轨道交通车站主体结构混凝土开裂成因及施工防治技术

刘鸿琨

（中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏南京211800）

1 工程概况

洪湖路站为地下两层岛式车站，车站外包总长275.5m，标准段结构宽19.7m，有效站台中心里程处底板埋深约16.4m，有效站台宽11m。车站主体采用的是地下二层单柱双跨闭合框架结构，局部为双柱三跨形式，应用明挖顺作法展开施工作业。

2 裂缝类型及特点概述

侧墙混凝土浇筑施工过程中，初期3个节段存在裂缝问题，具有平行分布的特点，数量为4~6条，裂缝形状呈枣核状，以贯穿式为主，伴有渗漏问题。

顶板结构浇筑施工中，也出现裂缝质量问题，主要有如下三种形式：施工缝处45°斜裂缝、预留孔洞间横向裂缝、中间仓网状裂缝，各自占比分别为70%、20%、10%。裂缝发生时间方面，拆模初期仅存在少量的裂缝，经拆模作业后，在随后的2~3周裂缝逐步显现，处于“大规模爆发期”，3周后趋于稳定，不再出现新裂缝。

3 主体结构的裂缝成因分析

3.1 侧墙混凝土裂缝的成因

混凝土结构受到外部约束等多重作用，严重影响其温度收缩、自收缩等一系列的收缩，导致体积变化受到制约，随之出现体积变形问题。随着收缩变形应力的逐步增加，待其超过混凝土的抗拉强度时，显现出开裂问题。此类裂缝的影响程度随时间的变化而改变，初期对结构承载力的影响甚微，后续有扩大的变化趋势，随之影响混凝土结构的完整性和耐久性。

（1）自收缩。经浇筑后，混凝土在密封环境中的表观体积有减小的变化特点，称之为自收缩。水泥水化是关键的原因，其结果则是混凝土体积的逐步减小。自收缩具有阶段性变化的特点，通常可分为三个阶段：①自收缩与化学收缩相一致，此方面的特性主要受到水泥水化特性的影响；②混凝土逐步成型，形成相对完整的骨架，此时自收缩受到制约，以化学收缩为主；③混凝土硬化，两种类型的收缩均有减弱的变化特点。

混凝土强度是影响自收缩的关键因素，强度等级在C30以内时，虽然有自收缩现象但相对微弱，随着其强度等级的提高，自收缩程度逐步加剧。轨道交通工程建设中，侧墙是裂缝的高发区域，通常在施工早期便显现。

（2）温度收缩。水泥水化热过程中释放大量的热量，其被聚集在混凝土内部，而表面的温度可在短时间内大幅下降，由此形成较大的内外部温差，随之出现收缩现象。侧墙混凝土施工中，在拆模前便出现明显的降温，降温收缩和自收缩持续发生，导致侧墙混凝土受到较强的约束作用，因此易在拆模前出现裂缝。相比之下，底板混凝土虽然也有该问题，但降温速度相对较小，因此温度收缩裂缝的发生概率较低，通常无大范围的不良影响。

3.2 顶板混凝土裂缝的成因

顶板结构混凝土裂缝的成因与侧墙具有相似性，即该部分结构混凝土的早期收缩变形应力相对较大，在超过自身的最大抗拉强度时，则会由于受力不合理而出现裂缝[1]。不同于侧墙结构的是，顶板的早期收缩形式更为多样化，除了与侧墙相一致的自收缩和温度收缩外，还存在不同程度的塑性收缩。

总结出如下几项关键原因：

（1）施工缝的45°斜裂缝。施工缝本就较为薄弱，其一侧的顶板混凝土存在较明显的收缩变形问题，另一侧及旁侧的混凝土存在较强烈的约束作用，由此形成拉应力，两部分结构的拉应力分别与施工缝呈平行、垂直的关系，通过对受力条件的分析，得知合力方向为斜向45°，若该方向的拉应力大于顶板混凝土的抗拉强度，则会出现裂缝（具有与拉应力方向垂直的位置关系）。

（2）预留孔洞间横向裂缝。该部分混凝土有收缩变形问题，此方面与施工缝几乎一致，但孔洞为自由端，不会对混凝土带来约束作用，拉应力主要分布在长度方向，与施工缝呈垂直的位置关系，此条件下的裂缝沿宽度方向分布。

