地铁车站主体结构混凝土开裂及缺陷研究

吴文龙

(中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安 710000)

1 工程概况

梧桐山站位于罗沙路北侧，横跨莲塘公交地块、梧桐山南路和梧桐山风景区，大致呈南北布置，车站西侧为罗湖区公安局及宿舍，南侧为长岭村片区，东侧为梧桐山风景区管理处，北侧为梧桐苑小区，如图1所示。

图1 深圳地铁8号线一期工程梧桐山站平面示意图

8号线一期梧桐山站主体结构与梧桐山主入口地下车库与结构共板，二者结合，不可分割；深圳市梧桐山风景区主入口建设工程地下车库利用既有梧桐山南站主体结构顶板,站门合建重点是处理好与既有地铁交叉碰口的部位；主体结构施工综合考虑工期要求、规范规定、混凝土施工特点及组织各工序流水施工的要求，以施工缝和变形缝为界划分成多个施工单元，每个施工单元纵向分段长度为10～20 m。为确保结构质量，混凝土结构的每一条环向施工缝均在同一竖直平面内，在平面上，环向施工缝设置在柱距1/4～1/3附近弯矩最小位置，同时缝的位置应避开通风道、楼梯孔，以保证过梁、扶(楼)梯梁的刚度。

2 地铁车站主体结构混凝土开裂及缺陷概述

主体结构的施工质量在很大程度上取决于混凝土施工，而地铁车站的建设及运营环境相对复杂，对结构混凝土的强度、抗裂性、耐久性等多个方面均提出较高的要求。具体至本工程中，混凝土防水等级较高，单次浇灌施工量较大，可能会由于水泥水化热而产生裂缝。底板偏厚，该部分更容易产生温度不均现象，随之出现温度应力，车站内衬易出现收缩应力(与混凝土收缩的形态变化有关)。相比于混凝土的抗拉强度，若温度应力或收缩应力超过该值，将形成裂缝。[1]为此，需要以可行的方法来规避主体结构混凝土裂缝。

3 混凝土开裂的影响因素及危害

3.1 材料因素

施工前期，为了追求施工进度和控制混凝土强度，对材料的选择与配比方案的确定重视不够。在这种错误认知的影响下，制备混凝土时施工人员大幅度提高水泥熟料的比例，但并没有调整石膏形态与数量，进而加剧水泥水化热与收缩变形情况，埋下了开裂隐患。水泥早期强度的影响因素较为复杂，除了受化学因素的影响，也会受到物理因素的影响，物理方面的影响可以通过优化水泥颗粒分布来控制。但在实际的施工中，技术人员和施工人员常常忽视物理因素的控制，对水泥颗粒分布比例的重视不足。

3.2 施工因素

工程施工中，混凝土是主要材料，加强成型混凝土的质量控制，不仅仅能够保证工程建设质量，而且对工程的安全长期使用也有积极的意义。为保证混凝土的成型质量，要加强各个环节混凝土的质量控制，规避混凝土搅拌和运输等施工工序中缺陷的漏洞，消除混凝土开裂的诱因。同时加强用水量和模板构造的控制，预防因水分蒸发过大、模板漏浆、漏水等因素导致的混凝土开裂缺陷。

3.3 外界因素

混凝土具有热胀冷缩的特点，对应的线膨胀系数为1×10-5/℃，若外界环境温度发生变化，混凝土结构的内外约束力也会随之发生变化。当混凝土结构出现变形约束时，结构应力也会加大，一旦结构应力超出混凝土抗拉强度，就会引发温度裂缝。同时,混凝土裂缝的大小和形状又会对地基产生影响，导致地基变形。[1-3]

4 地铁车站主体结构混凝土开裂及缺陷的规避措施

4.1 合理运输混凝土

从以下几个方面着手，做好混凝土运输工作，规避开裂及缺陷：

(1)由具有资质的搅拌站生产商品混凝土，加强出厂检验，通过后由专业的运输队伍将混凝土运至现场；加强进场检查，坍落度控制在20 cm±2 cm，其他各项指标均要满足要求；按规定制作抗压、抗渗试件。

(2)搅拌车卸料时，尽可能避免混凝土离析现象，若确实存在离析，则重新搅拌，待满足要求后方可卸料。配套的输送泵管应具有顺直性与严密性，尤为关键的是接头部位，不可渗漏。

(3)合理调度施工人员，顺畅施工。输送泵间歇时间在45 min以上或是混凝土有离析的状况时，均要随即以冲洗的方式全面清理管内残留的混凝土，以免因处理不及时而发生固结。

