探讨地铁车站结构开裂特定原因与解决方法

　　摘要:随着城市基础建设的发展,城市建设日益向地下、空间纵深发展,地铁工程建设项目在各大城市日趋增多,但工程结构裂缝的产生一直是困扰地铁工程的难题之一,在地铁工程中,特别是车站侧墙结构,混凝土产生裂缝的现象极为普遍,裂缝的存在影响了混凝土的强度和耐久性,缩短结构的使用寿命,更甚至引起结构渗水、漏水,严重的影响了地铁工程的正常使用和安全运行。

　　关键词:车站结构，开裂机理，控制措施

　　1裂纹的危害机理分析

　　当混凝土灌注完成后,混凝土中大量的碱性物质(氢氧化钙、钠、钾等)使混凝土处于高碱度环境(PH>12),高碱度使钢筋表面形成钝化膜,钢筋不发生腐蚀现象,当裂纹产生后,钢筋直接暴露在有腐蚀介质的水和空气中,空气中的酸性介质使混凝土很快丧失高碱度环境,PH值很快下降,钢筋被腐蚀氧化成FeO、等,从而结构物强度分阶段性下降:钢筋握裹力下降→钢筋受力截面缩小→混凝土顺钢筋开裂→钢筋保护层剥落→混凝土结构物寿命成指数倍下降。另一方面,地铁工程绝大部分为地下工程,结构处于地下水位以下,当结构裂纹产生后,势必引起结构渗漏水,造成施工单位的成本风险,影响工程的正常交付,后期渗水还将影响到地铁的正常使用和安全运行等。

　　2裂缝成因分析

　　2.1材料因素

　　混凝土为多空材料,它是由水泥、砂、石组合经化学反应而成的材料,在水泥凝结过程中存在微细和毛细孔,从微观上看混凝土是水泥石、砂、石及充有空气、水的微孔和微裂纹的多项组合体,本身存在微观裂纹。另一方面,由于混凝土中的胶凝材料发生水化反应,随着水化物的生成,混凝土局部压力的增大,将混凝土内多余的水分挤出,形成毛细通道,从而产生毛细裂纹。

　　2.2施工因素

　　(1)地基承载力不均,引起结构变形,产生裂缝明挖法施工的地铁车站,地面荷载及结构自重均通过结构最终由基底土层承受,如果基底承载力明显不均,相邻两段底板结构相对沉降较大,结构受弯、受剪而产生裂纹或裂隙,该现象多为两结构段连接处(施工缝)产生,引起漏水,影响较大。

　　(2)混凝土配合比不合理,入模温度高,产生干(收)缩裂纹

　　为了便于管理,保证质量,目前地铁多采用商品混凝土,而地铁结构混凝土又多采用泵送方式施工,为了补偿混凝土的坍落度损失,保证可泵性,商品混凝土的水灰比往往比较高,导致混凝土在硬化过程中因失水产生干缩裂纹,尤其在夏天,太阳直射,水分蒸发快,往往水泥水硬反应所需的水分得不到及时提供,水硬过程受阻,影响混凝土的致密性,干缩裂缝的产生现象较为普遍。

　　(3)结构内外温差梯度大,养护不当,产生温差裂纹

　　温差裂纹是由于混凝土导热系数低,为热的不良导体,混凝土结构不同部位的水化热散热距离不同,结构内外温升、温降不同步,造成局部温差应力而产生的。

　　由于混凝土较差的导热性,混凝土浇筑后大部分水泥的水化热都聚集在侧墙内,内部热量不易散发,迅速形成温峰,造成内外温差;另一方面当混凝土在养护或使用过程中遭遇突然降温时同样也会形成内外温差。内外温差使混凝土表层和中心体积变化各异,相互约束,使混凝土表层产生拉应力,内部产生压应力,应力的大小取决于该点温差梯度的大小。当混凝土表面拉应力和内部压应力耦合后,大于混凝土自身抗拉强度时混凝土开裂。

