明挖装配式地下车站侧墙叠合层现浇混凝土开裂风险研究*

徐军林 马树伟 姚 婷 王育江,3

(1.中铁第四勘察设计集团有限公司，430063，武汉；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，211103，南京;3.东南大学材料科学与工程学院，211189，南京∥第一作者，正高级工程师)

地下车站装配式结构因其施工对环境影响小、工程造价低、施工质量易保证，越来越受到国内外的关注，并逐渐得到广泛应用[1-2]。由于地下水环境较为复杂和地下结构自防水要求，地下车站整体装配式结构仍需解决接头接缝防水以及现浇部分混凝土收缩开裂问题，以保障结构的安全使用和长期服役性能[3-4]。

某轨道交通车站为地下2层单柱双跨标准岛式车站，站台宽为11 m，纵向柱距为9 m，车站总长为195 m。除车站两端盾构井段及风道接口范围采用现浇法施工外，其余约150 m有柱地下车站采用整体装配式叠合墙板施工技术。装配式结构各构件均通过湿节点连接形成整体，现浇混凝土与预制构件形成叠合构件，预制构件可兼做永久模板，与现浇部分通过钢筋连接。由于施工时预制构件混凝土水化已基本完成，收缩变形很小，而现浇混凝土强度高，早期易产生较快的水化放热和较大的收缩变形，受到高强预制构件的约束也较大，容易因新老混凝土变形不协调而导致严重收缩开裂问题。

为此，本文针对明挖装配整体式现浇叠合层混凝土易开裂的难题，基于“水化-温度-湿度-约束”多场耦合收缩开裂评估方法[5]，对地下车站墙板叠合层现浇混凝土抗裂性进行定量分析，研究此类结构混凝土的早龄期开裂风险规律，可为此类工程的裂缝控制提供参考。

1 混凝土配合比与性能测试

地下车站明挖装配整体式叠合层现浇混凝土设计强度等级为C40，因该工程现浇混凝土位于地下，一侧模板为预制叠合板，另一边为地下连续墙，均为永久模板，可忽略干燥收缩变形，但需重点考虑自收缩和温度收缩变形对开裂的影响。因此，拟制备无收缩混凝土以提高结构抗裂性。依据JGJ 55—2019 《普通混凝土配合比设计规程》，在满足强度、工作性和耐久性的基础上，制备的混凝土需兼顾低温升、无收缩等抗裂性能和体积稳定性，初步设计了系列C40基准混凝土和无收缩混凝土配合比进行试验研究。综合技术性和经济性原则，选择其中有代表性的配合比，如表1所示。

表1 明挖装配式地下车站侧墙叠合层现浇混凝土配合比

根据表1所示的混凝土配合比，参照相关标准规范，试验测试了混凝土早龄期绝热温升、弹性模量、劈裂抗拉强度及自生体积变形等性能指标随龄期的变化曲线，如图1所示。

图1 早龄期混凝土材料性能测试结果Fig.1 Test results of material properties of early age concrete

2 开裂风险评估方法与计算模型

2.1 评估方法

通常实体结构混凝土从浇筑成型开始一直处于水化、温度、湿度、约束等多种因素共同作用的复杂环境中，本文主要采用课题组提出的基于“水化-温度-湿度-约束”多场耦合机制的抗裂性评估理论与模型[5]，参照DB32/T 3696—2019《江苏省高性能混凝土应用技术规程》中的基本参数取值方法和计算方法，结合明挖装配整体式地下车站侧墙结构特点，对该轨道交通车站侧墙叠合层现浇混凝土温度历程和开裂风险进行评估。定义开裂风险系数η为实时应力与实时抗拉强度之比，如下式所示：

(1)

式中：

σ(t)——t时刻混凝土最大拉应力；

ft(t)——t时刻的抗拉强度。

一般认为η>1.0时，混凝土已经开裂；η=1时，混凝土达到理论上的临界开裂状态；0.7≤η<1.0时，考虑到混凝土早龄期性质的不确定性以及结构分析时的简化和近似，混凝土有较大可能开裂；η<0.7时，混凝土开裂可能性较小。