4.2 混凝土浇筑及振捣

(1)底板、侧墙、顶板的施工均选用的是性能良好的防水混凝土，要求其兼具抗压、抗裂等多重优势。以设计要求为导向，按规范组织配比试验，确定配合比，由监理审核、业主批准，通过后方可正式投入使用。

(2)立足于现场施工条件，编制混凝土浇筑方案，详细说明各项作业内容，包含机械设备的配套、人员的配置、混凝土的供应方式、浇筑工艺流程、养护方法、质量检查方法、防开裂以及防缺陷的方法等。在生成混凝土浇筑施工方案后，由监理审核、业主批准。

(3)模板、钢筋、预埋件、预留孔洞、端头止水带施工后，按照规范加强检查，详细记录各项检查数据，通过后再进一步由监理工程师检查(此阶段着重考虑的是各项隐蔽工程)，在逐层检查后，保证各处细节的施工质量。

(4)混凝土浇筑高度偏大时，采用串筒或溜槽等相关装置，以此来控制倾落高度，避免混凝土离析。

(5)以振捣的方法提高混凝土的密实度，设备选用振捣器，时间控制在10～30 s，具体根据实际情况而定，以混凝土泛浆、无下沉、无气泡为准。由专员合理操作振捣器，移动距离不超过设备作用半径的一倍。分层浇捣时，为保证层间结合稳定性，本层振捣时插入下层的深度至少达到5 cm，同时控制振捣设备的作业点位，不可碰触钢筋、模板等既有材料。

(6)按照由低向高的顺序浇筑混凝土，并分层有序施工。因混凝土供应中断或其他原因而间歇时，尽快处理好现场状况，缩短间歇时间。在前层混凝土凝结前，需要完成次层混凝土的灌注作业，否则两层难以稳定结合。

(7)合理控制结构施工缝的位置，鉴于施工缝较为薄弱的特点，将其安排在剪力最小处。继续浇灌混凝土前，清理残留在施工缝两侧的杂物，先凿毛后冲洗干净。对于板的施工缝，将其设置在剪力最小处，以免因受力过强而出现损伤。

(8)继续在施工缝处浇灌混凝土时，将合适尺寸的止水带设置到位。对于已经灌注完成的混凝土，需满足特定的强度要求，以水平施工缝、垂直施工缝为例，各自的混凝土强度分别不小于1.2 MPa、2.5 MPa。施工缝的施工细节较多，是地铁车站主体结构质量问题的高发区域，因此在施工中需要加大振捣力度，确保新旧两部分混凝土可以稳定结合，构成完整的整体。

(9)垫层混凝土施工宜采取分段的方法，尽可能保证布灰的均匀性。底板施工中，分段、分层留台阶灌注，加强对混凝土使用量的控制，待实际灌注位置达到设计标高后，及时用振捣器予以处理(在混凝土初凝前完成，否则存在作业难度大、作业效果差的问题)，而后压实、收浆、抹面，保证施工质量。柱子、墙体两部分均单独施工，并以水平分层的方法有序推进施工进程。

(10)结构变形缝设在中埋式镀锌钢板止水带处时，应注重精细化施工，即灌注前先校正止水带的位置，确认无误后，再详细清理表面残留的杂物，若止水带有受损的迹象，及时安排修补。顶、底板止水带的下侧混凝土必须具有足够的密实性，为此需加强振捣，通过外力的作用，将止水带压紧在其下混凝土表面，在此前提下方可继续灌注施工。对于设置在边墙部位的止水带，也依然需要具有足够的稳定性，止水带的位置偏差不可超出许可范围，止水带自身不可有受损、卷曲现象。混凝土灌注时有一定的扰动作用，因此加强对模板、钢筋等各类已安装材料的检查，及时发现问题并予以处理。[4,5]

4.3 混凝土裂缝的控制

控制温升以及减小温度应力是有效控制混凝土开裂的重要途径，涉及细分工作要点较多，具体做如下分析。

4.3.1 选择优质的原材料

(1)水泥。水泥有水化热现象，导致混凝土的温度偏高，进而产生温度裂缝。为避免地铁车站主体结构混凝土出现裂缝，宜采取水化热较低的水泥，同时控制好水泥材料的用量。通常，水泥用量每增减10 kg/m3，对应温度升降幅度可达到1 ℃，依据此规律，结合工程施工要求，合理控制水泥的用量。当然，挑选优质的水泥材料也至关重要，否则会由于水泥材料不达标而出现质量问题。