　　(4)浇筑不当,造成结构不密实,产生施工间隙缝

　　在结构混凝土浇灌时应分层进行,每层厚度应不大于25cm,随浇随捣,车站侧墙施工一般距离不超过1m,应设一振捣点,而实际施工往往因捣固不足,相互搭接不好而出现漏捣等现象,造成结构表面蜂窝麻面,严重时引起混凝土内部结构疏松,形成裂纹;在捣固过程中,新灌混凝土过厚或振捣器未深入下层已振捣但未初凝混凝土或者因施工停顿而未加适当处理均可能造成上下层混凝土灌注分层,产生间隙缝,引起结构漏水,该类裂纹引起结构渗水、漏水占裂缝漏水的绝大数。

　　2.3结构因素

　　混凝土浇筑后凝固收缩,但由于受到钢筋、相邻结构等的约束,而产生拉应力,当该拉应力大于混凝土的抗拉强度时,混凝土结构产生收缩裂纹。所以不合理的结构组合,同样可能导致裂缝的产生,该类裂缝称为约束裂缝。

　　地铁站地下2、3层围护结构为人工挖孔咬合桩,侧墙为C30混凝土,厚400mm,围护结构和主体结构间未设防水层。在混凝土浇筑、水泥水化过程中,混凝土逐渐由液态向可塑态和固态转变,同时变强、变硬,物理性能发生变化,由于混凝土的凝固收缩特性以及新浇侧墙与围护结构的强约束条件,阻碍了混凝土的收缩,受约束的侧墙出现拉应力,当混凝土拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时,就会在混凝土侧墙壁内产生约束裂纹,该裂纹自内向外延伸,贯穿整个侧墙,造成贯穿性渗水裂缝。

　　3控制措施

　　通过对地铁结构裂缝产生机理的分析和实例调查统计,就如何减少和控制混凝土裂缝,从施工、养护、温度控制的角度拟建议以下措施:

　　(1)尽量在低温环境下浇筑混凝土,可能的情况下尽量减少水泥用量,选用水化热低的水泥;降低混凝土的入仓温度,有条件可采用低温拌制混凝土,如加冰混凝土等。

　　(2)混凝土在浇筑7天龄期内水化热温度远大于外界环境温度,若此时贸然拆模再加以喷水养护,必将造成太大的温差梯度,导致温差裂纹的产生,针对该情况,建议车站侧墙采用钢模作模板,在7天龄期内让混凝土自然降温,混凝土内部聚集的水化热量经钢模板向外界自然散热,以防止过大的温差梯度。7天后拆除模板,再采取滴管养护,使混凝土后期均衡散热,最终内部温度等同环境温度,减少温差裂缝的产生机率。

　　(3)尽量避免扰动结构基础下的原状土,土方开挖严格按照机械开挖—人工捡底—做垫层—浇主体的顺序进行,并作地基承载力检测。对于遭雨水、地下水浸泡的,或地基承载力明显不够的,必须加以处理。该情况如果不加以重视处理,在结构荷载作用或今后运营列车的反复冲击下必将导致结构基础的不均匀沉降,特别是车站底板分段的施工缝处必然产生裂缝,发生渗漏。这种裂缝由于贯穿整个底板,整治起来非常困难,工程浩大。

　　(4)加强施工过程控制,从统计上不难看出,众多施工间隙缝的产生正是施工原因造成的,而该类裂缝绝大多数为贯穿性裂缝,引起结构渗水,危害极大。地铁车站侧墙为薄壁、大面积混凝土灌注,必须应加强振捣工序的管理,防止漏捣、过捣,尽量保证混凝土灌注的连续性,均衡性,避免施工间隙。若因客观原因造成混凝土灌注的停顿,间隙时间超过混凝土初凝时间,必须严格按照施工缝处理方式处理后方可重新开始灌注。

　　4结束语

　　经过对地铁车站裂缝产生的理论分析和实践经验表明,裂缝的产生是与施工方式、管理,混凝土配比,结构自身等都有必然的内在联系,但有许多因素又是相互制约的,比如车站结构采用叠合结构,使内衬侧墙与围护结构共同受力,协调变形,减少了侧墙钢筋和厚度,节约了成本,同时车站抗浮问题得以解决,但是围护结构同时又约束了内衬侧墙混凝土凝固收缩,增大了侧墙开裂渗漏的机率,又比如为了减少水化热的产生,想进一步减少水泥的用量,但又必须解决减少水泥后与混凝土强度,抗渗性的矛盾,所以具体的量化,结构的优化等,还待进一步的研究和科学论证。