天津地铁1号线工程主体结构混凝土裂缝控制措施
摘 要：本文论述了地铁主体结构混凝土裂缝产生的原因，并从工程设计、混凝土原材料选择、配合比以及施工工艺等几个方面，介绍了天津地铁1号线工程在主体结构混凝土裂缝的控制措施。
关键词：地铁、混凝土、裂缝控制
1．概述
天津地铁1号线全长26.2 Km，北起刘园，南至双林。该工程的试验段工程全长1.58 Km,已于2000年10月正式开工,部分工程的主体结构已经竣工。由于天津市地下水位高，地铁的主体结构均位于含水层中，因此，天津地铁的主体结构将长期受到地下水的有害作用。如果没有可靠的防水措施，地下水不仅可以渗入地铁的主体结构内而直接影响地铁主体结构的正常使用，而且严重地危害到地下结构物的寿命。为此，天津地铁主体结构采用了“结构自防水为本，附加防水为辅”的防水方法，二者相结合，能够达到“刚柔结合，协调匹配，优势互补，标本兼治”的防水目的，可有效解决地下结构渗漏现象的发生。
所谓混凝土结构自防水，主要是在混凝土中掺加外加剂，使混凝土致密不裂或把裂缝控制在一定范围内，达到不渗不漏的目的。因此，对防水混凝土不能只追求抗渗等级，而不注意防止裂缝的产生。否则抗渗等级虽高，裂缝严重时照样渗水。
由此可见，地铁工程防水的成败，关键是控制地铁主体结构防水混凝土裂缝的产生。
2．混凝土裂缝产生的原因
为避免和减少裂缝，就必须分析防水混凝土产生裂缝的原因，然后在施工中采取相应的控制措施。防水混凝土的裂缝通常有以下几种：
2.1收缩裂缝
2.1.1失水收缩
①开始凝结的混凝土在强烈风、阳光直射或湿度下降的影响下，外露表面的水分迅速蒸发，产生收缩应力，最后导致裂缝产生。这种裂缝一般是不规则的表面龟裂。
②已凝结的防水混凝土由于养护不及时，早期失水，会产生干燥收缩裂缝。这种裂缝也是不规则的，而且易于贯通结构而引起渗漏。
2.1.2水化收缩
①混凝土水泥水化反应产生大量的热量，使混凝土内部温度升高。到达一定程度后,混凝土中心温度超过外界温度时，混凝土就要向外界散热，这是一个降温的过程，此过程将使混凝土产生冷缩。
②混凝土水泥水化反应出现泌水和水分急剧蒸发现象引起收缩。
③水泥水化过程生成新的水化产物，以及水泥水化物Ca(OH)2吸收空气中的CO2而引起的收缩现象。
2.2移动裂缝
模板强度或刚度不够，尚未凝固的混凝土在自重和振捣器作用下，很容易因变形而引起裂缝。此外，木模板吸水、漏水、漏浆，也容易使混凝土产生裂缝。
2.3结构裂缝
结构设计考虑不周，如钢筋用量不足、配筋错误、地基不均匀下沉、超荷载、过度振动（如地震）等，都会使混凝土拉应力过大而产生裂缝。
总之,引起混凝土裂缝的原因是非常复杂的。但总体上讲，裂缝主要可分为受力裂缝和其他因素如收缩、温度、不均匀沉陷等引起的裂缝。工程实践中结构物由变形引起的裂缝几乎占80％以上，而其中混凝土收缩又是占主要的。属于由外力引起的裂缝约占20％左右，这类裂缝在设计上是可以避免和控制的。
3.防水混凝土裂缝控制措施
地铁主体结构裂缝是不可避免的，但其有害程度是可以控制的。地铁主体结构产生裂缝现象与设计、原材料的选择、混凝土配合比和施工工艺等方面密切相关，尤其是原材料的品质、混凝土配合比和施工工艺影响较大。在地铁工程建设中，为防止防水混凝土结构裂缝的产生，就必须从防水混凝土裂缝产生的原因入手，着重加强以下几个方面控制。
3.1精心进行防水混凝土结构设计