（3）中间仓网状裂缝。此类裂缝的分布无特定的规则，与顶板混凝土早期塑性收缩有关，混凝土的水分在短时间内大幅度蒸发，较之于表面水蒸发率而言，实际泌水率偏小，待表面达到相对干燥的状态后，将逐步形成弯液面，出现孔隙负压问题，并伴有收缩现象。纵观轨道交通车站主体工程，大暴露面板式结构是塑性收缩开裂质量问题的高发区域，较为常见的部位有底板、顶板、中板，同时裂缝的发生概率受环境影响，在光照强度高、湿度偏低的环境中，更容易出现该类问题。

4 轨道交通车站主体结构裂缝的防治技术及应用效果分析

4.1 原材料质量控制

（1）水泥：比表面积不超过350m2/kg；铝酸三钙含量不超过8%；碱含量不超过0.60%；进场温度不超过60℃。

（2）骨料：①粗骨料，堆积空隙率不可超过45%，且该值需尽可能偏低；②细骨料，以中砂为宜，要求含泥量在2%以内。

（3）矿物掺和料：Ⅱ级以上粉煤灰，比表面积不可超过450m2/kg。

（4）外加剂：以减缩型聚梭酸高性能减水剂为宜，原因在于此类材料具有高减水率、低收缩率比的特点。

4.2 混凝土配合比的优化

（1）在不影响混凝土综合质量的前提下，适度减少水泥的用量，即250kg/m3，在减少水泥的用量后，有助于减小混凝土的温升幅度，同时缓解自收缩现象。

（2）混凝土砂率应较低，可根据需求掺入矿粉，但不可过量使用。混凝土坍落度（160+20）mm，泌水率需控制在10L/m3以内。

（3）针对施工条件特殊（例如温度等环境因素的影响较大、局部质量要求较高等）的情况，常规方法的应用效果有限，此时应根据需求做进一步的调整，例如使用抗裂材料，通过此途径抑制混凝土的自收缩以及温度收缩，确保混凝土具有良好的抗裂性能。

4.3 混凝土入模温度的控制

混凝土对温度较为敏感，不同温度条件下的混凝土性能表现不尽相同，关于入模温度的控制要求，如表1所示。

表1 混凝土入模温度控制

4.4 养护措施

在缺乏保温措施或是所采取的保温措施应用效果欠佳时，将出现主体结构温度在短时间内明显下降的情况，随之加大温度开裂问题的发生概率，且此现象在墙体结构中体现得更为明显，关于拆模时间与温度的关系，如图1所示。对此，在墙体施工中，可以适当延长拆模时间；在完成拆模作业后，随即设置土工布或采取其他保温措施。

图1 侧墙结构混凝土拆模时间与其温度历程关系

高温、大风等条件下，将进一步加剧蒸发现象，结构出现不规则裂缝，尽管此时已经达到硬化状态，但气候条件特殊（偏干燥），依然会出现浅层裂缝，其在短时间内不会对结构的承载力带来影响，但后续在外部环境因子的影响下，有扩展的趋势。针对此问题，在主体结构混凝土进入强塑性阶段以及硬化后，需要适时地采取保湿养护措施。以墙体结构为例，在顶部布设淋水孔，向下喷水，使墙体结构混凝土维持湿润的状态；板式结构施工中，可以覆盖土工布并蓄水，期间加强对水体温度以及混凝土表面温度的检测，尽可能减小两者的差值，不可超过25℃。

4.5 防治技术的应用效果

轨道交通车站主体结构施工中，加强质量检验，在发现开裂的情况，及时做出响应，由技术专员分析具体的成因，采取针对性的控制措施，例如优化混凝土的配合比、升级施工工艺等。在本工程中，通过多重措施的实施，后续的侧墙施工质量有所提升，裂缝数量减少80%以上，仅在局部出现1~2条裂缝（主要原因在于工期较紧，部分结构施工时难以减小分段长度，随之出现裂缝）；对于顶板结构而言，在后续的施工中未见任何裂缝。总体来看，所采取的主体结构裂缝防治技术应用效果较佳，具有可行性。

5 结语

轨道交通车站主体结构是工程中的重点施工内容，但其受材料质量、施工工艺、环境温度等多方面因素的影响，易出现主体结构开裂的情况，不利于地铁车站的正常运营，甚至潜在诸多安全隐患。本文结合工程实例，针对裂缝的成因以及防治技术展开探讨，希望所提的内容可作为类似工程的参考。