軌道交通工程側墻大體積混凝土裂縫控制技術
——以北京市為例

文｜中鐵十六局集團地鐵工程有限公司 韋龍

大體積混凝土主要是指混凝土的結構以及尺寸達到了一定水平，并且需要采取針對性措施，此外應該對混凝土內部和外部溫度差值做出妥善處理，對裂縫做出控制。導致城市軌道交通發(fā)生滲水和漏水現(xiàn)象的根本原因在于混凝土結構出現(xiàn)裂痕，在工程建設中應該及時采取科學化措施預防和補救，提升城市軌道交通建設的質量。

一、工程案例概況

目前我國交通運輸事業(yè)發(fā)展較為迅速，城市軌道工程作為城市交通事業(yè)重要組成單元，具備較為復雜的大體積混凝土施工組織。與此同時，在項目工程建設過程當中存在較多控制點，由于外界環(huán)境變化以及內部施工技術原因，將會導致側墻大體積混凝土出現(xiàn)裂痕。北京市軌道交通某在建地下車站，主體采用地下兩層三跨箱型框架結構。車站總長338m，主體結構標準段總寬23.5m，負二層層高6.29m、負一層層高5.55m。側墻厚度0.9m，采用C40 普通混凝土，施工方案中劃分施工單元長度為21m。施工完成后，經現(xiàn)場工作人員檢查發(fā)現(xiàn)，墻體上出現(xiàn)混凝土開裂現(xiàn)象。為了最大限度彌補已經出現(xiàn)混凝土裂縫問題，降低后期車站側墻混凝土出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象。擬通過優(yōu)化混凝土配合比，對側墻結構混凝土合理分段，并從澆筑、振搗以及養(yǎng)護混凝土，強化工程質量控制。

表1 C40 側墻大體積混凝土配合比表（kg·m-3）

二、優(yōu)化側墻大體積混凝土制作材料的配合比

北京市地處亞熱帶季風氣候區(qū)，夏季來臨時，將會出現(xiàn)持續(xù)高溫天氣，而冬季來臨，又將會出現(xiàn)持續(xù)低溫天氣，大體積混凝土的內部位置具有相對較高的溫度，并且混凝土表面位置具有較快的散熱速度，從而導致大體積混凝土的外表面與內部形成較大溫差，并且基礎的外約束應力會作用到側墻結構中，此時需采取科學的方案設計混凝土配合比，降低混凝土水化熱以及收縮。

對側墻大體積混凝土配合比優(yōu)化設計，擬采取以下幾種控制措施：

第一，混凝土采用60d 后期強度作為配合比、強度評定的依據(jù)。

第二，水泥采用水化熱較低的普通硅酸鹽水泥，水膠比控制在0.4 以下。

第三，細集料采用優(yōu)質級配合理、質地均勻堅固、細度適中、非活性的水洗中粗機制砂，在選擇粗集料的時候要選擇規(guī)格為5mm 到31.5mm 的高品質洗碎石，這種材料運用的主要目的是為了確?；炷恋姆€(wěn)定性能得以提升。

第四，礦物摻合料采用Ⅰ級粉煤灰，用以減少水泥用量，增加混凝土的和易性，提高混凝土后期強度，并通過S95 高爐礦渣粉的摻入，對控制混凝土水化熱、保障工程所用的混凝土具有更加積極的影響。

第五，在選擇使用外加劑的時候，建議使用性能較高的CC-AI 聚羧酸減水劑。這種產品具有很高的減水性能，與國家的相關要求以及行業(yè)標準相吻合。使用這種減水劑的主要作用是將水化的溫度高峰值進行推遲，適當性的將水化反應作出推遲，合理的控制混凝土在早期使用當中的反應速度，進而達到對水溫進行控制的目標。

第六， 混凝土的坍落度控制在160mm±20mm。

經過優(yōu)化調整后，確定側墻大體積混凝土配合比，詳細如表1 所示。

三、側墻施工流水段合理劃分

混凝土在使用的過程中也會產生溫度，并且其自身的體積也會發(fā)生一定程度的變化。若是混凝土遭受到外部力量與自身約束力時候，混凝土便會產生應力。通過計算側墻混凝土結構內外約束應力及最大的抗裂安全系數(shù)，以確定側墻施工流水段的合理劃分。

