地铁工程混凝土开裂原因及综合防治探讨

1引言

　　地铁是人类利用地下空间的一种有效形式。地铁工程属大体积地下工程，技术复杂，投资巨大，百年大计，混凝土除强度等级要满足结构要求外，还必须考虑混凝土,结构的耐久性和可靠性，渗漏就是一个重要的控制环节。如何防治地铁工程渗漏已成为科研、设计、施工单位研究的重要课题。从现浇混凝土结构渗漏机理来分析：主要原因是由于混凝土自身的孔隙、裂缝、施工缝造成的，而裂缝的危害最大，因此，对混凝土结构的开裂原因及防治措施的研究就成为一个重要课题。

　　2地铁工程混凝土裂缝成因机理分析

　　据国内研究资料，严格意义上的混凝土裂缝包括微观裂缝和宏观裂缝。观裂缝是混凝土在硬结过程中形成的微观裂缝与微孔，可分为砂浆裂缝、黏结裂缝和骨料裂缝。混凝土未受力之前，微观裂缝主要是前两种。混凝土受力后，微观裂缝与微孔逐渐连通，形成宏观裂缝。从裂缝尺寸上讲，宽度小于0.05mm的裂缝称为微观裂缝，大于0.05mm的裂缝称为宏观裂缝。而据国内试验资料[3]，裂缝宽度小于0.1mm时具有自愈、自封现象，当裂缝宽度在0.1mm～0.2mm之间时混凝土结构虽无自封现象，但却有自愈现象。故从防渗角度而言，控制宏观裂缝的产生就成为地铁抗裂防渗的关键所在。

　　地铁工程混凝土与其它混凝土结构一样，宏观裂缝是在两类荷载作用下产生并扩展的。一类是由静荷载、动荷载与结构次应力组成的荷载，另一类是由温度、胀缩、不均匀沉降等因素产生的荷载。这两种荷载引起裂缝的机理是有区别的，区别在于后者产生裂缝的起因是结构首先要求变形，当变形得不到满足才引起应力，而且应力尚与结构的刚度大小相关，只有当应力超过一定数值才引起裂缝。另外，二者对地铁工程混凝土的开裂与渗漏的影响也不同。国内资料统计[4]表明：由外部荷载引起的裂缝约占15%。而由变形荷载引起的裂缝约占85%，所以，研究和解决由变形荷载引起的裂缝是解决地铁工程渗漏问题的重点。

　　3地铁工程混凝土开裂影响因素

　　总的来说，地铁工程混凝土开裂是十分复杂的系统性问题，影响开裂的因素很多，主要有四个方面：材料选择、结构设计、施工技术、环境条件。由于地铁工程混凝土属于大体积混凝土，所以环境条件对地铁混凝土开裂影响是大，尤其是温度与湿度两个环境因素。

　　3.1材料选择

　　混凝土原材料质量不良或配合比设计不当，可以引起地铁工程混凝土的开裂与渗漏。从混凝土原材料来看，水泥安定性不合格，砂石中含泥量或石粉含量过大，使用反应性骨料或风化岩，使用水化热过高的水泥等都可能引起混凝土开裂。混凝土本身不均匀也会导致其产生变形，砂浆过多会使其产生较大收缩，在水化硬化过程中产生局部的约束效应，当该应力大于混凝土的抗拉强度时，便会导致宏观裂缝的出现与扩展。

　　3.2结构设计

　　地铁结构设计一般包括结构选型、荷载计算、基坑围护结构设计、内衬设计、结构楼板和梁的设计、抗浮设计等[4]。其中结构选型包括选择浅埋式矩形箱式结构还是深埋式圆形隧道式结构等，其它几个方面的结构设计主要是估算各种荷载的大小并对各主要构件作强度与抗裂的设计。但如果选型不当或估算荷载与真实情况有较大的偏差，都会造成在选用混凝土等级和配筋设计方面出现失误，造成地铁混凝土抗裂性能不足而出现渗漏。

　　3.3施工技术

　　从我国目前研究实践的现状来看，在施工技术方面影响混凝土开裂的环节主要有混凝土的拌制、振捣、运输、浇筑、养护，还有施工缝、变形缝、伸缩缝的设置，以及泄压装置的处理等方面。具休来讲，混凝土的拌制、振捣等方面是为了改善混凝土本身的物理性质，尤其是增加其密实性，减少内部微裂缝与微孔洞，从而大大降低宏观裂缝的形成机率。施工缝等人工缝的设置主要是体现“放”的防裂抗渗原则，实质上是为了尽量降低由温度、胀缩、不均匀沉降等因素产生的第二类荷载对大体积混凝土开裂的影响。而一些泄压措施则体现了“排”的防裂抗渗原则，尤其是对于地下水压大，涌水量多的特殊环境，一般通过桩间埋设泄压管或在底板下设置排水盲沟，以静力释放地下水的浮力，这些泄压措施可使主体结构减少承受的水压，而降低混凝土结构开裂的可能性。凝土顶板两面的温度场与湿度场都有很大的差异，另外地铁在采用单侧墙结构时，其两面的温度场与湿度场也有很大的差异。由于地铁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，地铁混凝土将受到第二类荷载的作用，使变形超过混凝土的极限拉伸值而产生裂缝。地铁结构属于超静定结构，在其基础为软土地基时，会因基础的不均匀沉降而使结构受到强迫变形，而使结构开裂