防水混凝土的结构设计一般都要进行裂缝开展的验算。即使如此，也很难保证防水混凝土在干缩应力、荷载和温度变化的影响下不产生收缩裂缝。设计过程中应尽量保持构件截面均匀，避免截面突变出现尖角、棱角，以减小混凝土收缩应力和荷载应力的集中。通过裂缝宽度验算调整主筋配筋量，把裂缝最大宽度控制在迎水面不大于0.2mm，背水面不大于0.3mm。结构配筋应加强纵向分布钢筋，其配筋应按细而密的原则配置，钢筋间距宜控制在150mm以内，必要时可加设扩张金属网，以提高混凝土的极限拉应变，控制混凝土的收缩裂缝。天津地铁试验段工程洪湖里车站,主体结构侧墙与顶板原设计配筋采用Φ18mm@200mm，配筋率为0.36%。施工中为提高主体结构抗裂性，将原设计配筋改为Φ16mm@150mm，配筋率为0.38%。另外，为平衡结构收缩应力，在侧墙中部1m的范围内和顶板中部3m范围内，将水平构造筋间距调为100mm。
此外，设计中还应对施工段长度的划分提出指导性意见，适当缩短施工缝间距，分段长度宜控制在12m以内。
3.2严格控制防水混凝土原材料质量
防水混凝土的原材料要求如下：
3.2.1水泥
①尽量采用低标号、低水化热的水泥；
②在不受侵蚀性介质和冻融作用时，宜采用普通硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥；如采用矿渣硅酸盐水泥则必须掺用外加剂，以降低泌水率；
③在受冻融作用时，则优先选用普通硅酸盐水泥，不宜采用火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥；
④不得使用过期和受潮结块的水泥，并不得将不同品种、标号的水泥混合使用。
3.2.2外加剂
①外加剂应符合国家或行业标准一等品以上的质量标准。
②可根据需要掺入减水剂、膨胀剂、防水剂、引气剂、复合型外加剂等；外加剂可单掺，也可复合使用，其品种和掺量应通过试验确定。
③外加剂的使用应不影响结构的强度，并应具有体积膨胀、强度提高、坍落度提高和损失小、收缩落差小等特点。优质外加剂的含碱量不能超过 0.75％。
3.2.3砂、石
①应符合现行《普通混凝土用砂石质量标准及检验方法》和《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》的规定。 ②石子最大粒径不宜大于40mm，泵送时其最大粒径为输送管管径的1/4～1/3决定。所含泥土不得呈块状或包裹石子表面，用于防水混凝土其含泥量不应大于1％；石子吸水率不应大于1.5％。
③宜采用中砂，用于防水的商品混凝土含泥量不应大于3％。
3.2.4掺合料
①可掺入一定数量的磨细粉煤灰、磨细矿渣粉、硅粉等。
②磨细粉煤灰的级别不应低于二级，掺量不应大于20％；硅粉掺量不应大于3％；其它品种掺量应通过试验确定。
3.3优化防水混凝土配合比
防水混凝土配合比应通过试验确定，其抗渗等级应比设计要求提高0.2Mpa。在满足抗渗要求的前提下，尽量减少水泥用量，藉以提高防水混凝土的抗裂性。在设计允许的前提下，大体积防水混凝土可采用后期强度（60d或90d）进行配合比设计。
防水混凝土中各种材料的总碱量（Na2O当量）不得大于2Kg/m3。水泥用量不得小于300Kg/m3，掺有活性粉细料时，水泥用量不得小于280Kg/m3；砂率宜为35～40％，泵送时可增至45％；灰砂比宜为1:2～1:2.5；水灰比不得大于0.55，用于防水商品混凝土时不得大于0.6。普通防水混凝土坍落度不宜大于5cm，用于防水商品混凝土入模坍落度宜控制在12±2cm。入模前每小时坍落度损失值应小于3cm，坍落度总损失值不应大于6 cm。
