某地铁车站大体积混凝土结构温度裂缝控制技术.pdf

2 0 1 1 年第 7期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 5 7 文章编号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 7 - 0 0 5 7 — 0 3 某地铁车站大体积混凝土结构 温度裂缝控 制技 术 占 文 ， 秦 明强 ， 李进辉 ， 邹玉生。 ( 1 ．中交武汉港湾工程设计研究 院有 限公 司， 武汉4 3 0 0 7 1 ；2 ．长大桥梁建设施工技术交通行业 重点实验室 ， 武汉4 3 0 0 7 1 ；3 ．宁波市轨道交通工程建设指挥部 ， 浙江 宁波3 1 5 0 0 0 ) 摘要 ： 为确保地铁车站大体积混凝土施工质量， 避免 出现 温度裂缝 ， 在温度应力场仿真计算的基础上提 出温控 防裂措施 ， 并开展现场温度监测。工程实践表明， 地铁站各结构控裂侧 重点各不相 同， 需采取 不 同温控 防裂措施 避 免有 害温度 裂缝 的产 生 。 关键 词 ： 地 铁 工程 混凝 土 裂缝控 制 温度监 测 中 图分 类 号 ： U 2 3 1 ． 4文献 标识 码 ： B 1工 程概 况 宁波市轨道交通 1号线一期工程起于市区西部 的 高桥镇 ， 终点 站 为东 外 环路 站。线 路全 长 约 2 1 ． 0 0 k m， 设车站 2 0座 ， 其中地下站 1 5座 ， 高架站 5座。该 工程先行节点福 明路 站位于中 山东路和福 明路 路 口 处， 沿中山东路东西向布置 ， 为明挖地下二层 1 0 I n岛 式 车 站 。车站 长 1 8 6 ． 4 3 i n ， 基 坑按 两 期 开 挖 。一 期基 坑长 1 0 8 I n ， 车站主体结构变形缝按诱导缝构造设计 ， 墙 、 板沿诱 导缝 自东 向西分设 6块 浇筑 ， 标为 A～F 段 。主体结构底板厚1 1 0 0 m m， 侧墙厚 7 0 0 m m， 顶板 厚 9 0 0 m m， 中板厚 4 0 0 m m， 底板、 侧墙、 中板} 昆 凝土强 度等级为 C 3 5 ， 顶板混凝土强度等级为 C 4 0， 主体结构 剖 面见 图 1 。 图 1 福明路站 主体结构剖面 ( 单位 ： n l m) 收稿 日期 ： 2 0 1 0 — 1 0 - 1 0 ； 修 回日期 ： 2 0 1 1 — 0 1 — 3 1 基金项 目： 宁波市重大科技攻关项 目资助 ( N o ． 2 0 1 0 C 5 0 0 1 8 ) 作者简介 ： 占文( 1 9 8 3 一) ， 男 ， 湖北黄冈人， 助理工程师 ， 硕士 。 地铁 工程 的混 凝 土裂 缝规 律与 一 般地 下工 程 的裂 缝规律有着明显 的共性 ， 但在裂缝控制的难度上有些不 同： 地铁车站的跨度大、 埋深大 ， 普遍存在大体积混凝土 问题 ， 且层间距大， 一般 6～ 7 1T I ， 在约束状态下 ， 会产生 较大的收缩应力， 造成混凝土的裂缝更加严重， 影响混 凝土裂缝的因素更加复杂⋯。同时， 地铁混凝土多为超 长薄壁结构 ， 不易养护 ， 又存在基坑沉降因素， 侧墙及顶 板的开裂风险相对更大。据此 ， 对福明路站各结构分别 开展控温防裂措施 ， 各结构选取代表性的一块进行温度 监测 ， 监测部位及结构尺寸如表 l 所示。 