地铁车站主体结构混凝土开裂及缺陷研究

岳国伟

摘 要：地铁车站施工中存在的问题较多，其中混凝土开裂是较为常见的问题，这种“常发病”以及“多发病”直接影响着地铁工程技術人员的进一步施工。为有效解决开裂渗漏对地铁运行安全带来的影响，同时大幅降低后期维修费用，本文对地铁工程中混凝土裂缝的产生机理和影响因素进行分析、总结，针对不同情况、不同部位结构裂缝，提出针对性的裂缝控制办法。

关键词：地铁车站;混凝土裂缝;材料因素;施工因素;设计因素

中图分类号：TU755文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）07-0092-04

Study on Concrete Cracking and Defects of Main Structure of Subway Station

YUE Guowei

（China Railway Seventeenth Group Shanghai Rail Transit Engineering Co.， Ltd.，Shanghai 200135）

Abstract： There are many problems in the construction of subway station， among which concrete cracking is a common problem. This kind of "common disease" and "frequently occurring disease" directly affect the further construction of subway engineering and technical personnel. In order to effectively solve the impact of cracking and leakage on subway operation safety， and greatly reduce the later maintenance costs， this paper analyzed and summarized the mechanism and influencing factors of concrete cracks in subway engineering， and put forward targeted crack control methods according to different situations and different parts of structural cracks.

Keywords： subway station;concrete cracks;material factor;construction factors;design factors

1 研究背景

国家地下交通基础设施的构建备受瞩目，呈现出迅猛发展的态势，大量的地铁工程在各个地区竞相出现。但同时，地铁车站施工中存在的问题也逐渐凸显，其中混凝土开裂是较为常见的问题，这种“常发病”以及“多发病”直接影响着地铁工程技术人员的进一步施工，严重时会威胁到人员的生命安全。若是采取科学的措施加以处理，多种裂缝问题便可迎刃而解，降低开裂渗漏对地铁运行安全产生的影响。本文着重分析混凝土裂缝产生的原因，通过归纳和总结，提出施工中控制裂缝的可行对策，以防患于未然。

2 混凝土开裂的影响因素及危害

2.1 影响因素

混凝土开裂的影响因素主要包括四个方面：材料因素、设计因素、施工因素、外界因素[1]。

2.1.1 材料因素。早期，为了满足施工进度和模板周转速度的要求，片面追求混凝土强度。多年来强度第一、强度为宜的错误观念从混凝土行业传递到水泥行业，造成把水泥强度与活性等同，认为强度的唯一来源就是水泥。错误的认识造成水泥熟料早期强度高、细度增加，再加上水泥中的石膏形态和数量没有正确优化，碱含量高，在提高水泥早期强度的同时也导致水泥水化热和混凝土的收缩变形显著增加。实际上，水泥的早期强度既有化学方面的作用，也有物理方面的作用，通过优化水泥的颗粒分布，也可以提高物理作用对强度的影响，这一点又是很容易被忽视的。

砂石原材料的粒形、级配和含泥量对混凝土收缩有很大的影响。砂石粒形和级配差，要达到相同的坍落度，浆体用量增加，砂率增大，混凝土的稳定性变差。砂石含泥量增加不仅会影响混凝土拌和物的强度，而且会影响混凝土的收缩。一般来说，随着含泥量的增加，混凝土裂缝产生时间和产生条数会都增加。

外加剂和矿物掺合料种类繁多，质量参差不齐，假粉煤灰、假矿粉的现象时有发生，进厂检测难度大，有时很难发现。在试验过程中，只重视抗压强度的试验，对其他性能和体积稳定性缺乏研究。对各种外加剂和掺合料的特性和使用范围研究更少，使用过程中往往依据已有经验和主观意识。这无形中增加了混凝土裂缝出现的概率。

