复合式地铁车站渗漏防治MPFC法摘要:造成复合式地铁车站开裂渗漏的原因主要有环境条件、约束作用、诱导缝等处理不当及局部应力集中四个方面。施工中可采用MPFC防治法,即对复合式地铁车站可从材料技术、预应力技术、纤维混凝土技术及施工保障系统出发进行全面防治。关键词:复合式;地铁车站;防渗;MPFC法目前地铁车站侧墙结构形式主要有复合式结构(图1)、分离式结构和单墙结构三种,后两种形式仅在个别车站试用,复合式墙体结构地铁车站是目前主要的结构形式。鉴于复合式墙体结构地铁车站目前的重要地位,本文就其渗漏原因和防治措施进行重点探讨。
1复合式地铁车站渗漏特点 复合式地铁车站开裂渗漏具有以下三个特点[1,2]: (1)开裂渗漏现象主要集中在顶板、中板与内衬墙面,且大都靠近顶板、中板与侧墙相交的部位(图2、图3[3]),而底板渗漏最少或几乎没有渗漏;
(2)“三缝”即变形缝、施工缝和诱导缝处的渗漏现象较为突出; (3)在某些特殊部位,如侧墙的支撑头或穿墙管附近会出现宏观裂缝或孔洞而引起渗漏。2复合式地铁车站渗漏分析2.1环境条件及化学反应的影响 环境条件对地铁混凝土开裂渗漏的影响主要体现在三个方面:环境温度场、湿度场的变化和差异、地基的不均匀沉降。其中温度场及湿度场的变化和差异在所有影响因素中是最为突出的两个。地铁混凝土结构采用的是大体积混凝土,在凝结和硬化过程中,会释放出大量的热。在外界的温度、湿度场的差异与混凝土自身产生的热量场的共同作用下,混凝土将发生收缩变形,出现裂缝。裂缝宽度达到一定程度时,渗漏现象就会出现。另一方面,地铁结构属于超静定结构,在基础为软土地基时,它会因基础的不均匀沉降而使结构受到强迫变形,最终使结构开裂渗漏。2.2约束的作用 复合式地铁车站顶板与内衬墙所受约束直接影响裂缝的宽度与分布状况,而其所受约束又受到施工顺序的影响。内衬墙混凝土的浇筑晚于连续墙混凝土,顶板及中板混凝土的浇筑晚于内衬墙混凝土。由于先浇筑的混凝土在后接工序施工时,收缩变形已基本完成,这样后面工序浇筑的混凝土在收缩变形时会受到先期浇筑混凝土的约束,在它们的接触面上形成面分布剪力,导致在内衬墙中产生偏心拉应力而使其开裂渗漏。2.3“三缝”的设置对渗漏的影响2.3.1变形缝对车站渗漏的影响 变形缝只设在车站和出入口的相接处,是为了防止不均匀沉降和温度应力造成的结构破坏。但主体结构与出入口往往不是同时施工,先期施工所埋入的橡胶止水带很容易在后期施工过程中遭到损坏,故多数变形缝是渗漏的。鉴于此,国内外的地下工程有减少甚至不设变形缝的要求和大量实例。2.3.2施工缝对车站渗漏的影响 车站施工缝分为结构段间与段间的竖向施工缝和结构段内衬墙与顶板间的水平施工缝。施工缝的设置,使渗漏的概率增加。分析原因主要有以下几点: (1)施工缝混凝土表面凿毛不规范,造成新老混凝土的粘结不好; (2)止水条(带)敷设不牢靠,浇筑混凝土时跑偏、变形; (3)遇水膨胀胶条与基面不密贴或在浇筑混凝土前受水浸泡先行膨胀; (4)胶条接头处理不当或施工缝处模板缝隙处理不好,混凝土跑浆。2.3.3诱导缝对车站渗漏的影响 当结构变形、内应力增大时,诱导缝将首先开裂,即将结构开裂“诱导”到设置的诱导缝处张开,钢筋混凝土结构则因此而避免或减少开裂和渗水。地铁车站为长条形结构,长宽比很大,在荷载作用下一般按横向受力的框架进行计算。而由车站的纵向弯曲、温度、混凝土收缩等引起的结构纵向受力较小,准确的受力分析又比较复杂、困难,主要采取构造措施,板内纵向钢筋一般仅按构造要求配置。如果构造措施不足或不当,往往导致结构在使用过程中产生横向开裂,且由于裂缝沿纵向过于分散,易出现渗漏现象。另外诱导缝一般使用止水带和密封胶来达到裂而不渗的效果,但如果施工不当会产生与施工缝同样的渗漏现象。2.4应力集中及其他原因引起的渗漏 在复式结构地铁的内衬墙上,一些穿墙构件在施工结束后,由于连续墙与内衬墙收缩变形不同步,出现局部应力集中现象而导致渗漏孔洞的出现。在侧墙上, 支撑头预埋件周围也是发生渗漏的常见部位。主要原因是该部位的混凝土难浇筑,不易密实;预埋件有锈蚀层或受振后松动致使混凝土产生裂缝。此外,施工不当也会使地下连续墙钢筋接驳器处发生渗漏。3MPFC防治法 针对复合式墙体结构地铁车站渗漏的特点,笔者建议应从三方面进行防渗,即材料、设计和施工,并可将其归纳为MPFC防治法。具体地讲,M代表材料技术(material technique),P是指预应力技术(prestressed technique),F指纤维混凝土技术(fiber concrete tech-nique),而C代表施工技术(construction technique)。MPFC法(图4)详述如下。