表 1监测部位及尺寸 2 混凝土温度应力仿真计算结果 根据地铁站各结构的特点， 分别选取墙体混凝 土 的 1 ／ 2和底 板 、 中板 、 顶 板 混凝 土 1 ／ 4进 行 网格 剖 分 ， 采用大体积混凝土施工期温度场及仿真应力场分析软 件模拟实际施工过程 ， 进行仿真计算。计算时考虑浇 筑温 度 、 浇筑 时间 、 平 均气 温 、 混凝 土 水 化 热 的放 热 规 律、 混凝土结构约束 、 基坑 内风速、 混凝土弹性模量等 影响因素 。计算结果如表 2所示 。 表 2说明， 地铁站墙、 板混凝土基本 为薄壁结构 ， 混凝土温度应力发展趋势基本上为早期( 3 d ) 应力发 展较快 ， 后期发展较平缓， 应力整体水平不高。从安全 系数看 ， 中板 、 上侧墙最小抗裂安全系数分别为 1 ． 4 8 、 1 ． 3 2 ， 安全系数相对较高(>1 ． 3 ) ， 出现温度裂缝的风 铁道建筑 表 2混凝土 温度 应力场计 算结果 险较低 ， 可以不对其进行特别温度控制与监控措施 ， 只 需对应力较为集中的交界处做好表面保温保湿养护工 作 ， 以避 免混 凝土 出现 有 害温 度裂 缝 。底 板 、 下 侧 墙 3 d抗裂 安 全系 数分 别 为 1 ． 0 5 ， 1 ． 1 2 ， 顶板 3 d ， 7 d抗 裂 安全 系数 分别 为 1 ． 0 7 ， 1 ． 1 7 ( 安全 系数 <1 ． 3 ) ， 抗 开 裂 能力不高， 早龄期需采取一定的温控措施 ， 加强其上表 面或侧面的保温保湿养护 。整体来看 ， 温控防裂 的重 点应在控制7 昆 凝土早期裂缝。 3温控 防裂措 施 地铁工程混凝土多属于薄壁结构， 不宜布设冷却 水管 ， 温控防裂主要依靠混凝 土配合 比控 制、 施工 控 制 、 浇筑温度 控制、 内表温差控制 和混凝 土养护等措 施 。 3 ． 1原材 料及 配合 比设 计 在原材料 选择方 面， 对 主要原 材料 ( 水 泥、 粗 骨 料) 进行单独招标 ， 舍弃 了商 品混凝土公 司 自行采 购 的模式 ， 优选 了两家水泥厂和石料厂。其中， 水泥注重 比表面 积 、 C A含量 、 碱 含量 、 强 度 标 准 差 和 出 厂 温 度 等指标 ； 粗骨料注重级配、 含泥量和压碎值等指标。 同时 ， 对未招标 的原材料提出了控制指标。如粉 煤 灰 的细度 、 烧失 量 和含碳 量 ， 减 水剂 的 固含量 和减 水 率等。 配合比设计主要原则 ： 其一 ， 采用低水化热的胶凝 材料体系 ， 降低水化热。掺人大掺量矿物掺合料 ， 掺合 料 比例约 占4 5 ％( 计入水泥中的混合材 ) 。其二 ， 控制 单 方 用 水 量 ， 降 低 收缩 。用 水量 控 制 在 1 6 0 k g ／ m 以 内， 同时也可兼顾耐久性要求。其三， 选用优质聚羧酸 系列缓凝高性能减水剂 ， 延长混凝土的凝结时间。最 后 ， 控制现场混凝土坍落度 ， 使用低流动性混凝土 。 在以上原则的指导下 ， 利用优选原材料经反复试 验 ， 配制出抗渗性好 、 体积稳定性高和抗裂性能优 良的 混凝土 。结合混凝 土浇筑要求 ， 最终 确定 的配合 比见表 3 。 表 3 各结构 混凝土配合比 注 ： 浙江虎球 牌 P 0 4 2 ． 5水泥 ， 象山电厂 Ⅱ级 粉煤灰 ， 福 建闽江 中砂 ， 5～2 5 m m连续级配碎-／ 5， 聚羧 酸商性能减水剂 。 3 ． 2施工控制 混凝土内表温差过 大， 在温度梯度产生的 自约束 注意浇筑混凝土厚度 ， 每次浇筑混凝 土分层厚度 应力作用下， 混凝土可能出现表 面裂缝 ， 在后期降温过 不大于 3 0～ 4 0 c m； 侧墙混凝土落差大 ， 为防止混凝土 程中就可能发展成为深层裂缝 。