(2)外加剂。粉煤灰是较为常见的外加剂，此类材料的应用有利于提高混凝土的工程性能，延长初凝时间，给浇筑施工创设良好的条件。此外，掺入粉煤灰有助于延缓水泥水化热，降低水泥乃至整体混合料的温升，达到抑制裂缝的效果。若加入木质素磺酸钙，将在一定程度上减少混凝土的拌和用量，节约水泥，由于水泥用量的减少，水化热现象也将得到有效的控制。

(3)骨料。粗细骨料均是不容忽视的材料，此处以粗骨料的选用为例展开分析。在选用粗骨料时，要求此材料的级配具有合理性，可适当增加骨料的粒径，以达到减少用水量、缓解混凝土收缩的效果。通常，粗骨料可以选用中、粗砂，但不宜采用细砂。相比于细砂，中粗砂的用水量得到有效的控制(可减少20～25 kg)，同时水泥的用量也有所减少(通常可节省28～35 kg)。

4.3.2 加强温度控制(混凝土出机温度、浇灌温度)

在控制混凝土的出机温度时，需要重点考虑的是石子及水的温度，两者的温度会对出机温度带来显著的影响。而现场环境温度较高时，为避免太阳直射，需搭设遮阳棚，必要时以喷射水雾的方法达到降温的效果。混凝土施工遵循的是分段、分层的基本原则，有序完成各部分的施工；加强振捣，提高混凝土的密实度；注重养护，根据现场气温条件以及混凝土的实际特性，采取保温保湿养护措施，并在养护时覆盖草帘或其他材料，增强防护效果，使混凝土在温湿度均合理的条件下有效成型。[6]

4.4 大体积、大面积混凝土施工的裂缝控制措施

4.4.1 工艺特点

水泥水化热的出现会导致收缩变形裂缝，其是大体积、大面积混凝土施工中较为常见的质量问题，需要加强控制。

综合温控措施是可行的方法，通过多重措施的应用，有效规避混凝土裂缝。具体考虑如下几点：向混凝土中掺入适量的高效缓凝剂，利用此类材料提高混凝土的可泵性，并保证浇筑施工后的混凝土有足够的早期强度；采用商品混凝土泵送技术，增强各道工序的衔接紧密性，尽可能连续浇筑混凝土，一方面保证混凝土的整体质量，另一方面提高施工效率。[7]

4.4.2 工艺原理

在大体积混凝土施工中，需要加强对水化热温升、温差的控制；减小约束，提升混凝土结构的工程性能，使其有效抵御各项不良因素的影响，避免裂缝的产生。

大面积混凝土施工中，散热条件相对较好，虽然水泥的水化热现象会对温度应力造成影响，但程度较为轻微，并非主要的控制对象。而在硬化阶段，混凝土有收缩现象，受到约束作用后产生较强烈的收缩应力，此时可能出现裂缝。为此，在施工中应注重对配合比的优化，必要时采用补偿收缩混凝土。

4.4.3 施工工艺流程

大体积、大面积混凝土施工工艺流程，如图2所示。

图2 大体积、大面积混凝土施工工艺流程图

根据施工要求挑选优质的原材料，应用“双掺法”优化配比设计，在不影响混凝土性能的前提下，尽可能降低混凝土的水化热作用。通常，混凝土的坍落度以12～14 cm为宜，还需具备泌水小、可泵性好等多重优势。

条件允许时，设置后浇带，采用此方法减小混凝土的体积，抑制温度应力和收缩应力，减小力的不良作用。夏季施工阶段，现场环境温度相对较高，为此需降低原材料的入机温度、采取喷水降温措施，或是用其他控温方法，保证混凝土入模温度的合理性。

根据现场施工条件，准确把握二次振捣时机，经过充分的振捣后，消除沉缩裂缝。密切关注混凝土的成型状态，在初凝后、终凝前以压抹的方法消除表面裂纹。大面积混凝土施工时，需要加大对收缩应力的控制力度，择机安排二次振捣，采用此方法消除裂缝，待混凝土初凝后，也需及时压抹，以免混凝土的表面产生裂缝。[8]

5 结束语

综上所述，混凝土是工程建设中的重要材料，于地铁车站工程而言亦是如此。但地铁车站施工环境复杂，主体结构混凝土容易出现裂缝，需予以防控。具体至本文中，经过分析后提出一些具体的裂缝控制方法，以期给同仁提供参考。