3.1材料技术 在材料方面,防渗措施主要包括混凝土材料性能参数的筛选及柔性防水材料的选择。混凝土材料参数的筛选是遵循刚性防水的原则,而选择柔性防水材料则是为弥补刚性防水的不足,遵循了柔性防水的原则。刚性材料方面,主要包括水泥、砂石、外加剂和掺合料的性能参数的选择。水泥选材环节主要包括水泥品种的选择、水泥用量的确定以及水泥技术指标的要求等方面[4]。选用砂石应着重粒径和含泥量两方面的要求。目前较常采用的抗裂防渗外加剂为膨胀剂,它可在水化和硬化阶段产生膨胀,以补偿混凝土硬化的体积收缩,同时改善了混凝土的孔结构,使之更加密实。目前在抗裂方面最为常用的掺合料是粉煤灰。由于粉煤灰的颗粒呈圆球状,加入到混凝土中后,能起到润滑作用,可显著改善混凝土的和易性,同时在满足强度要求下可代替部分水泥,以降低水化热,减小混凝土的温度应力,从而增加地铁混凝土的抗裂防渗性能。3.2预应力技术 复合式地铁车站混凝土开裂渗漏的因素很多,但主要因素可归结为温度场的变化和混凝土自身的收缩两方面。由于混凝土的收缩对裂缝的影响可转化为等效的当量变化温度,所以只要能模拟或计算出地铁车站在等效温度场作用下的应力场,即可对地铁车站进行经济有效的抗裂防渗设计(图5、6)。
在对地铁车站应力场的准确描述或模拟的基础上,采用预应力技术可以解决由环境条件变化、约束作用和“三缝”设置等三个因素所造成的地铁混凝土开裂渗漏问题。因为前两个因素都是使混凝土内部产生拉应力,而预应力技术是解决混凝土抗拉问题最为成熟的技术,采用这一技术可以发挥成熟理论的优势。而且,由于体现于地铁顶板与内衬墙的“三缝”问题主要体现在对诱导缝的设计上,尽量少设诱导缝是减少地铁渗漏的有效方法,因此确定合适的诱导缝间距就成为值得进一步探讨研究的问题。预应力混凝土施工工艺在地铁车站环境下的进一步研究可以扩大诱导缝的设置间距,从而更好地解决由“三缝”引起的地铁渗漏现象。3.3纤维混凝土技术 纤维混凝土是当代迅速发展的新型复合建筑材料,尤其以钢纤维混凝土及合成纤维混凝土发展最快。钢纤维对混凝土具有显著的阻裂、增强和增韧的作用,合成纤维也可有效防止混凝土早期收缩裂缝[5]。在地铁车站工程中,局部应力集中是造成开裂渗漏的主要原因之一,而在应力集中区域掺加一定量的钢纤维或合成纤维,一方面可提高应力集中区混凝土的密实性和柔韧性,另一方面还可改善应力场分布,从而降低应力集中带来的不利影响(图7)。虽然国内外均对纤维混凝土作了大量研究[6-9],但对于不同种类或直径的纤维对不同尺度裂纹扩展的限制机理研究较少,由于理论上的一些空白,导致在工程实际应用中只凭经验掺加纤维的现象时有发生,故需有进一步的试验和理论研究对工程定量设计提供指导与参考。国内也有不少工程利用钢丝网来解决局部应力集中问题,虽然可取得一定的抗裂效果,但相对于日益发展的纤维混凝土技术而言,具有施工技术复杂、工程造价较高等不利因素。
3.4施工保障系统 从目前研究实践的现状来看,在施工保障系统方面影响混凝土开裂的环节主要有施工队伍的素质和技能、包括防水咨询和监理在内的监理系统以及系统施工技术的应用。由素质较高的专业施工队伍负责防水施工,建立并完善包括防水咨询和监理在内的监理系统,同时注意对配套施工技术的合理应用是保证设计防水效果、提高施工质量的后期必备环节。在配套施工技术方面,包括混凝土的拌制、振捣、运输、浇筑、养护,还有对施工缝、变形缝、诱导缝的细部处理,以及泄压装置的处理等方面。一套可靠而有效的施工保障系统是对材料技术、预应力技术和纤维混凝土技术的应用保障,同样不容忽视。 MPFC抗裂防渗法是针对复合式墙体结构的渗漏特点提出的,但对于其他类似工程亦有一定的参考价值。其具体内容可由图4说明。4结语 工程实践证明,地铁车站以结构自防水为根本,坚持“以防为主,综合治理”的原则是正确的。鉴于复合式墙体结构地铁车站的渗漏特点和主要影响因素的分析,本文提出MPFC地铁车站渗漏防治法。其具体实施内容包括:通过前期对刚性和柔性防水材料性能参数的选择优化,同时应用较为成熟的预应力技术和新型的纤维混凝土技术,并需配备一套完善的施工保障系统。参考文献[1]梁双成,等.深圳地铁某区间钢筋混凝土管片生产中出现裂纹的分析与控制[J].混凝土,2003(7).[2]陈明.地铁科学馆站顶板混凝土裂缝简析[J].铁道标准设计,2004(3).[3]刘国彬,等.上海地铁车站的防水现状及改进措施[J].建筑技术,2003,34(7).[4]张雪松,等.上海地铁车站结构防水措施评述[J].土木工程学报,2000(5).[5]徐至钧.纤维混凝土技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.[6]赵国藩,等.钢纤维混凝土结构[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.[7]BalaguruPN.Fiber-reinforcedcementcomposites[M].McGraw-HillInc,1992.[8]KraaiPP.AproposaltestTODeterminethecrackingpotenTIAlduetodryingshrinkageofconcrete[J].ConcreteConstruction,1958,30(9):775-778.[9]AlhozaimyAM.Mechanicalpropertiesofpolypropylenefiberrein-forcedconcreteandtheeffectsofpozzolanicmaterials[J].CementandConcretecomposites,1996(18):85-92.
