預留城際鐵路區域、西廣場景觀綠化及兩側商業等。

建筑為地上4層，地下2層（部分區域1層）。坡屋面檐口高度19.60 m，地下室埋深約13.4 m。其中，地下室x向長度約為401 m，y向長度約為463 m，屬于典型的超大地下室項目。

2 超大地下室存在的設計及施工難點

超大地下室意味著地下室由于面積大、尺寸長，當混凝土結構內部受拉應力超過混凝土材料本身的抗拉強度時，結構就會產生表面和內部的裂縫[1-2]。裂縫產生的過程可以歸納如下：

1）水泥水化產生的熱量。混凝土中的主要材料為水泥，水泥在其水化過程中會產生大量的熱量，這是大體積混凝土內部自身產生熱量的主要原因。

2）構件約束條件。混凝土構件由于內部水泥水化升溫發生膨脹，而當這種變形受到周邊約束時便產生應力。當邊界約束為理想約束的情況下，混凝土的變形應該是前后溫差與混凝土材料線膨脹系數的乘積。而一旦結構內部應變超過混凝土材料本身的極限拉應變時，結構就通過開裂釋放應力。

3）環境溫度。混凝土澆筑時期外界的環境溫度直接影響混凝土表面和內部的溫度梯度。特別當澆筑后外界環境溫度發生大幅降低時，混凝土構件的外層部分與內層部分產生較大的溫度梯度，使得收縮變形加大。

在上述過程中，超大地下室的大體積混凝土構件（主要是地下室底板、外墻等）容易產生內應力，內應力過大就會出現裂縫。因此，如何應對超大地下室混凝土構件的內部應力以及隨之產生的裂縫成為設計和施工中的主要難點。

3 超大地下室結構設計及構造措施

3.1 設計參數

本工程結構設計使用年限為50 a，耐久性設計年限為100 a，結構安全等級一級，基本風壓1.30 kN/m2（50 a一遇），抗震設防類別為重點設防類，抗震設防烈度為7度（0.10g），地下室底板、外墻及頂板混凝土強度等級均為C35。

3.2 結構體系概述

本工程地下室不設置抗震縫。地上部分通過在2層設置6條抗震縫將整個結構分為7個一級結構單元。地下室為大底板結構，結構x向長度約為401 m，y向長度約為463 m。

本工程采用鋼筋混凝土框架結構，結構三維模型如圖1所示。

圖1 結構三維模型

3.3 超大地下室結構設計

本項目由于地下室尺寸超大且不設伸縮縫，因此溫差收縮效應顯著，設計時需考慮溫差收縮效應的影響。

3.3.1 設計計算溫差取值

設計計算溫差取值需要包括季節溫差和混凝土收縮溫差兩部分。

季節溫差的取值主要根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》而定，平潭地區的最低氣溫為4 ℃，最高氣溫為34 ℃，假設施工合攏溫度為10～20 ℃。建筑通常有保溫隔熱措施，地下室頂板室外區域覆土厚度為2.5 m，設計中取外界環境溫度為結構屋面外表面溫度，而內部環境溫度則取空調工作的常規溫度（18～26 ℃）。結構構件溫度取內外表面溫度的平均值，經計算，季節溫差取值如下：升溫為20 K，降溫為－9 K。

混凝土收縮當量溫差取值主要應考慮混凝土收縮應變的產生和發展與混凝土澆筑齡期的相關性，可以采用如下公式表達：εs＝(1－е－0.01t)εs0。式中，εs0為混凝土材料極限收縮應變，εs為齡期t時混凝土材料的收縮應變值。混凝土收縮當量溫差可表示為ΔTs＝－εs／α，其中α為混凝土材料的線膨脹系數，取1×10－5K－1，混凝土極限收縮應變值可取εs0＝400×10－6。

當合攏時長為60 d與120 d時，經計算，混凝土剩余收縮量產生的收縮當量溫差分別為－22、－12 K。本工程選擇控制施工合攏時長為120 d。

因此，設計計算溫差的取值可以考慮在升溫時期，混凝土自身膨脹主要對構件內力產生影響，但不會產生收縮裂縫，在裂縫控制分析時可僅將收縮溫差計入負溫差，設計計算溫差的取值如表1所示。

表1 設計計算溫差取值

由表1可見，在降溫工況下，收縮溫差所占比重比季節溫差略大。

3.3.2 溫差效應計算結果分析

本工程地下室結構裂縫控制等級為三級，對鋼筋混凝土構件，按荷載效應的準永久組合并考慮長期作用影響計算，溫度作用的準永久值系數取0.4。因此，為控制裂縫，考慮溫度作用的荷載組合如下：1.00（恒載）+0.40（降溫）。該組合下，地下1層和1層混凝土板考慮溫差效應的樓板應力分析如圖2所示。

圖2 地下1層和1層混凝土板應力

經分析，在考慮溫度作用的準永久組合下，混凝土板構件大部分區域的應力數值約為1 MPa，小于C35混凝土的抗拉強度標準值2.20 MPa。但在板的陰角部位、地下室外墻和其他墻體附近有約束的區域存在應力集中。地下室外墻考慮溫差效應后典型區域的應力如圖3所示。