本工程各结构浇筑时 离析 ， 使 用斜 槽 引流 。 间均 处 于春季 ， 环境 温 度 较 为 温 和 ， 注 意保 温 充 分 、 时 振 捣时 要 防止 漏 振 、 欠 振 、 过 振 。应 振 捣 密 实 ， 但 间足 够长 ， 避 免混凝 土 冷却过 程 中的裂 缝产 生 即可 。 又 不得 使混 凝土 表 面 出现 浮 浆 ， 底 板 与 顶 板 混凝 土浇 3 ． 5 混凝 土 养护 筑完毕收水 、 刮平后 ， 立即严密覆盖 。为防止模板变形 针对地铁工程 的不同结构部位 ， 不 同养护措施如 和模缝漏浆， 模板应有 足够 的强度和 刚度 ， 且不得移 下 ： 位 ； 模缝应严密 、 平整， 浆液不得从模缝漏出。 1 ) 底板和顶板 3 ． 3 浇筑温度控制 裂缝防御措施除延长混凝土拆模 时间外 ， 还要加 浇筑温度主要受原材料温度 、 气温等影响。在混 强养护， 养护措施在顶板采取覆盖养护 ， 底板采取蓄水 凝土浇筑之前 ， 可通过测量水泥 、 粉煤灰 、 砂 、 石、 水的 养护 ， 保证水化用水充足 ， 减少收缩。同时， 也可 以使 温度 ， 估算浇筑温度。另外 ， 选择合适 的时间进行混凝 一些小裂缝愈合 。 土浇筑比较重要。福明路站一 期基坑各构件 于 3～4 2 ) 侧墙和中板 月份施工， 气温约在 1 2℃ ～ 2 0℃之间 ， 较易将混凝土 侧墙和中板等此类薄壁型混凝土裂缝根据产生机 浇筑温度控制≤2 0 o C， 不需采取特殊措施。 理的不同主要可分为两类 ： 表面收缩裂纹及混凝土应 3 ． 4 内表温差控制 力裂缝。实际施工时应采 取适 当延长拆模时间， 松模 2 0 1 1年第 7期 某地铁车站大体积混凝土结构温度裂缝控 制技 术 5 9 后浇水保湿养护( 喷水养护 ) ， 拆模后喷养护液养护等 综合措施加强对混凝土的保温和保湿， 有效避免了因 降温过快和干燥收缩导致的裂缝。 4现场温度监测与数据分析 为检验施工质量和温控效果 ， 掌握温控信息 ， 以便 及时调整和改进温控措施 ， 做到信息化施工 ， 在各结构 内分别布设温度传感器 ， 一共 3 9个点 ， 每个结构部位 外均 再加 一个 气温 测点 。温 度测 定在 混凝 土浇筑 同时 立 即执行 ， 连 续不 断 。混凝 土 的温 度测 试 ， 温 峰 前 每 2 h监测一次 ， 温峰 出现以后每 4 h监测一次 ， 直到温度 变化基本稳定为止。温度传感器测得的各结构混凝土 内部温度场各特征参数如表 4所示。 表 4各 结构 混凝 土内部温 度场 各特征参数 表 4说明 ， 由于施工季节气候温和 ， 同时温控措施 到位 ， 各项参数基本在预控范围之 内。 各结构混凝土最高温度均稍高于温控计算温度 ， 属于合理范围。同时底板之外的各结构中， 下侧墙与 中板一起浇筑、 上侧墙与顶板一起浇筑 ， 实际上增大了 混凝土浇筑体积 ， 实 际情况也 应高于温控计算 结果。 地铁站混凝土多为薄壁结构 ， 利于散热 ， 内外温差小 ， 最大内表温差为 6 ． 3℃～1 4 ． 3℃ ， 明显低 于温控标 准 ， 但后期散热较快， 应注意温峰过后的保温。底板和 顶板的水化热温升偏高 ， 分别为 4 1 ． 6℃， 3 7 ． 7℃。