地鐵施工中大體積混凝土裂縫控制分析

蔡守冬

（中鐵二十四局集團(tuán)有限公司，上海 200070）

0 引言

地鐵項目的施工周期長、建設(shè)成本高、施工難度大、質(zhì)量要求高。而大體積混凝土施工是地鐵施工的重要環(huán)節(jié)，但大體積混凝土經(jīng)常會出現(xiàn)裂縫問題，如何解決大體積混凝土裂縫問題已經(jīng)成為當(dāng)下施工單位和相關(guān)設(shè)計人員的工作重點。當(dāng)大體積混凝土出現(xiàn)裂縫時，需要第一時間對這些裂縫進(jìn)行處理，以免大體積混凝土內(nèi)部的鋼筋受到侵蝕而影響主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。采用恰當(dāng)?shù)姆绞浇鉀Q大體積混凝土裂縫問題（見圖1），可以提高大體積混凝土的耐久性及穩(wěn)定性，進(jìn)而發(fā)揮地鐵工程的價值與社會效益。

圖1 大體積筏板基礎(chǔ)澆筑

1 地鐵施工具有的特點

1.1 工程建設(shè)規(guī)模大、投資大

隨著地鐵項目的逐漸增多，地鐵車站及區(qū)間線路埋深也越來越大，許多大型地鐵車站同時肩負(fù)著交通換乘樞紐及商業(yè)的功能，因此單個地鐵車站的建設(shè)規(guī)模越來越大，單體造價也越來越高，單條地鐵線路投資超百億元的項目在國內(nèi)比比皆是。隨著地鐵功能的增強，設(shè)計施工中大體積混凝土的應(yīng)用也越來越多。

1.2 工程地質(zhì)和周邊環(huán)境復(fù)雜

我國幅員遼闊，各地的地質(zhì)情況不盡相同，同時地鐵項目的施工環(huán)境也相當(dāng)復(fù)雜，因地鐵線路主要串聯(lián)人流量較大的區(qū)域，地表建筑物、地下管網(wǎng)、河流等各種不利因素重重疊加，對地鐵建設(shè)提出更高的要求。

1.3 質(zhì)量要求高

地鐵工程作為百年工程，對結(jié)構(gòu)的耐久性提出極高的要求，特別是沿海地區(qū)，地下水及雨水中氯離子含量高，地鐵的主體結(jié)構(gòu)常年受到侵蝕，如果混凝土產(chǎn)生裂縫，其內(nèi)部的鋼筋將被快速侵蝕而影響整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 混凝土裂縫的類型

混凝土裂縫的類型多種多樣，產(chǎn)生混凝土裂縫的原因也比較多。可以按照不同的劃分方式將混凝土裂縫分為垂直裂縫、水平裂縫、橫向裂縫等。可以采用裂縫深度對裂縫進(jìn)行劃分，包括深度裂縫、表面裂縫、貫穿裂縫等。可以根據(jù)裂縫產(chǎn)生原因進(jìn)行劃分，包括溫差裂縫、沉降裂縫以及塑性收縮裂縫等[1]。

3 混凝土裂縫產(chǎn)生的原因分析

3.1 溫差裂縫產(chǎn)生的原因

在地鐵工程中，溫差是造成混凝土裂縫的重要因素。混凝土施工結(jié)束以后，混凝土初凝到終凝一般需要8～10h，而且水泥的水化反應(yīng)是一個放熱反應(yīng)，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，混凝土強度也逐步提高。水化反應(yīng)所產(chǎn)生的水化熱會在3～7d 達(dá)到峰值，在此期間，混凝土的強度較低，如果混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外的溫差超過25℃，混凝土表面與大氣環(huán)境的溫差超過20℃，都會造成裂縫。溫差裂縫形成的過程一般分為三個階段：第一階段是初期裂縫，即在水化熱升溫期，從混凝土澆筑開始到水化熱達(dá)到峰值期間，混凝土內(nèi)部溫度高、外部溫度低，引起的“約束力”超過混凝土自身的抗拉強度，從而產(chǎn)生裂縫；第二階段是中期裂縫，即水化熱降溫期，當(dāng)水化熱達(dá)到峰值后逐步降低，水化熱散盡，混凝土結(jié)構(gòu)溫度接近環(huán)境溫度，結(jié)構(gòu)溫度引起的“外約束力”超過混凝土抗拉強度而產(chǎn)生裂縫（收縮裂縫）；第三階段是后期裂縫，在混凝土水化反應(yīng)后期，混凝土結(jié)構(gòu)溫度相對穩(wěn)定，當(dāng)外部環(huán)境溫度發(fā)生劇烈變化時，由于混凝土為熱的不良導(dǎo)體，形成溫度梯度，當(dāng)溫度梯度較大時就會產(chǎn)生裂縫。