圖3 地下室外墻典型區域應力數值 （單位：MPa）

在考慮溫度作用的準永久組合下，地下室外墻大部分區域的墻身水平應力小于C35混凝土的抗拉強度標準值，而應力集中區域為外墻與樓層及基礎底板連接處。

3.3.3 解決溫差收縮效應的措施

1）合理布置后澆帶，控制間距為60～80 m，后澆帶混凝土應在主體結構混凝土澆筑120 d后且溫度較低時澆筑。后澆帶范圍內，梁筋貫通不斷。

2）對局部產生應力集中的區域有針對性地加強樓板配筋，并在外墻與混凝土板連接處設置暗梁，加強暗梁水平貫通筋以分擔此區域的水平溫度應力；在樓板周邊及洞口的陰角部位增設板面附加筋。

4 超大地下室的施工

本項目地下室底板厚度主要為700～1 000 mm。在施工時根據后澆帶位置將筏板劃分為117個塊，每一塊為一個獨立的施工區段，每塊澆筑體所需混凝土1 000 m3以上。因此，在施工過程中需要注意選用符合要求并有利于大體積混凝土施工的原材料，并采用合理的施工方案和有針對性的施工措施，以確保施工質量。

4.1 混凝土材料控制

1）減少單位水泥用量，優化水泥產品的使用。選用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥、復合水泥等具有較低水化熱的水泥產品配制混凝土。

2）采用大級配鋼筋混凝土，加大骨料粒徑，降低單位水泥用量。根據使用后的工程經驗，混凝土每加大一個級配等級可少用水泥約18 kg/m3，達到降低混凝土水化熱溫升約2 K的效果。

3）選用緩凝型高效減水劑達到減水率不低于20%的效果。摻入膨脹劑，使大體積混凝土結構在前14 d潮濕養護過程中利用混凝土的輕微膨脹性能，對混凝土早期由于失水收縮產生的裂縫進行補償。

4）采用低坍落度混凝土，項目使用效果表明：坍落度每降低1 cm，可少用水泥約5.1 kg/m3，相應減少水化熱溫升約0.5 K。

蔡元培是我國近現代一位著名的民主革命家、杰出的思想家和偉大的教育家。關于蔡元培先生豐富的大學教育思想，專家學者業已展開了很深入的研究。但這些研究重點關注的是有關其大學理念、大學管理、大學學科和課程建設、大學教師等方面的思想，而沒有深入探究蔡元培的大學職能思想。2012年3月，中國社會科學出版社出版了紹興文理學院教育學院王玉生副教授的專著《蔡元培大學職能思想探析》一書，可以說是該研究領域的開拓性著作。該書是浙江省哲學社會科學規劃后期資助課題成果文庫之一，共二十三萬余字，是一部自成體系的蔡元培大學職能思想的研究專著。

4.2 混凝土澆筑

混凝土澆筑時的坍落度應控制在16～20 cm。泵送過程中，停頓時間不大于30 min。大體積混凝土應盡量連續澆筑，采用斜向推進、分層澆筑的施工次序，每層厚度控制在500 mm左右。

大體積混凝土澆筑后分2次找平，同時立刻覆蓋塑料薄膜。澆筑時要強化信息化施工，加強現場調度管理，防止施工冷縫。

4.3 大體積混凝土的泌水浮漿處理

大體積混凝土在澆筑時的泌水和浮漿現象相比普通混凝土更為嚴重，施工中需要采取相應的措施進行處理。混凝土澆筑時應統一由一個方向向另一個方向推進，使混凝土的泌水、浮漿流向統一，以利于混凝土澆筑時有組織地進行抽排。

混凝土澆筑前，提前將相應數量的潛水泵及配套的排水軟管置于泌水流向的部位；應將污水泵置于混凝土表面或是浮漿較多的區域進行抽排。

4.4 混凝土養護

本工程地處福建平潭海邊，并且地下室結構主要施工時間段為夏季，晝夜環境溫差比較大。為保證大體積混凝土內部膨脹所需的水分，需要將混凝土內外溫差控制在25 K以內。當混凝土澆筑完且表面剛能夠站人時立即鋪塑料薄膜，并同時鋪設草席蓄水進行養護。養護重點部位應該為筏板和地下室外墻相交的位置。

在混凝土澆筑完后的12～48 h，混凝土構件內的水化熱達到峰值，這時期混凝土養護的重點應是保證混凝土表面溫度，以降低混凝土構件內外溫差（圖4）。

圖4 大體積混凝土養護

4.5 混凝土測溫

本工程底板混凝土一次性澆筑面積大且混凝土在較大截面范圍內的硬化速度和散熱條件存在差異。施工時應對混凝土構件內的溫度進行監控，為混凝土的養護工作提供溫度變化數據。本工程采用建筑電子測溫儀進行測溫，每支測溫線可單獨測量一個點位的混凝土內溫度。

5 結語

本文主要闡述了超大地下室設計和施工中存在的相關工程問題和技術難點，并從施工全過程的受力模式、溫度應力及裂縫產生原因等方面入手，有針對性地采用一系列結構設計措施和施工措施。

實踐證明，所采取的措施在最大程度上解決了因地下室結構超大所帶來的相關工程問題，可為類似工程項目提供一定的參考。