轨道交通工程地下混凝土侧墙开裂影响机制探析

2022-10-05柳现杰杨杭莉

工程质量 2022年9期

潘毅，柳现杰，杨杭莉，耿飞

（1.中电建铁路建设投资集团有限公司，北京 100044；2.南京航空航天大学土木与机场工程系，江苏南京 211106）

0 引言

钢筋混凝土侧墙作为轨道交通主体结构，墙顶与拱脚牢固连接，底面与衬砌底板相连或直接支承于基岩，其设计使用年限不低于 100 年，混凝土强度不低于 C35，厚度通常为 0.5～0.8 m，深度视实际工程情况而有所不同。轨道交通的侧墙工程多为明挖法施工，混凝土浇筑脱模后时常会出现裂缝，导致地下结构渗漏，从而带来钢筋锈蚀、乘车环境恶化和运维成本增加等一系列不利影响。侧墙混凝土结构具有长宽比大、结构厚、多有变截面区、分段浇筑等特点，其裂缝一般认为是由混凝土的塑性收缩、温度收缩和干燥收缩等引起的变形受到底板或周边刚性体约束而造成的［1，2］。

为满足侧墙结构整体性和耐久性的要求，本文基于相关轨道交通工程的实例，探讨侧墙混凝土收缩裂缝的产生因素和作用机制，为实际工程提供参考。

1 地下混凝土侧墙裂缝形态

地下结构侧墙容易在施工阶段出现裂缝，大多为贯穿性裂缝，其产生时间、开裂特点及渗漏等统计情况［3］如表 1 所示。地下混凝土侧墙裂缝大多从应力最大处产生并向墙上下两端延伸，将墙体一分为二，使得墙体应力重分布，若此时混凝土应力值仍超过其抗拉强度，第二批裂缝会将墙片再分成两块，裂缝持续发展直至各墙块的混凝土应力值小于自身抗拉强度。

表1 轨道交通地下结构混凝土侧墙开裂情况

侧墙裂缝宽度一般在 0.1～0.3 mm，且多为竖向裂缝［4］，少有裂缝宽度超过 0.5 mm。随着时间的推移、浇筑长度的增加及施工环境温度上升等原因，裂缝会进一步发展，数量增多，慢慢出现渗漏情况。如图 1 所示的南京某地铁车站混凝土侧墙，一旦开裂后，在周边水压的作用下，就会出现渗水，慢慢出现泛碱现象，影响工程质量和美观，需要在裂缝扩展稳定后进行修复。

图1 南京某地铁车站混凝土侧墙纵向裂缝

2 侧墙开裂机制及影响因素

2.1 结构设计

2.1.1 侧墙分段长度的影响

侧墙的一次浇筑长度对混凝土的收缩变形有重要的影响。以某地下 2 层岛式车站为例，该车站侧墙两端为 600 mm 厚，标准段为 400 mm 厚，环境温度相近时，一次浇筑长为 26.95 m 的侧墙，平均每 m 裂缝数量是 18.3 m 侧墙的3倍，在相对较低的环境温度下，浇筑 20.8 m 长的侧墙，平均每 m 裂缝数量是 18.3 m 侧墙裂缝数量的 2 倍［5］。2015 年 5 月浇筑的常州轨道交通某车站侧墙，每节段长度为 20～25 m，拆模 2～3 d 后每节出现 4～6 条裂缝，从墙体高度方向下部1/3～1/2处向上下两端延伸，呈枣核状，大多贯穿，胡导云等［6］计算探讨了分段浇筑长度与开裂风险的关系，在夏季、春秋季和冬季时，开裂风险可控的浇筑长度分别是 5.0、12.6 及 14.7 m，掺加功能抗裂材料后的长度分别增加至 13.1、21 和 39.4 m。

侧墙浇筑时，GB 50496－2018《大体积混凝土施工标准》规定采用分层浇筑，每层浇筑厚度控制在 300～350 mm，GB 50164－2011《混凝土生产控制标准》规定分层浇筑厚度应控制在 300～500 mm，但未明确混凝土施工时的具体浇筑长度。侧墙作为开裂风险评估的“短板”，浇筑长度的大小与裂缝的产生息息相关，每个侧墙工程的结构型式、气候环境、混凝土原材料性能和施工条件不同，适宜的浇筑长度需要通过具体的计算分析确定。