1. 計算最大內約束應力

初秋時分，項目工程建設時環(huán)境的溫度大約在23℃左右，混凝土自身的溫度大約在25℃，工程中的混凝土最終的溫度達到53℃，此時應該是澆筑混凝土之后的第二天。本工程側墻采用外包柔性防水與圍護樁相互結合，從而構筑成復合墻結構。項目工程人員需要綜合分析與計算混凝土的降溫系數(shù)，將取值數(shù)據(jù)作為0.56，這個時候便可以對混凝土內部的溫度作出計算。

由于收到防水隔離層的影響，側墻大體積混凝土在考慮的時候可以忽略圍護樁的存在，當項目工程施工控制在理想狀態(tài)下時，那么致使混凝土出現(xiàn)裂縫的主要原因是出現(xiàn)在側墻中心區(qū)域的內約束應力，以及集中在側墻的底部區(qū)域基礎施工縫處的外應約束力。通過內外約束應力的計算，對導致側墻開裂的主要影響因素展開分析。

帶模進行為期四天的側墻混凝土養(yǎng)護，混凝土最大內外溫差出現(xiàn)在澆筑完成后的第五天，溫度差異大約在8℃到9℃之間。經過實測量，二十八天彈性模量E（t）=3.45×104MPa，通過計算可知第五天時，其彈性模量約為19320MPa。

最大內約束應力計算結果如下：

最大的抗裂安全系數(shù)K 計算結果如下：

在公式之中:σ（t）所表示的含義為最大的內約束力，單位表示為MPa；α 所表示的含義為混凝土線膨脹系數(shù)，其數(shù)據(jù)取值為1.0×10-5；E（t）所表示的含義是混凝土的內部溫度與外部溫度之間的溫度差所對應的齡期，單位表示為MPa；ΔT 所表示的含義為在完成混凝土澆筑工作之后，混凝土可能會出現(xiàn)的表面溫度與內部溫度之間的溫度差異，單位表示為℃。

混凝土的約束力抗裂安全系數(shù)處于最小值的時候，是在第五天，由于K（5）=2.24＞＞1.15，數(shù)據(jù)結果表明，側墻大體積混凝土開裂的原因并非是內約束應力。

2. 計算最大外約束應力

計算混凝土綜合降溫差時，要考慮各階段的干燥收縮與降溫收縮的結果，通過查看施工標準手冊，可確定16m 和21m 的側墻大體積混凝土，當澆筑混凝土出現(xiàn)最大約束力的時候，集中在第三天時間。

（1）21m 側墻混凝土的最大外約束應力計算結果如下：

其抗裂安全系數(shù)的結算結果如下：

在公式中，σ（t）所表示的含義是混凝土的齡期是第t 天的時候，因為受到綜合降溫差的影響，受外約束力影響而產生拉應力，其單位表示為MPa。

通過上述計算過程展開計算，結果可知混凝土的外約束力抗裂安全系數(shù)最小值是1.06<1.15，由上述結果表明，當側墻混凝土的施工分段長度為21m 時，在混凝土澆筑的第三天，單一的外約束應力將會導致出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，具有較大的風險。

（2）16m 側墻混凝土的最大外約束應力計算結果如下：

其抗裂安全系數(shù)的結算結果如下：

由上述計算結果得知，若是側墻混凝土施工的長度為16m 的時候，外約束應力抗裂安全系數(shù)的最小值為1.15≥1.15，通過結果判斷可知，倘若混凝土出現(xiàn)單一約束力，是可以相對降低側墻開裂風險。若是長度為21m，那么便可以有效提升安全系數(shù)。

四、混凝土施工及養(yǎng)護控制措施

嚴格控制到場混凝土坍落度，嚴禁施工人員加水調整，對超出坍落度允許偏差的混凝土進行退場處理。采用天泵進行混凝土澆筑，當模中被均勻注入混凝土的時候，那么便應該進行分層澆筑和振搗，但是需要控制厚度低于400mm。在相鄰的兩層澆筑之間，其時間間隔需要控制在1.5 小時之內，保證上層混凝土與下層混凝土兩者之間高效結合，保障不會出現(xiàn)施工縫。垂直控制其自由下落高度不超過2m。