掺引气剂或引气型减水剂时，混凝土含气量应控制在3～5％。用于防水商品混凝土的缓凝时间宜为6～8h。
为了做好天津地铁1号线试验段工程的防水混凝土配合比工作，天津地铁总公司在施工前对防水混凝土原材料与配合比进行了专家论证，统一了原材料与配合比，方便了防水混凝土的质量控制。
3.4合理混凝土施工模板设计
施工中模板应平整，拼缝要严密不漏浆，并要有足够的强度与刚度。地铁主体结构防水混凝土施工最好采用钢模板，钢模板散热快，失水少，振感灵敏而不易使混凝土产生裂缝。
3.5强化防水混凝土施工工艺
做好施工过程中的降水、排水工作，必须做到围护结构无渗漏水，严禁带明水浇注主体结构混凝土。
对于明挖法施工采用排桩的围护的结构，桩间凹槽部位应采用喷射混凝土和防水砂浆找平，尽量减少基面对新浇注的侧墙混凝土收缩的约束。
要避免在炎热的夏季露天浇筑防水混凝土，混凝土初期曝晒会因过量失水而开裂。在浇筑混凝土时，还要注意控制施工温度。夏季混凝土入模温度直控制在25℃以下，施工时宜将砂石预冷，例如向砂石堆上喷洒水温低的地下水或将砂石遮盖。而冬季拌合混凝土时，应将拌合水适当加热，使混凝土人模温度能保持在5～10℃以上。
防水混凝土必须采用机械搅拌，搅拌的时间不应小于2min；掺外加剂时，应根据外加剂的技术要求确定搅拌时间。
混凝土运输过程中如出现离析，必须进行二次搅拌。当坍落度损失后不能满足施工要求时，应加入原水灰比的水泥浆或二次掺加减水剂，严禁直接加水。
防水混凝土必须采用机械振捣，时间宜为10～30s，以混凝土开始泛浆和不冒气泡为准，并应避免偏振、欠振或超振。掺引气剂或引气型减水剂时，应采用高频插入式振幅器振捣。
混凝土结构内部设置的各种钢筋或绑扎铁丝不得接触模板，固定模板的螺栓必须穿过混凝土结构时应有止水措施。
合理划分施工段长度，适当缩短施工缝间距，分段长度宜控制在12m以内。底板、边墙、顶板施工缝尽可能对齐，必要时采取跳槽施工，也可采用后浇带。
3.6认真进行防水混凝土结构的养护
养护及时对防止裂缝有重大作用，特别在夏季施工时更是如此。混凝土在潮湿环境中养护，有利于降温散热，减少温差，减少和推迟因失水而产生的干缩，保证混凝土强度迅速增长。因此，规范规定防水混凝土至少养护14d，这对防止产生有害裂缝是非常必要的。大体积防水混凝土施工应采取保温保湿养护，模板拆除时间宜控制在混凝土强度达到80％左右，避免失水过快，混凝土的中心温度与表面温度以及表面温度与大气温度的差值均不应大于15℃，且混凝土的降温速率每天不应大于2℃。
四．结语
防水是地铁工程成败的关键，而控制地铁主体结构裂缝的产生又是保证防水质量的重中之重，它已愈来愈受到工程界的重视。工程实践表明，设计、材料选择是控制地铁主体结构的基础，主体结构混凝土施工工艺是防水质量的技术保证，只有同时做好两者才能达到预期效果。总之，防水混凝土产生裂缝的原因是很复杂的，而且往往是各种因素的综合。为了防止结构产生有害裂缝，就必须根据工程的具体条件，因地制宜地采取相应措施，才能使地铁主体结构裂缝得到较好地控制。
参考文献：
[1] 工程结构裂缝控制，王铁梦，北京，中国建筑工业出版社，1997.8
[2] 地下铁道设计与施工，施仲衡等，西安，陕西科学技术出版社，1997.7
[3] 深圳地铁一期工程混凝土结构自防水措施研究，高树东，现代隧道技术，2002第1期
[4] 地下工程防水技术问答，中国建筑防水，2001年第4期
原文作者：李养平(天津市地下铁道总公司)