2.1.2 施工因素。混凝土本身是一种人造混合材料，质量的好坏能通过成型混凝土反映出来，若是混凝土成型后质量均匀、密实，则证明混凝土本身质量较好。在混凝土搅拌及运输时，要规避各个工序可能出现的缺陷及疏漏，这些均可能成为裂缝产生的诱因。

水分蒸发和水泥结石等也会导致混凝土出现明显的裂缝。模板构造不合理，出现漏水、漏浆和模板变形等情况，会造成混凝土开裂。在具体施工阶段，钢筋表面的污染若未能及时处理，混凝土保护层较大或较小时，也会使混凝土出现裂缝。在实际浇灌阶段，如果钢筋发生碰撞而出现了移位的情况，也会出现裂缝问题。

混凝土养护，尤其是早期养护的质量和裂缝之间存在着密切的联系。早期表面干燥或者是内外温差较大时，易产生裂缝问题;养护不合理，导致混凝土抗渗性有所降低，从而致使钢筋锈蚀年限成倍缩减，引发明显的裂缝;1天养护和7天养护，导致碳化问题出现，从而引发锈蚀情况，年限缩减为原来的四分之一[2]。

在极端天气条件下施工（低温、炎热、暴雨），会导致混凝土结构开裂。

经过几十年的发展，混凝土施工工艺有了很大的进步，但现场施工工人往往不了解，依然按照传统的经验和养护方法进行施工。再加上为了缩短工期，加快模板周转，过早地拆模以及养护不足和不养护，加剧了混凝土裂缝的形成和开裂程度。

此外，在混凝土浇筑过程中，施工工人为了降低劳动强度，私自加水，导致混凝土坍落度明显增加。混凝土坍落度一旦增加，将会使混凝土离析分层，严重威胁混凝土拌和物的匀质性，导致混凝土收缩存在着明显的差别，出现裂缝的概率明显提高。

2.1.3 设计因素。设计结构构件断面突然因开洞、留槽等因素出现应力集中的情况，构造处理不到位，产生了明显的构件裂缝;设计中对构件施加的预应力不合理，使构件本身产生裂缝;设计中钢筋的配置较少或者过粗，未能全面地分析混凝土构件的收缩变形情况，也使构件裂缝十分明显;设计中实际运用的混凝土等级较高，导致用灰量有所增加，直接影响收缩过程;各种结构缝设置不合理，导致混凝土出现了明显的开裂问题。

2.1.4 外界因素。钢筋混凝土结构开裂的基本原因是地基产生了不均匀沉降，出现形变。裂缝的大小和形状等，均能直接影响地基变形，因为地基变形使得应力明显提升，导致裂缝贯穿性显著。

混凝土具有热胀冷缩的性质，相应的线膨胀系数是1×10-5/℃。当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形受到约束，则在结构内产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时，就会产生温度裂缝。工程项目中，该类裂缝较为多见，如现浇屋面板上的裂缝和大体积混凝土裂缝等。

湿度变形。混凝土在空气中结硬时，体积会逐渐缩小，一般谓之干缩。收缩裂缝，常见于现浇墙板式结构和框架结构中，通常是因为养护不合理所致。砼的收缩值是0.02%～0.04%，发展规律为早期快、后期慢。对于超长建筑物和构筑物，一般需要适当添加微膨胀剂，以妥善处理混凝土早期干缩的问题。

在结构受荷之后，易出现明显的裂缝问题，例如，拆模较早或者是构件使用方式不合理，构件堆放或者是吊装阶段的吊点位置不合理，都会引起明显的裂缝问题。最为常见的是钢筋混凝主梁和板等受弯构件，在荷载作用下易产生明显的裂缝。普通钢筋混凝土构件承担30%～40%的荷载时，裂缝十分明显，肉眼通常不易察觉。构件的极限破坏荷载一般在设计荷载的1.5倍以上。

砼的徐变引起开裂和裂缝的例子較为常见。依照相关文献记载[3]，受弯构件截面砼受压后徐变，可以使构件变形增大2～3倍，预应力结构受徐变的影响，会出现明显的应力损失，降低结构的抗裂性能。

