某地鐵車(chē)站大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫控制技術(shù)

占 文，秦明強(qiáng)，李進(jìn)輝，鄒玉生

(1.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430071;2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071;3.寧波市軌道交通工程建設(shè)指揮部，浙江 寧波 315000)

1 工程概況

圖1 福明路站主體結(jié)構(gòu)剖面(單位:mm)

地鐵工程的混凝土裂縫規(guī)律與一般地下工程的裂縫規(guī)律有著明顯的共性，但在裂縫控制的難度上有些不同:地鐵車(chē)站的跨度大、埋深大，普遍存在大體積混凝土問(wèn)題，且層間距大，一般6～7 m，在約束狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，造成混凝土的裂縫更加嚴(yán)重，影響混凝土裂縫的因素更加復(fù)雜［1］。同時(shí)，地鐵混凝土多為超長(zhǎng)薄壁結(jié)構(gòu)，不易養(yǎng)護(hù)，又存在基坑沉降因素，側(cè)墻及頂板的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)更大。據(jù)此，對(duì)福明路站各結(jié)構(gòu)分別開(kāi)展控溫防裂措施，各結(jié)構(gòu)選取代表性的一塊進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)部位及結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)部位及尺寸

2 混凝土溫度應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)地鐵站各結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分別選取墻體混凝土的1/2和底板、中板、頂板混凝土1/4進(jìn)行網(wǎng)格剖分，采用大體積混凝土施工期溫度場(chǎng)及仿真應(yīng)力場(chǎng)分析軟件模擬實(shí)際施工過(guò)程，進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算時(shí)考慮澆筑溫度、澆筑時(shí)間、平均氣溫、混凝土水化熱的放熱規(guī)律、混凝土結(jié)構(gòu)約束、基坑內(nèi)風(fēng)速、混凝土彈性模量等影響因素［2］。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2說(shuō)明，地鐵站墻、板混凝土基本為薄壁結(jié)構(gòu)，混凝土溫度應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)基本上為早期(3 d)應(yīng)力發(fā)展較快，后期發(fā)展較平緩，應(yīng)力整體水平不高。從安全系數(shù)看，中板、上側(cè)墻最小抗裂安全系數(shù)分別為1.48、1.32，安全系數(shù)相對(duì)較高(＞1.3)，出現(xiàn)溫度裂縫的風(fēng)險(xiǎn)較低，可以不對(duì)其進(jìn)行特別溫度控制與監(jiān)控措施，只需對(duì)應(yīng)力較為集中的交界處做好表面保溫保濕養(yǎng)護(hù)工作，以避免混凝土出現(xiàn)有害溫度裂縫。底板、下側(cè)墻3 d抗裂安全系數(shù)分別為1.05，1.12，頂板3 d，7 d抗裂安全系數(shù)分別為1.07，1.17(安全系數(shù) ＜1.3)，抗開(kāi)裂能力不高，早齡期需采取一定的溫控措施，加強(qiáng)其上表面或側(cè)面的保溫保濕養(yǎng)護(hù)。整體來(lái)看，溫控防裂的重點(diǎn)應(yīng)在控制混凝土早期裂縫。

表2 混凝土溫度應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

3 溫控防裂措施

地鐵工程混凝土多屬于薄壁結(jié)構(gòu)，不宜布設(shè)冷卻水管，溫控防裂主要依靠混凝土配合比控制、施工控制、澆筑溫度控制、內(nèi)表溫差控制和混凝土養(yǎng)護(hù)等措施。

3.1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

在原材料選擇方面，對(duì)主要原材料(水泥、粗骨料)進(jìn)行單獨(dú)招標(biāo)，舍棄了商品混凝土公司自行采購(gòu)的模式，優(yōu)選了兩家水泥廠和石料廠。其中，水泥注重比表面積、C3A含量、堿含量、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差和出廠溫度等指標(biāo);粗骨料注重級(jí)配、含泥量和壓碎值等指標(biāo)。

同時(shí)，對(duì)未招標(biāo)的原材料提出了控制指標(biāo)。如粉煤灰的細(xì)度、燒失量和含碳量，減水劑的固含量和減水率等。

配合比設(shè)計(jì)主要原則:其一，采用低水化熱的膠凝材料體系，降低水化熱。摻入大摻量礦物摻合料，摻合料比例約占45%(計(jì)入水泥中的混合材)。其二，控制單方用水量，降低收縮。用水量控制在160 kg/m3以?xún)?nèi)，同時(shí)也可兼顧耐久性要求。其三，選用優(yōu)質(zhì)聚羧酸系列緩凝高性能減水劑，延長(zhǎng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間。最后，控制現(xiàn)場(chǎng)混凝土坍落度，使用低流動(dòng)性混凝土。