混凝土振搗采用插入式振搗器，澆筑前需另準備一個備用振搗器，以免振搗器出現(xiàn)問題。插入式振搗器使用時要快插慢拔，即插入時要快，拔出要慢，在振搗中，將振動棒上下略微抽動，以使上振下?lián)v密實均勻。在展開振搗活動的時候，應該將振搗器的位置做出規(guī)范，一般情況下在下層混凝土的5 厘米處，這樣便可以強化上層混凝土與下層混凝土兩者之間的結合力度。振搗器在移動的時候，其前后移動的幅度不能夠超過振搗作用的半徑1.5 倍距離，普遍情況下為30 厘米到40 厘米之間，需要根據(jù)現(xiàn)場情況作出實際調查。每次將振搗器插入之后，進行的振搗時間需要控制在20 秒到30 秒，停止的時間節(jié)點為混凝土中沒有出現(xiàn)任何氣泡、也沒有出現(xiàn)較為明顯的下沉現(xiàn)象，甚至開始出現(xiàn)泛漿的現(xiàn)象。采用振搗器進行振搗的時間要做好嚴格的控制，時間不能夠太久，若是持續(xù)的時間較長，將會導致水泥漿與砂產生分離，混合物中的石子也開始下沉，與此同時也會在混凝土的表層位置出現(xiàn)砂層，降低混凝土的質量。

嚴格控制大體積混凝土溫度，夏季不大于28℃，冬季不低于不小于5℃，當混凝土入模澆筑的時候，其溫度要做好合理控制，不能超過50℃，混凝土的表層溫度與其內部溫度之間所形成的溫度差異要維系在25℃以內，并且還應該要控制器澆筑體降溫的實際速度也不能夠超過2℃，另外對于混凝土所處環(huán)境的溫度也有所要求，溫度之間的差異應該控制在20℃之內。

為保證混凝土有良好的硬化條件，防止早期干縮產生裂紋，在灌注后12h 內，即時對混凝土進行養(yǎng)護，防水混凝土養(yǎng)護不少于14d。為了利于混凝土保水養(yǎng)護，需在混凝土表面覆蓋塑料薄膜，防止養(yǎng)護期間下雨造成混凝土表面溫度的突降。

為了更進一步的對大體積混凝土在工程施工中的水化熱大小情況予以了解，清楚掌握深度不同的溫度場變化情況，探究在項目工程施工過程中的早期與中期之間的溫度差異變化規(guī)律，實現(xiàn)在施工過程中有的放矢的控制施工質量，在側墻上、中、下部埋設測溫點，在澆筑過程及養(yǎng)護過程中進行溫度變化的測定。在底板混凝土的中間位置以及距離地板上表面9 厘米的位置提前設置測溫孔，在這兩處位置對大體積混凝土的表面溫度以及中間溫度進行監(jiān)測。在位于露天位置、不容易被破壞的位置、距離混凝土表面1.5 米高度的位置安排三個溫度測量計，主要目的是檢測大氣中的溫度，將三個溫度測量計的數(shù)據(jù)取平均值。在混凝土澆筑完成的1 天到3 天之間，每三個小時測量一次溫度。在混凝土澆筑完成的4 天到15 天之間，每五個小時測量一次溫度。在混凝土建筑完成的15 天到30天之間，每十個小時測量一次溫度。借助于計算機技術實時管理測溫數(shù)據(jù)。

結語

城市發(fā)展離不開公共基礎設施的強力支持，城市交通系統(tǒng)發(fā)展水平，將會在很大程度上促進人口流動，加快經濟發(fā)展步伐。軌道交通作為當下熱門交通工程，得到人們廣泛青睞。本文簡要的分析了北京市交通軌道系統(tǒng)中某車站的側墻大體積混凝土的優(yōu)化設計以及配比情況，希望能夠為相關研究人員提供參考。