除此之外，还受周边环境的影响，如酸碱腐蚀导致裂缝问题，以及意外事件，如火灾、轻度地震等引起构筑物裂缝。

2.2 混凝土裂纹及缺陷的危害

混凝土裂纹及缺陷会损害建筑物的功能（安全性、适用性、耐久性），如防水建筑物出现漏水等;降低混凝土结构的强度，影响建筑物的安全;降低混凝土结构的整体性及密实性，大大增加如钢筋锈蚀、碳化、离子侵蚀等程度，降低结构耐久性，增加运营维护费用，使建筑物寿命缩短，影响建筑物外观。

3 现浇混凝土开裂产生条件与机理

3.1 混凝土开裂的本质与产生条件

混凝土的抗拉强度只有抗压强度的6.67%～10.00%，且混凝土抗拉强度和抗压强度比值（拉压比）随着抗压强度的增加而减小。混凝土开裂的本质原因为混凝土结构自身拉应力[σs]大于其抗拉强度[σt]（[σs]>[σt]），混凝土结构变形受到约束限制时就会产生应力，其中，拉应力[σs]是由于变形方向与约束相背离时产生。

混凝土自身拉应力的产生具有两个条件：①混凝土自身的变形;②变形受到约束作用，事实上混凝土构件总是处于被约束状态，这些约束有些来自地基摩擦和端部构件，但更多来自混凝土的钢筋和混凝土内外部的不同应变，而且混凝土内部存在力的不均匀性。

3.2 混凝土开裂产生机理

混凝土在约束条件下会因干缩应变产生弹性拉应力，同时会因黏弹性作用造成应力松弛，这两种作用相互影响，属于多数结构变形和开裂的根本原因。混凝土裂缝控制可以从控制形变、减小约束和提高抗裂出发。

4 车站结构混凝土裂缝及缺陷案例分析

4.1 侧墙垂直地面裂纹

墙体垂直裂缝通常在拆模时或拆模后数日出现。相邻两裂缝间的距离为：前期距离为4～5 m，随着时间推移，逐渐变为1.5～2 m，基本裂缝宽度0.1～0.5 mm，底部垂直向上（顶部垂直向下），中间宽两端细直至消失。但是，渗水通常由底部开始。其产生机理是塑性收缩。侧墙渗漏水情况如图1所示。

早期，相邻两裂缝间的距离在4～5 m，随着时间推移，相邻裂纹之间再产生裂纹，导致裂纹宽度变为2～3 m，而且由于各个标段的施工工艺不同，产生的裂纹数量也有明显区别。其产生机理是干燥收缩，侧墙渗漏水情况发展如图2所示。

修补之后，渗漏点转移，由下部跑到上部，由（下部）上部跑到两侧。图3为修补后渗漏点情况。

垂直地面裂缝控制措施为：混凝土配合比设计阶段，依照工程结构的基本情况，全面分析混凝土内部温度升高情况，控制好胶凝材料的总量、水胶比、浆骨比等。水泥品种应该优先选择水泥比表面积较小且放热量适度的中热水泥或低热水泥，借助粉煤灰等矿物掺和料的作用，替代原有的水泥，合理控制混凝土水化热。运用缓凝型高效减水剂（如萘系、脂肪族与葡萄糖酸钠、三聚磷酸钠复合），适当延缓水泥本身的水化速度，科学控制温度升高的趋势。

结构设计者应该积极设置伸缩缝，运用密而细的墙体构造筋。对于高强度等级的混凝土墙体，应适当加入一定量的有机纤维，提高混凝土本身的抗裂性能。春秋季节昼夜温差变化较大时，应适当选择低温和无风情况下浇筑混凝土，终凝通常选择在太阳即将升起时，此时混凝土内外温差较小。施工人员需要落实好测温工作，若是混凝土内外温差超过25 ℃，且表面温度和大气温差超过20 ℃，需要及时采取保温措施，同时科学地推迟具体的拆模时间。对于完全终凝的混凝土墙体，要洒水并养护，关注温差情况，将温差控制在15 ℃以内。在秋季转冬季的特殊阶段，混凝土日均降温速率建议不超过3 ℃/d。控制拆模过程中的温度，应该在混凝土表面温度和最低环境温度差值小于10 ℃时拆模[4]。同时，要及时封闭通风口，避免冷风快速冷却墙体，使温差裂缝出现。