　　4我国地铁混凝土开裂实例总结

　　笔者对我国地铁工程混凝土结构开裂工程实例作了总结，得出地铁混凝土开裂具有以下特点：

　　引起渗漏的宏观裂缝主要集中在顶板与侧墙，且顶板多于侧墙，底板开裂最少。温度高时浇筑的混凝土出现宏观裂缝的机率高于温度低时浇筑的混凝土，冬季施工出现宏观裂缝的机率高于夏季。水泥用量过大时混凝土宏观裂缝出现较多。围护结构与主体没有分开的易产生宏观裂缝。在同样施工环境下，对于区间隧道，矿山法施工段出现宏观裂缝较多，盾构和明挖段相对较少。

　　5地铁工程混凝土开裂综合防治

　　国内对如何控制地铁工程混凝土裂缝已经作了大量的研究，但缺乏一套较为全面的控制措施。笔者在目前研究的基础上，提出一套从材料、施工和结构设计三方面出发的裂缝控制措施。

　　5.1材料

　　在材料方面，应从水泥、砂石和外加剂和掺和料四个环节对裂缝进行控制。

　　5.1.1水泥

　　在水泥的选材环节上，主要从水泥品种的选择、水泥用量的确定以及水泥技术指标的要求等方面进行控制。在选择水泥品种时，应尽可能优先采用水化热低、大厂旋窑生产的优质水泥,且不宜使用早强水泥。在满足混凝土的强度和抗渗性条件下，尽量减少水泥用量是防止混凝土开裂的一条重要措施。对水泥技术指标的要求，在细度上，要求水泥不宜过细，比表面积控制在4000cm2/g为宜。此外还应控制对体积安定性有较大影响的游离石灰、三氧化硫和游离氧化镁的含量，以及水化速度快，水化热高，需水量大，体积收缩大的铝酸三钙（规范规定不超过8%），而且还要严格控制水泥中含碱量（以Na2O计）不应大于0.6%。

　　5.1.2砂石方面的要求见表1。

　　外加剂在外加剂中，对混凝土抗裂有重要影响的有膨胀剂、减水剂和防裂复合型外加剂。膨胀剂可在水化和硬化阶段本身既可产生膨胀,也可与水泥中其他成分反应产生膨胀,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,所以它是一种较理想的结构抗裂防渗外加剂。目前工程中较为常用的膨胀剂有U型膨胀剂（生熟明矾、石膏等组成）、复合膨胀剂（CEA）、铝酸钙膨胀剂（AEA-高强熟料、天然明矾石、石膏）、EA-L膨胀剂（生明矾石、石膏等组成）。减水剂能降低混凝土的水灰比,增大坍落度和控制坍落度损失,赋予混凝土高密实度和优异施工性能，而增加混凝土的抗裂性能。目前工程中常用的减水剂有普通减水剂、AE减水剂、高效减水剂和高效能AE减水剂。由于地铁混凝土强度不能太高，所以只能选择普通减水剂与AE减水剂来增加混凝土的抗裂性能。防裂复合型外加剂主要有防裂型FS系列混凝土外加剂，其中防裂型FS-H混凝土复合剂可用于地铁混凝土中,因它具有降低水化热,补偿混凝土冷缩的特点,从而提高了混凝土的抗裂、抗渗能力。

　　5.1.4掺和料

　　目前在抗裂方面最为常用的掺和料是粉煤灰。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，可显著地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性能。我国水泥产量世界第一,粉煤灰的排放量也占首位,充分地利用粉煤灰资源的意义深远、前景广阔。

　　5.2施工

　　在施工中，施工环境、参数控制、施工注意事项、拆模时间及养护都会影响到地铁混凝土的抗裂性能，此方面研究较多[5]～[7]，不赘述。

　　5.3结构设计

　　当混凝土直接承受外部作用或自身变形受到限制时，将引起相应部位垂直主拉应力方向的微细裂纹扩展，直到形成引起地铁渗漏的宏观裂缝。混凝土自应力、预应力对拉应力效应有抵消作用，普通钢筋对宏观裂缝有阻断与约束作用，不同种类或直径的纤维对不同尺度裂纹的扩展有限制作用。所以针对具体的工程，在进行地铁混凝土抗裂设计时，首先需要弄清造成拉应力产生的因素及分布特征，然后分别设计预应力筋解决荷载平衡与整体传力问题，设计普通钢筋缓解拉应力局部峰值，同时以试验为指导，加入经济性与抗裂性都较好的一种或几种不同直径的纤维解决细观与微观裂纹的扩展问题。这些结构设计实质上是增强混凝土的自防水功能，因为地铁混凝土的抗裂的最终目的是防渗，所以结构设计是和抗裂的最终目标紧密联系的。

　　6结论

　　1）地铁混凝土开裂是因为受到两类荷载的作用：第一类是由外荷载作用而引起的裂缝，即结构性裂缝；第二类是由变形变化而引起的裂缝，即非结构性裂缝

　　2）由于地铁工程混凝土属于大体积混凝土，所以环境条件是造成开裂的最重要的影响因素，尤其以温度与湿度场的影响最大。

　　3）基于地铁混凝土开裂影响因素的复杂性，本文提出一套分别从选材、施工和结构设计三方面进行综合防治的措施。

　　4）目前国内已在选材与施工方面做了大量地研究，但在抗裂机理方面研究较少，尤其是对地铁工程混凝土结构在各主要影响因素下应力场的研究，以及预应力筋和纤维混凝土抗裂效果与机理的研究尚不成熟，有待作进一步地深入研究。