分 析认为 ： 底板混凝土处 于基坑最底部 ， 一面散热， 温升 较高， 应采取一定措施推迟或降低 混凝土浇筑的热温 峰， 减少开裂几率 ； 顶板较厚 ， 施工 时天气晴朗太阳曝 晒， 也导致水化热温升较高。 车站底板和顶板面积大、 体积大 ， 浇筑方量大 。混 凝土裂缝主要是温度裂缝和收缩裂缝。混凝土的水泥 用量较高 ， 结构条件具有大体积混凝土特征 ， 使混凝土 内部温升高 。且混凝 土配合 比的水胶 比较低 ， 有较大 的自身体积收缩变形 。在结构方面又是强约束 的条件 下 ， 产生较大的温度应力和收缩应力 。当拆模 时间过 早 ， 混凝 土强 度不 高 ， 而被 拉 裂 。 在混 凝 土 的后 龄期 ， 水化热引起的温差不存在 ， 自身变形也趋于稳 定。这 种原 因的裂缝经处理后可恢复结构整体性 。因此， 底 板和顶板的裂缝控制应着重于从降低水化热及推迟热 温峰方面来考虑， 避免早期温度裂缝 的出现。 中板较薄， 水化温升低 ， 开裂 风险相对较低 ； 侧墙 厚度介于底板和中板之间， 侧墙温升较低， 但其受约束 较大 ， 同时不易养护 ， 上下落差大 ， 易出现沉 降裂缝和 收 缩裂缝 。 整体来看， 各结构最高温度实测值与仿真应力温 度计算结果吻合 良好。实际操作 中， 为应对各结构的 早期开裂风险， 采取了合理的温度裂缝控制措施 。宁 波轨 道交 通工 程 福 明路 站 一 期 基 坑从 2 0 1 0年 2月 开 始底板混凝土浇筑， 到 2 0 1 0年 5月 3 0日最后一块顶 板浇筑完毕 ， 在各方 的共 同努力下 ， 温控措施实施情况 良好 ， 混凝土内部温度与仿真计算较为吻合 ， 最高温度 和内表温差均在温控标准范围内。从现场裂缝观测结 果看 ， 以上监测结构部位未出现有害温度裂缝 。 5 结语 实践证明 ， 地铁工程各结构多为薄壁结构 ， 不宜采 用布设水管的控温措施 。同时地铁工程地下现浇混凝 土各结构 出现裂缝几率相差较 大， 养护条件和措施也 各不 相 同 ， 不 能一 概而论 。 底板和顶板为大体积混凝土， 易出现温度裂缝 ， 温 控防裂措施主要从降低水化热 ， 推迟热温峰考虑 ； 中板 较薄 ， 开裂风险相对较低 ； 侧墙厚度介于二者之 间， 但 其受约束较大 ， 同时不易养护， 上下落差大 ， 易出现沉 降裂缝和收缩裂缝 ， 针对侧墙裂缝产生机理 ， 控裂重点 在匀质 施工 ， 加 强养 护 。 参 考 文 献 [ 1 ] 张利俊 ， 刘超 ， 张成满 ， 等． 北京地铁 工程 混凝 土早 期裂缝控 制 [ J ] ． 商 品混凝土 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 2 5 3 O ． [ 2 ] 朱伯芳 ． 大体积混凝 土温度 应力 与温度控制 [ M] ． 北京 ： 中 国电力出版社 ． 1 9 9 9 ． [ 3 ] 贾恒 琼 ， 魏 璺 ， 祝 和权 ． 混凝 土 抗 渗 防裂 性能 的试验 研 究 [ J ] ． 铁道 建筑 ， 2 0 0 7 ( 8 ) ： 1 0 9 ． 1 1 1 ． [ 4 ] 张勇 ， 杨 富民， 王保江 ， 等 ． 客运专线铁路桥梁耐久性混凝 土 的研究 与应用 [ J ] ． 铁道 建筑 ， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 1 0 3 ． 1 0 8 ． [ 5 ] 刘秉京 ． 混凝土结 构耐久性 设计 [ M] ． 北 京 ： 人 民交通 出版 社 ， 2 0 0 7 ． ( 责任 审编葛全红)