4.2 底板表面塑性裂纹

塑性收缩是指混凝土终凝之前，因高温或风速较大，大面积暴露的新浇混凝土表面因失水较快而产生的收缩裂缝。该类裂缝主要表现为表面裂缝，在混凝土硬化前生成，通常是在混凝土浇筑后几小时产生，一般在干热或大风天气出现，裂缝长度在几十厘米至一米多，间距大多为几十厘米且分布不规则。开始时裂缝的深度一般在几厘米，有约束的混凝土（如楼板）硬化后有可能会继续发展成贯通裂缝。

底板表面塑性裂纹因大风、太阳照射等原因，在混凝土凝结前，表面过早（大量）失水。裂纹产生机理为毛细管张力。

表面塑性裂纹的机理是混凝土浇筑后，大暴露面板式结构容易带来水分蒸发加剧，从而引起塑性收缩开裂。

措施：二次抹抹面、采取挡风和遮阳措施、及时洒水和覆盖养护;尽量夜间施工，避免阳光直射;调整配合比，适当增加混凝土的泌水、采用早期抗裂性能较好的混凝土。二次抹面施工图如图4所示。

4.3 顶板或中板混凝土裂纹

顶板的厚度一般在70～100 cm，顶板底部均为带模养护，顶部暴露在空气中，前期的养护不当导致顶板顶部出现龟裂现象。顶板结构混凝土相对较厚，早期的收縮除了自收缩和温度收缩外（早龄期以内外温差引起的温度收缩为主），还包括塑性收缩。而其外部约束主要为长度方向上两侧的顶板混凝土，梁、柱节点（节点处对板类混凝土有约束，振捣不到位、不密实或有冷缝）以及宽度方向上两侧的侧墙混凝土。侧墙结构的主要约束为筏板混凝土，与顶板约束不同。顶板或中板混凝土裂纹特征：无规则、无方向、无规律可循。

中板裂缝较少的原因是中板混凝土结构上下表面均可以散热，相较于顶板混凝土厚度较薄，且较易养护，混凝土无明显水化温升，后期干燥收缩占主导。

车站梁、柱根据设计要求，采用不同强度标号的砼（例如，柱一般为C50，梁、板一般为C35）;梁柱节点处在浇筑混凝土时应采取围挡措施，防止梁、板砼流入梁柱节点范围，一般采用钢丝网围挡。节点施工后细部图如图5所示。

梁板柱节点混凝土施工处是一个重要而又易忽视的地方，在施工过程中应加强防范，精细施工。

5 结语

影响混凝土开裂的因素很多，就单一因素来评价和研究是不够的。因此，在工程实践中，从气候温度、施工环境、施工工艺及工程结构特点等出发，抓住产生裂缝的主要因素，兼顾次要问题，从而采取针对性措施控制裂缝。

参考文献：

[1]樊江苏.地铁车站混凝土结构顶板收缩裂缝研究[J].西部探矿工程，2011（6）：204-205.

[2]中华人民共和国国家经济贸易委员会.水泥混凝土养护剂：JC 901—2002[S].北京：中国标准出版社，2002.

[3]徐峰.建筑工程混凝土裂缝原因及防治措施[J].石河子科技，2014（1）：57-58.

[4]赵亮亮.地铁车站侧墙混凝土表面缺陷处理技术研究[J].山西建筑，2010（28）：143-144.

[5]肖华.地铁工程混凝土非受力裂纹预防与处治[J].科技资讯，2008（22）：69.