2.2 结构形式与计算模型

该轨道交通车站明挖装配整体式侧墙预制构件每节长3 m，高4.86 m，现场沿长度方向拼装成一定长度后，作为现浇混凝土的永久模板，另外一侧为地下连续墙，现浇混凝土浇筑闭合。与底板连接部分内侧采用木模板，预制部分与现浇部分通过钢筋连接，且分别呈凹槽状，两者互相咬合，现浇混凝土侧墙不仅受到底板的约束，还受到预制侧墙的约束。现浇侧墙与地下连续墙之间铺设一层防水卷材，由于防水卷材属于柔性材料，因此假设施工期地下连续墙与现浇侧墙之间仅存在热量的交换与传递，不对现浇混凝土产生约束作用。现浇叠合层侧墙总高度为6.46 m，但不同位置处厚度有所不同，主要有0.35 m、0.6 m或0.7 m几种典型厚度区域，其中与底板连接处现浇层厚度为0.7 m，上部凹槽处有0.35 m和0.6 m两种厚度。单块预制板长度为3 m，所以一次性浇筑长度必须是预制构件长度3 m的整数倍。侧墙结构具体布置情况及结构尺寸如图2所示。在此基础上，建立开裂风险评估计算模型如图3所示。

图2 侧墙结构示意图Fig.2 Schematic diagram of side wall

图3 侧墙结构计算模型Fig.3 Computational model of side wall structure

3 侧墙叠合层现浇混凝土开裂风险评估

3.1 材料参数

上述计算模型中的主要材料参数如表2所示；其余参数为：取日均气温20 ℃、入模温度25 ℃，下部0.7 m厚侧墙处采用木模板，3 d后拆除模板。

3.2 温度结果分析

采用上述结构热分析计算参数、计算方法和计算模型，得到侧墙现浇叠合层混凝土温度计算结果如图4所示。从图4可以看到：

1) 对于基准混凝土，厚0.35～0.70 m侧墙混凝土均在1.25 d左右达到温峰值，其中心温升和表面温升分别约为15.86～21.73 ℃、13.03～15.96 ℃，内外温差均小于6 ℃。可见，此类结构由内外温差引起开裂的可能性较小。

2) 无收缩抗裂混凝土最大温升发生在1.75 d左右，厚0.35～0.70 m侧墙混凝土中心温升和表面温升分别约10.91～16.21 ℃、8.47～11.66 ℃，内外温差小于5 ℃，与基准混凝土相比，无收缩混凝土温峰值降低了4.45～5.58 ℃。这是因为混凝土中掺加的抗裂材料延缓了早期水化放热速率，在结构具备散热条件下，为叠合层混凝土散热赢得了时间，从而大幅缓解混凝土集中放热程度，削弱温升和温降速度[6]。

3) 根据地铁车站实体结构混凝土的跟踪与监测分析结果发现[7]，对于C35地铁车站叠合墙体系内衬墙混凝土，尽管温升值基本在10 ℃以下，但是仍存在较大的开裂风险。此外，本工程结构形式类似于叠合墙结构，在此基础上同时还受到凹槽状C50预制板的咬合作用，约束作用更强，混凝土强度更高，温升值也更高，在目前温升值大于10 ℃的情况下有较大的开裂风险。

3.3 基准混凝土开裂风险结果分析

图5为一次性浇筑不同长度时侧墙现浇叠合层基准混凝土开裂风险评估结果，可以看到：

1) 由图5 a)、图5 b)可知，一次性浇筑18～24 m时，现浇侧墙中心混凝土最大η约1.17～1.23，大于1.0，说明该工况下基本上必然开裂；表面最大η约0.88～0.94，大于0.7，说明表面混凝土开裂风险也比较大；浇筑长度越长，侧墙混凝土最大开裂风险越大，一次性浇筑长度18 m增加到24 m时，η增大幅度约为5%～7%。

图4 侧墙现浇混凝土温度计算结果Fig.4 Temperature calculation results of the cast-in-situ concrete on the side wall

图5 侧墙现浇叠合层基准混凝土开裂风险计算结果Fig.5 Calculation result of cracking risk of the cast-in-situ reference concrete on the side wall laminated layer