2.1.2 侧墙厚度的影响

侧墙厚度直接影响混凝土的温升与温降，李路等［7］学者研究了厚度分别为 0.35、0.5、0.7 和 0.9 m 的侧墙在入模温度与侧墙长度一致的条件下对混凝土的影响，结果表明 0.35、0.5、0.7、0.9 m 的侧墙中心温度分别为 29、34 、39、42 ℃，开裂风险分别为 0.7、0.8、0.96、1.05，整个趋势趋于平缓；张坚等［8］学者对厚度为 0.2～1.0 m 的侧墙夏季开裂风险系数计算，研究表明夏季高温施工分段长度为 30 m 时，侧墙厚度无论多大，最大开裂风险均＞1.0，基于应力准则，墙体一定开裂。

实际工程中，为减少侧墙厚度增大导致的开裂风险增大，应尽量减小一次性浇筑长度，做好混凝土养护措施。

2.1.3 侧墙混凝土中配筋的影响

在侧墙结构设计中，浇筑长度与厚度均会影响侧墙裂缝的产生。为使裂缝在可接受范围内并限制其进一步发展，通常设置钢筋来增加墙体抗拉能力。目前工程中使用配筋率≥ 0.2 %，分布筋的间距＜ 150 mm 且在竖筋的外侧［9］；研究表明，美国 ACI 规范规定构造配筋率为 0.25 %，但其管涵结构裂缝间距约为 8 m，裂缝宽约为 1.5 mm；日本土木学会大体积混凝土温度应力委员会提出配筋率为 0.2 % 时裂缝宽度可以达到 0.4 mm，而配筋率为 0.9 % 时则裂缝宽度可以控制在 0.2 mm 以下；陈肇元等学者考虑到经济适用性提出 0.4 % 的配筋率［10］。

在实际工程中通过配置构造钢筋来限制侧墙裂缝产生与发展时，除配筋率外还应考虑钢筋的长度。如广州一号线杨箕车站就在角点处铺设了直径φ15、长度2～3 m 不等的温度构造筋，铺设范围内裂缝减少且变得十分细小，但在构造筋外部却出现了一条更宽的裂缝。钢筋铺设时需尽可能的密且长，否则最终很可能使得裂缝产生转移［10］。

2.2 混凝土原材料和配合比

侧墙混凝土在脱模后出现的非荷载性裂缝，主要诱因是温度收缩和干燥收缩。侧墙混凝土的温升［11］主要源于水泥水化热。通常 1 g 水泥可释放 502 J 的热量，45 kg 水泥在绝对条件下产生 5～8 ℃ 绝热温升，温度峰值在水化开始的 12 h 左右出现。

混凝土结构内部的温度是水化热的绝热温度、浇筑温度和结构散热降温等多种温度的叠加，而温度应力则是由温差变形造成的。C35 混凝土的胶凝材料用量通常为 370～400 kg/m3、单位用水量为 160～170 kg/m3、砂率为 38 %～42 %，尤其是在高温季节，水泥、矿粉、砂石等原材料的温度较高，混凝土内部温度越高。在没有特殊降温措施时，厚度为 600～800 mm 的侧墙混凝土内部最大温度高达 50～60 ℃，最大温差可达 40 ℃［12］。有研究表明采用水化热调控材料、大掺量缓凝剂、减缩剂和纤维材料等措施可缓解水泥水化产生的应力，增强混凝土早期抗裂性能［13-15］。

2.3 施工技术

2.3.1 入模温度

GB 50496－2018《混凝土结构耐久性设计规范》规定混凝土入模温度宜控制在 5 ℃～30 ℃，入模温度越高，水泥水化反应速度越快，放热速率显著增大。当入模温度为 15 ℃ 时，水灰比为 0.35 的纯水泥掺 1 % 减水剂，最大放热速率为 3.18 mW/g，温峰出现在 12.77 h，3 d 放热量达到 266.18 J/g；当入模温度增加至 35 ℃ 时，最大放热速率为 9.89 mW/g，较之 15 ℃时，提高了 311 %，温峰出现在 7.62 h，提前了 5.15 h，3 d 放热量达到 361.34 J/g［16］。

入模温度的升高不仅导致混凝土内部迅速升温，增加里表温差，后期侧墙结构降温阶段内部最大主拉应力也随之增大。某市环城南路下穿铁路混凝土斜交框架桥［17］，施工选取 10、15、20 与 25 ℃ 不同工况下的入模温度，观察侧墙应力场变化情况。入模温度由 10～15 ℃ 时，侧墙内应力增长率为 0.04 MPa/℃，外应力增长率 0.06 MPa/℃；15～20 ℃ 时，内应力增长率为 0.12 MPa/℃，外应力增长率为 0.23 MPa/℃，20～25 ℃ 时，内应力增长率为 0.4 MPa/℃，外应力增长率为 0.36 MPa/℃。混凝土侧墙内外应力也随着入模温度的增加而增加，温度越高，应力增长率越大。