在以上原則的指導(dǎo)下，利用優(yōu)選原材料經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，配制出抗?jié)B性好、體積穩(wěn)定性高和抗裂性能優(yōu)良的混凝土［3-5］。結(jié)合混凝土澆筑要求，最終確定的配合比見(jiàn)表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)件在進(jìn)行5個(gè)階段試驗(yàn)后，每一次的無(wú)損檢測(cè)結(jié)果都為合格，試驗(yàn)全部完成后，關(guān)鍵尺寸ФA在試驗(yàn)前后變化量最大為0.01%，尺寸ФB在試驗(yàn)前、后基本不變，說(shuō)明該渦輪盤(pán)具有5 200次的低循環(huán)疲壽命。

表3 各結(jié)構(gòu)混凝土配合比

3.2 施工控制

注意澆筑混凝土厚度，每次澆筑混凝土分層厚度不大于30～40 cm;側(cè)墻混凝土落差大，為防止混凝土離析，使用斜槽引流。

振搗時(shí)要防止漏振、欠振、過(guò)振。應(yīng)振搗密實(shí)，但又不得使混凝土表面出現(xiàn)浮漿，底板與頂板混凝土澆筑完畢收水、刮平后，立即嚴(yán)密覆蓋。為防止模板變形和?？p漏漿，模板應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，且不得移位;?？p應(yīng)嚴(yán)密、平整，漿液不得從?？p漏出。

3.3 澆筑溫度控制

澆筑溫度主要受原材料溫度、氣溫等影響。在混凝土澆筑之前，可通過(guò)測(cè)量水泥、粉煤灰、砂、石、水的溫度，估算澆筑溫度。另外，選擇合適的時(shí)間進(jìn)行混凝土澆筑比較重要。福明路站一期基坑各構(gòu)件于3～4月份施工，氣溫約在12℃ ～20℃之間，較易將混凝土澆筑溫度控制≤20℃，不需采取特殊措施。

3.4 內(nèi)表溫差控制

混凝土內(nèi)表溫差過(guò)大，在溫度梯度產(chǎn)生的自約束應(yīng)力作用下，混凝土可能出現(xiàn)表面裂縫，在后期降溫過(guò)程中就可能發(fā)展成為深層裂縫。本工程各結(jié)構(gòu)澆筑時(shí)間均處于春季，環(huán)境溫度較為溫和，注意保溫充分、時(shí)間足夠長(zhǎng)，避免混凝土冷卻過(guò)程中的裂縫產(chǎn)生即可。

3.5 混凝土養(yǎng)護(hù)

針對(duì)地鐵工程的不同結(jié)構(gòu)部位，不同養(yǎng)護(hù)措施如下:

1)底板和頂板

裂縫防御措施除延長(zhǎng)混凝土拆模時(shí)間外，還要加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)措施在頂板采取覆蓋養(yǎng)護(hù)，底板采取蓄水養(yǎng)護(hù)，保證水化用水充足，減少收縮。同時(shí)，也可以使一些小裂縫愈合。

2)側(cè)墻和中板

側(cè)墻和中板等此類(lèi)薄壁型混凝土裂縫根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理的不同主要可分為兩類(lèi):表面收縮裂紋及混凝土應(yīng)力裂縫。實(shí)際施工時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)延長(zhǎng)拆模時(shí)間，松模后澆水保濕養(yǎng)護(hù)(噴水養(yǎng)護(hù))，拆模后噴養(yǎng)護(hù)液養(yǎng)護(hù)等綜合措施加強(qiáng)對(duì)混凝土的保溫和保濕，有效避免了因降溫過(guò)快和干燥收縮導(dǎo)致的裂縫。

4 現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析

為檢驗(yàn)施工質(zhì)量和溫控效果，掌握溫控信息，以便及時(shí)調(diào)整和改進(jìn)溫控措施，做到信息化施工，在各結(jié)構(gòu)內(nèi)分別布設(shè)溫度傳感器，一共39個(gè)點(diǎn)，每個(gè)結(jié)構(gòu)部位外均再加一個(gè)氣溫測(cè)點(diǎn)。溫度測(cè)定在混凝土澆筑同時(shí)立即執(zhí)行，連續(xù)不斷。混凝土的溫度測(cè)試，溫峰前每2 h監(jiān)測(cè)一次，溫峰出現(xiàn)以后每4 h監(jiān)測(cè)一次，直到溫度變化基本穩(wěn)定為止。溫度傳感器測(cè)得的各結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)各特征參數(shù)如表4所示。