3.2 沉降裂縫產(chǎn)生的原因

沉降裂縫的形成主要由建筑基礎(chǔ)土質(zhì)不均、疏松，在浸水后產(chǎn)生不平衡沉降造成；或者由于模板強度不夠、模板支柱長度過大或支柱底板松散而造成，尤其是在冬季，鋼筋支承在凍土上，凍土化凍時出現(xiàn)不平衡沉降，導(dǎo)致混凝土構(gòu)件出現(xiàn)裂縫。此種裂縫一般呈深進(jìn)或貫穿式裂縫，其方向與沉陷程度密切相關(guān)，通常沿同一地層，垂直或呈30～45°角走向開展，較大的沉陷裂縫通常伴有一定的錯位，裂縫長度通常與下沉量成正比關(guān)系，但受氣溫變動的影響相對較小。地基變形平穩(wěn)以后，沉降裂縫也就基本趨于穩(wěn)定。沉降裂縫的形成條件包括：地面結(jié)構(gòu)、建筑物下方土壤軟硬不均，或在局部出現(xiàn)軟弱土?xí)r未采取適當(dāng)?shù)难a強措施，在水泥施工時，因地面部分出現(xiàn)不平衡沉降而產(chǎn)生裂縫；現(xiàn)場生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件(如屋架、薄腹梁等)，由于其側(cè)向剛性較差，在弦、腹桿件搭設(shè)處或梁的一側(cè)經(jīng)常形成裂縫；如果模板支承間隙過大、底部支撐材料泡水，或混凝土未達(dá)到規(guī)定強度過早拆模，都會引起不平衡沉降裂縫；構(gòu)件各部負(fù)荷懸殊，且未作必要的加固處理，在水泥施工時，由于地基受力不均，形成不平衡沉降，導(dǎo)致構(gòu)件應(yīng)力聚集而造成裂縫。

混凝土沉降裂縫在我國北方地區(qū)的發(fā)生概率非常大。我國北方地區(qū)一年四季溫差變化非常明顯，從秋季進(jìn)入冬季時土壤會凍脹，從冬季進(jìn)入春季時土壤會解凍，從而導(dǎo)致土壤沉降現(xiàn)象，進(jìn)而會影響到混凝土的整體結(jié)構(gòu)，造成混凝土沉降裂縫[2]。

3.3 塑性收縮裂縫產(chǎn)生的原因

地鐵混凝土施工中經(jīng)常會出現(xiàn)干縮裂縫和收縮裂縫這兩種塑性收縮裂縫，其產(chǎn)生原因各不相同。主要原因是在混凝土澆筑過程當(dāng)中，混凝土過振，從而造成混凝土浮漿過多；混凝土澆筑結(jié)束以后，收面工作不及時、不徹底，導(dǎo)致混凝土表面水分蒸發(fā)過快，影響混凝土的水化熱反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)塑性收縮裂縫。塑性收縮裂縫對混凝土整體結(jié)構(gòu)的影響相對較小，因此一些施工單位在混凝土施工過程中忽視對塑性收縮裂縫的控制，導(dǎo)致大體積混凝土表面出現(xiàn)塑性收縮裂縫的問題逐漸增多。此外，在混凝土施工結(jié)束以后，養(yǎng)護(hù)工作不到位也會導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)不同程度的裂縫。

4 地鐵施工中大體積混凝土裂縫控制

4.1 嚴(yán)格控制混凝土質(zhì)量

現(xiàn)階段在地鐵工程施工中使用的混凝土主要為商品混凝土，施工單位對混凝土原材料的質(zhì)量控制尤為重要。施工單位在進(jìn)場初期，收到施工圖紙后應(yīng)立即組織商品混凝土攪拌站對不同標(biāo)號、不同要求的混凝土進(jìn)行試配，根據(jù)試配結(jié)果確定最佳配合比，并將最終確定的配合比送第三方檢測單位驗證，通過驗證之后才能正式用于工程施工。

在高標(biāo)號大體積混凝土配合比設(shè)計前，應(yīng)測定不同品牌、不同產(chǎn)地水泥的水化熱，選擇低水化熱的水泥進(jìn)行試配。此外，還可以適當(dāng)增加粉煤灰、礦粉等膠凝材料，從而降低水泥用量，減少早期水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化熱，粉煤灰及礦粉的摻加還可以提高混凝土的和易性。但是，粉煤灰、礦粉摻入量過多會影響混凝土的早期強度，從而影響混凝土拆模時間，延遲工程施工進(jìn)度。此外，粉煤灰、礦粉摻入量過多還容易導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)收縮裂縫。粉煤灰、礦粉的摻入量應(yīng)根據(jù)試配情況不斷調(diào)整，滿足設(shè)計圖紙及國家、地區(qū)的規(guī)范要求。在混凝土澆筑之前還需要對混凝土的坍落度、和易性等進(jìn)行現(xiàn)場檢查，確保混凝土的質(zhì)量符合要求之后，才能夠開展混凝土澆筑[3]。