为降低入模温度对混凝土早期开裂的影响，需控制好原材料的初始温度，粗细骨料要有遮阳措施，向空气中雾状喷淋水降环境温度；拌合水中加冰块，选用功能材料［18-20］，如水化热抑制剂和缓凝剂等抑制混凝土早期收缩。

2.3.2 施工季节

在施工阶段，侧墙混凝土受外界气温的变化影响显而易见［21，22］，李路等学者对 0.7 m 厚侧墙结构混凝土温度及浇筑不同长度时开裂风险计算［7］，结果表明，冬季施工侧墙混凝土温升和开裂风险最小，夏季最大，且夏季最大允许分段浇筑长度最短，冬季最长。

不同季节施工时，温峰出现时间不同，夏季浇筑时 0.5 h 出现温峰，秋季 1 h 出现温峰，冬季 2 h 出现温峰，侧墙混凝土表面散热速率小于混凝土放热速率时，混凝土温度升高，侧墙开裂风险增大。

以某岛式站台车站为例［23］，分析该工程不同季节浇筑的侧墙混凝土中心温度历程、里表温差和中心应变历程，结果表明夏季混凝土入模后升温速率和墙体中心最大温升明显大于春冬两季，夏季侧墙中心最高温度可达 72.1 ℃，最大温升为 32.1 ℃，春冬季侧墙中心最高温度分别为 51.4 ℃、39.8 ℃，最大温升分别为 26.4 ℃、21.8 ℃，温降值越大产生的收缩变形越大，夏季施工时，混凝土收缩值为 189 με，春冬季为 87 με 和 137 με。侧墙混凝土收缩变形受老混凝土约束，产生的拉应力随着收缩发展不断增大。混凝土在夏季施工时，在 8.3 d 时出现了由里及表的贯穿性损伤裂缝。季节温度越高，混凝土侧墙越容易产生温度裂缝。

2.3.3 模板类型

钢模板和木模板是国内混凝土工程施工中采用的主要模板类型。相同厚度的两种模板导热系数不同，对混凝土最大温升影响不同。以某岛式站台车站为例［23］，施工中分别采用的钢模板材质为 Q235 钢，厚度 5 mm，木模板材质为松木，厚度 18 mm。分析侧墙混凝土中心温度历程和侧墙混凝土里表温差，由于钢材的导热系数远大于木材，混凝土使用钢材模板中心最大温升较木材模板低约 5.0 ℃，拆模前后侧墙中心的温降速率未见明显变化；采用钢模板施工的侧墙混凝土里表温差略大于采用木模板的工况。

当前模板材料也呈现多样化发展，沈德建等学者选用工程中常用的厚度为 15 m m 木胶合板模板和 2 mm 组合钢模板［24］，分析混凝土试件内部和表面温度以及环境温度发展过程，结果表明，木胶合板模板内部温度峰值高于组合钢模板，但温度峰值出现时间并未产生明显影响。

木胶合板模板与组合钢模板较之钢模板与木模板而言更有利于侧墙混凝土温度控制。但木胶合板具有木材用量多，消耗量大等特点；组合钢模板使用时一次性投入费用大、易变形、接缝较多［25］。考虑经济适用性及“小温差，早冷却，缓慢冷却”原则，夏季施工时采用钢模板可以有效降低混凝土侧墙中心的最大温升值，更有利于轨道交通地下结构侧墙混凝土施工早期裂缝的控制；木模板更适用于冬季和春季施工。

2.3.4 养护措施

侧墙混凝土脱模后，如果养护措施不到位，在干燥、有风等气候条件下，混凝土内部水分散失快，使其表面干燥及内外温差大，容易产生裂缝。满伟学者以某地下两层车站为研究对象分析该车站主体结构产生裂缝原因，指出养护时间不足，拆模过早是导致该车站产生裂缝的主要原因之一［26］。长沙地铁四号线车站对现浇混凝土双面带模养护，拆模后混凝土表观未出现裂缝，效果显著［27］。

结合实际工况与外界温度的耦合作用，侧墙混凝土在浇筑过程中，要保证振捣密实，振动时间控制在 20～30 s［28，29］，浇筑时，混凝土一次性安全浇筑长度需根据实际工况确定。浇筑过长时，需做好养护工作，可洒水覆膜养护并对混凝土温度进行检测，温度过高时及时进行降温处理。研究表明，400 mm 厚的叠合墙温升降低 5.5 ℃ 时，浇筑长度可延长 7.8 m，600 mm 厚的复合墙温升降低 6 ℃ 时，浇筑长度可延长 4 m［30］。