2) 由图5 c)可知，除了离自由边界较近的地方，其它大部分中部区域混凝土η均超过了0.7，甚至超过1.0，厚度0.35 m和0.6 m区域混凝土仍然有较大的开裂可能性；且同一时刻现浇混凝土侧墙开裂风险在长度方向上有所波动，这是因为C50预制板和现浇侧墙截面厚度均是变化的，其现浇混凝土的约束程度和温升值不同位置处也是不一样的，温度高且约束大的地方(预制板较厚的位置处)开裂风险较大，而约束小的地方，开裂风险相对较小。

3.4 无收缩混凝土开裂风险结果分析

图6为一次性浇筑不同长度时侧墙现浇叠合层无收缩混凝土开裂风险评估结果，可以看到：

1) 一次性浇筑18～24 m长时，现浇侧墙无收缩混凝土最大η约0.66～0.72，除了浇筑长度24 m时，最大η稍大于0.7，有一定的开裂风险；而浇筑18～21 m时，η小于0.7，基本可控制混凝土不开裂。表面最大η约0.45～0.50，小于0.7，也不大可能开裂；浇筑长度越长，侧墙混凝土最大开裂风险越大；一次性浇筑长度18 m增加到24 m时，η增大幅度约为9%。

图6 现浇侧墙叠合层无收缩混凝土开裂风险计算结果Fig.6 Calculation result of cracking risk of the cast-in-situ non-shrinkage concrete on the side wall laminated layer

2) 采用无收缩混凝土，当一次性浇筑长度不超过21 m时，现浇叠合层混凝土最大η不超过0.7，可避免裂缝产生；从开裂风险随长度变化曲线可以看出，与基准混凝土类似，同一时刻现浇混凝土侧墙开裂风险在长度方向上有所波动，主要是因为结构尺寸和各位置处约束程度不同所致。

综上，采用无收缩混凝土是明挖整体装配式地下车站叠合层现浇混凝土裂缝控制的有效措施。

4 结语

综上，采用基于“水化-温度-湿度-约束”多场耦合机制的评估方法，结合明挖装配整体式地下车站侧墙结构特点和室内实测混凝土性能参数，对一次性浇筑不同长度时侧墙叠合层现浇混凝土的温度历程和开裂风险进行了定量分析，结果表明：

1) 尽管该侧墙结构现浇部分整体厚度较薄，尺寸较小，但由于本工程混凝土强度较高，早期水化较快，散热条件差，现浇基准混凝土内部仍然可产生15.9～21.7 ℃的温升，表面可产生13.0～16.0 ℃的温升，内外温差小于6 ℃，可见由内外温差产生裂缝的可能性较小，混凝土的开裂风险主要由整体降温过程中收缩变形受到高强预制侧墙和先浇底板对现浇部分混凝土外部约束作用引起；与基准混凝土相比，无收缩混凝土内部产生约10.91～16.21 ℃的温升，表面可产生8.47～11.66 ℃的温升，温峰值降低约5 ℃，有利于结构抗裂。

2) 一次性浇筑长度18～24 m时，现浇侧墙叠合层基准混凝土内部最大η均大于1.0，存在比较大的开裂风险；浇筑长度越长，现浇侧墙混凝土开裂风险越大；一次性浇筑长度18 m增加到24 m时，η增大幅度仅5%～7%，而且增加幅度趋缓。这也从侧面证实了此类结构约束作用较强，到达一定的长度后，长度的增加对约束贡献有限。因为地下车站叠合层现浇混凝土在温降阶段产生的收缩变形，不仅受到已浇底板混凝土的约束作用，而且受到凹槽状高强预制板的约束，导致混凝土容易产生开裂。

3) 与基准混凝土相比，采用无收缩混凝土，一次性浇筑长度为18～24 m时，现浇侧墙无收缩混凝土最大η约0.66～0.72，当一次性浇筑长度不超过21 m时，现浇叠合层混凝土最大η不超过0.7，可见，理论分析结果表明，对于明挖装配式地下车站侧墙叠合层结构，无收缩混凝土可以有效降低结构开裂风险，提高结构抗裂性，避免裂缝产生。