大體積混凝土施工時，需要控制好澆筑的速度，并根據(jù)現(xiàn)場的實際情況減少施工分段長度。一般情況下，混凝土施工分段長度控制在7～9m 之間。混凝土的入模溫度控制不當(dāng)也會導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生，因此在混凝土澆筑時需要對其入模溫度加強控制，避免混凝土內(nèi)部發(fā)生水化熱反應(yīng)時和混凝土外部出現(xiàn)較大的溫差，從而減少混凝土溫差裂縫的產(chǎn)生概率。進(jìn)行混凝土澆筑時也需要分析天氣情況，避免在高溫和嚴(yán)寒的環(huán)境下開展大體積混凝土澆筑施工。在混凝土澆筑過程中，需要由專業(yè)人員進(jìn)行振搗，避免混凝土內(nèi)部出現(xiàn)氣泡，影響混凝土的整體質(zhì)量。在混凝土施工結(jié)束以后，需要對混凝土表面進(jìn)行壓實抹平，并設(shè)專人對混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)工作要有序開展，時間不宜少于14d，以有效提高混凝土整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]。

4.2 混凝土裂縫的控制措施

4.2.1 溫差裂縫的控制措施

第一，在地鐵工程施工中，為了避免大體積混凝土出現(xiàn)溫差裂縫，可以在施工之前根據(jù)現(xiàn)場的實際情況開展模擬試驗，以明確混凝土的水化熱升溫參數(shù)。對溫差控制范圍有了全面了解之后，即可在實際澆筑過程中使用專業(yè)設(shè)備對混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，合理判斷混凝土內(nèi)外部之間存在的溫差。第二，混凝土澆筑時應(yīng)時刻關(guān)注氣溫變化，氣溫高時應(yīng)降低混凝土澆筑厚度，利用澆筑層面散熱。第三，可使用地下水作為混凝土拌和用水，碎石在拌和之前可用冷水沖洗降溫，從而降低混凝土的入模溫度。第四，可在大體積混凝土中埋設(shè)冷卻水管，從而從內(nèi)部降低混凝土溫度，避免內(nèi)外溫差過大造成溫差裂縫。第五，嚴(yán)格控制拆模時間，當(dāng)混凝土澆筑完成后，混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)激烈，此時是混凝土升溫的重要階段，拆模后應(yīng)立即使用土工布、棉被等對混凝土進(jìn)行覆蓋以保持恒溫。第六，對養(yǎng)護(hù)用水的溫度進(jìn)行監(jiān)測，避免因養(yǎng)護(hù)用水溫度過低造成混凝土內(nèi)外溫差過大[5]。

4.2.2 塑性收縮裂縫的控制措施

第一，為了避免混凝土出現(xiàn)塑性收縮裂縫，在混凝土配合比設(shè)計時，要嚴(yán)格控制水灰比及水泥用量，選擇集配良好的碎石，減少空隙率及砂率。第二，混凝土澆筑過程中要振搗密實，以減少收縮量。第三，混凝土澆筑之前，應(yīng)對墊層、模板澆水，使其濕透。第四，混凝土澆筑完成后應(yīng)及時覆蓋養(yǎng)護(hù)，在高溫、干燥及刮風(fēng)天氣，應(yīng)及時噴水養(yǎng)護(hù)。第五，如果混凝土終凝前出現(xiàn)細(xì)微裂縫，則應(yīng)及時抹壓一次，再予以覆蓋養(yǎng)護(hù)。

4.2.3 沉降裂縫的控制措施

第一，在進(jìn)行混凝土澆筑前，應(yīng)對地基承載力進(jìn)行檢測，避免混凝土澆筑過程中出現(xiàn)不均勻沉降。第二，混凝土澆筑前應(yīng)檢查模板加固情況，對關(guān)鍵受力部位進(jìn)行二次加固，澆筑過程中要安排專人巡查模板情況，出現(xiàn)異常情況及時停止?jié)仓⒉扇?yīng)急處理。第三，在進(jìn)行混凝土澆筑時要全面監(jiān)測基礎(chǔ)沉降，如果沉降值過大，則必須停止施工并采取相應(yīng)的解決方案[6]。

4.3 混凝土裂縫的處理

當(dāng)大體積混凝土出現(xiàn)裂縫時，必須及時進(jìn)行處理，常見方法有表面處理法、填充法、灌漿法等。表面處理法包括表面涂抹法和表面貼補法，涂抹法適用范圍是漿液難以灌入的細(xì)而淺的裂縫，深度未達(dá)到鋼筋表面的細(xì)微裂縫，不漏水、不伸縮、不再變化的裂縫；表面貼補法適用于大面積漏水的防滲堵漏。填充法是將加固用修補材料直接填充進(jìn)裂縫中，一般用來修補較寬的裂縫。灌漿法使用較為廣泛，從細(xì)微裂縫到寬度較大裂縫均可適用。除此之外，還有結(jié)構(gòu)補強法、斷面補強法、錨固補強法、預(yù)應(yīng)力法等非常規(guī)處理方法。

5 結(jié)語

總而言之，地鐵項目非常龐大，施工環(huán)境比較復(fù)雜，涉及的施工內(nèi)容比較多。大體積混凝土是地鐵工程的重要組成部分，經(jīng)常會出現(xiàn)裂縫問題，對此，應(yīng)根據(jù)裂縫的種類進(jìn)行全面分析，采用恰當(dāng)?shù)姆绞浇鉀Q大體積混凝土裂縫問題，提高地鐵工程的整體質(zhì)量，進(jìn)而提高施工單位的經(jīng)濟效益，發(fā)揮地鐵項目的社會價值。