表4 各結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)各特征參數(shù)

表4說(shuō)明，由于施工季節(jié)氣候溫和，同時(shí)溫控措施到位，各項(xiàng)參數(shù)基本在預(yù)控范圍之內(nèi)。

各結(jié)構(gòu)混凝土最高溫度均稍高于溫控計(jì)算溫度，屬于合理范圍。同時(shí)底板之外的各結(jié)構(gòu)中，下側(cè)墻與中板一起澆筑、上側(cè)墻與頂板一起澆筑，實(shí)際上增大了混凝土澆筑體積，實(shí)際情況也應(yīng)高于溫控計(jì)算結(jié)果。地鐵站混凝土多為薄壁結(jié)構(gòu)，利于散熱，內(nèi)外溫差小，最大內(nèi)表溫差為6.3℃ ～14.3℃，明顯低于溫控標(biāo)準(zhǔn)，但后期散熱較快，應(yīng)注意溫峰過(guò)后的保溫。底板和頂板的水化熱溫升偏高，分別為41.6℃，37.7℃。分析認(rèn)為:底板混凝土處于基坑最底部，一面散熱，溫升較高，應(yīng)采取一定措施推遲或降低混凝土澆筑的熱溫峰，減少開(kāi)裂幾率;頂板較厚，施工時(shí)天氣晴朗太陽(yáng)曝曬，也導(dǎo)致水化熱溫升較高。

車(chē)站底板和頂板面積大、體積大，澆筑方量大?；炷亮芽p主要是溫度裂縫和收縮裂縫?；炷恋乃嘤昧枯^高，結(jié)構(gòu)條件具有大體積混凝土特征，使混凝土內(nèi)部溫升高。且混凝土配合比的水膠比較低，有較大的自身體積收縮變形。在結(jié)構(gòu)方面又是強(qiáng)約束的條件下，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力。當(dāng)拆模時(shí)間過(guò)早，混凝土強(qiáng)度不高，而被拉裂。在混凝土的后齡期，水化熱引起的溫差不存在，自身變形也趨于穩(wěn)定。這種原因的裂縫經(jīng)處理后可恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體性。因此，底板和頂板的裂縫控制應(yīng)著重于從降低水化熱及推遲熱溫峰方面來(lái)考慮，避免早期溫度裂縫的出現(xiàn)。

中板較薄，水化溫升低，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低;側(cè)墻厚度介于底板和中板之間，側(cè)墻溫升較低，但其受約束較大，同時(shí)不易養(yǎng)護(hù)，上下落差大，易出現(xiàn)沉降裂縫和收縮裂縫。

整體來(lái)看，各結(jié)構(gòu)最高溫度實(shí)測(cè)值與仿真應(yīng)力溫度計(jì)算結(jié)果吻合良好。實(shí)際操作中，為應(yīng)對(duì)各結(jié)構(gòu)的早期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，采取了合理的溫度裂縫控制措施。寧波軌道交通工程福明路站一期基坑從2010年2月開(kāi)始底板混凝土澆筑，到2010年5月30日最后一塊頂板澆筑完畢，在各方的共同努力下，溫控措施實(shí)施情況良好，混凝土內(nèi)部溫度與仿真計(jì)算較為吻合，最高溫度和內(nèi)表溫差均在溫控標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。從現(xiàn)場(chǎng)裂縫觀測(cè)結(jié)果看，以上監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)部位未出現(xiàn)有害溫度裂縫。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，地鐵工程各結(jié)構(gòu)多為薄壁結(jié)構(gòu)，不宜采用布設(shè)水管的控溫措施。同時(shí)地鐵工程地下現(xiàn)澆混凝土各結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫幾率相差較大，養(yǎng)護(hù)條件和措施也各不相同，不能一概而論。

底板和頂板為大體積混凝土，易出現(xiàn)溫度裂縫，溫控防裂措施主要從降低水化熱，推遲熱溫峰考慮;中板較薄，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低;側(cè)墻厚度介于二者之間，但其受約束較大，同時(shí)不易養(yǎng)護(hù)，上下落差大，易出現(xiàn)沉降裂縫和收縮裂縫，針對(duì)側(cè)墻裂縫產(chǎn)生機(jī)理，控裂重點(diǎn)在勻質(zhì)施工，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

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