天津地鐵1號線工程主體結構混凝土裂縫控制措施
摘 要：本文論述了地鐵主體結構混凝土裂縫產生的原因，并從工程設計、混凝土原材料選擇、配合比以及施工工藝等幾個方面，介紹了天津地鐵1號線工程在主體結構混凝土裂縫的控制措施。
關鍵詞：地鐵、混凝土、裂縫控制
1．概述
天津地鐵1號線全長26.2 Km，北起劉園，南至雙林。該工程的試驗段工程全長1.58 Km,已于2000年10月正式開工,部分工程的主體結構已經竣工。由于天津市地下水位高，地鐵的主體結構均位于含水層中，因此，天津地鐵的主體結構將長期受到地下水的有害作用。如果沒有可靠的防水措施，地下水不僅可以滲入地鐵的主體結構內而直接影響地鐵主體結構的正常使用，而且嚴重地危害到地下結構物的壽命。為此，天津地鐵主體結構采用了“結構自防水為本，附加防水為輔”的防水方法，二者相結合，能夠達到“剛柔結合，協調匹配，優勢互補，標本兼治”的防水目的，可有效解決地下結構滲漏現象的發生。
所謂混凝土結構自防水，主要是在混凝土中摻加外加劑，使混凝土致密不裂或把裂縫控制在一定范圍內，達到不滲不漏的目的。因此，對防水混凝土不能只追求抗滲等級，而不注意防止裂縫的產生。否則抗滲等級雖高，裂縫嚴重時照樣滲水。
由此可見，地鐵工程防水的成敗，關鍵是控制地鐵主體結構防水混凝土裂縫的產生。
2．混凝土裂縫產生的原因
為避免和減少裂縫，就必須分析防水混凝土產生裂縫的原因，然后在施工中采取相應的控制措施。防水混凝土的裂縫通常有以下幾種：
2.1收縮裂縫
2.1.1失水收縮
①開始凝結的混凝土在強烈風、陽光直射或濕度下降的影響下，外露表面的水分迅速蒸發，產生收縮應力，最后導致裂縫產生。這種裂縫一般是不規則的表面龜裂。
②已凝結的防水混凝土由于養護不及時，早期失水，會產生干燥收縮裂縫。這種裂縫也是不規則的，而且易于貫通結構而引起滲漏。
2.1.2水化收縮
①混凝土水泥水化反應產生大量的熱量，使混凝土內部溫度升高。到達一定程度后,混凝土中心溫度超過外界溫度時，混凝土就要向外界散熱，這是一個降溫的過程，此過程將使混凝土產生冷縮。
②混凝土水泥水化反應出現泌水和水分急劇蒸發現象引起收縮。
③水泥水化過程生成新的水化產物，以及水泥水化物Ca(OH)2吸收空氣中的CO2而引起的收縮現象。
2.2移動裂縫
模板強度或剛度不夠，尚未凝固的混凝土在自重和振搗器作用下，很容易因變形而引起裂縫。此外，木模板吸水、漏水、漏漿，也容易使混凝土產生裂縫。
2.3結構裂縫
結構設計考慮不周，如鋼筋用量不足、配筋錯誤、地基不均勻下沉、超荷載、過度振動（如地震）等，都會使混凝土拉應力過大而產生裂縫。
總之,引起混凝土裂縫的原因是非常復雜的。但總體上講，裂縫主要可分為受力裂縫和其他因素如收縮、溫度、不均勻沉陷等引起的裂縫。工程實踐中結構物由變形引起的裂縫幾乎占80％以上，而其中混凝土收縮又是占主要的。屬于由外力引起的裂縫約占20％左右，這類裂縫在設計上是可以避免和控制的。
3.防水混凝土裂縫控制措施
地鐵主體結構裂縫是不可避免的，但其有害程度是可以控制的。地鐵主體結構產生裂縫現象與設計、原材料的選擇、混凝土配合比和施工工藝等方面密切相關，尤其是原材料的品質、混凝土配合比和施工工藝影響較大。在地鐵工程建設中，為防止防水混凝土結構裂縫的產生，就必須從防水混凝土裂縫產生的原因入手，著重加強以下幾個方面控制。
3.1精心進行防水混凝土結構設計
防水混凝土的結構設計一般都要進行裂縫開展的驗算。即使如此，也很難保證防水混凝土在干縮應力、荷載和溫度變化的影響下不產生收縮裂縫。設計過程中應盡量保持構件截面均勻，避免截面突變出現尖角、棱角，以減小混凝土收縮應力和荷載應力的集中。通過裂縫寬度驗算調整主筋配筋量，把裂縫最大寬度控制在迎水面不大于0.2mm，背水面不大于0.3mm。結構配筋應加強縱向分布鋼筋，其配筋應按細而密的原則配置，鋼筋間距宜控制在150mm以內，必要時可加設擴張金屬網，以提高混凝土的極限拉應變，控制混凝土的收縮裂縫。天津地鐵試驗段工程洪湖里車站,主體結構側墻與頂板原設計配筋采用Φ18mm@200mm，配筋率為0.36%。施工中為提高主體結構抗裂性，將原設計配筋改為Φ16mm@150mm，配筋率為0.38%。另外，為平衡結構收縮應力，在側墻中部1m的范圍內和頂板中部3m范圍內，將水平構造筋間距調為100mm。
此外，設計中還應對施工段長度的劃分提出指導性意見，適當縮短施工縫間距，分段長度宜控制在12m以內。
3.2嚴格控制防水混凝土原材料質量
防水混凝土的原材料要求如下：
3.2.1水泥
①盡量采用低標號、低水化熱的水泥；
②在不受侵蝕性介質和凍融作用時，宜采用普通硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥；如采用礦渣硅酸鹽水泥則必須摻用外加劑，以降低泌水率；
③在受凍融作用時，則優先選用普通硅酸鹽水泥，不宜采用火山灰質硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥；
④不得使用過期和受潮結塊的水泥，并不得將不同品種、標號的水泥混合使用。
3.2.2外加劑
①外加劑應符合國家或行業標準一等品以上的質量標準。
②可根據需要摻入減水劑、膨脹劑、防水劑、引氣劑、復合型外加劑等；外加劑可單摻，也可復合使用，其品種和摻量應通過試驗確定。
③外加劑的使用應不影響結構的強度，并應具有體積膨脹、強度提高、坍落度提高和損失小、收縮落差小等特點。優質外加劑的含堿量不能超過 0.75％。
3.2.3砂、石
①應符合現行《普通混凝土用砂石質量標準及檢驗方法》和《普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法》的規定。 ②石子最大粒徑不宜大于40mm，泵送時其最大粒徑為輸送管管徑的1/4～1/3決定。所含泥土不得呈塊狀或包裹石子表面，用于防水混凝土其含泥量不應大于1％；石子吸水率不應大于1.5％。
③宜采用中砂，用于防水的商品混凝土含泥量不應大于3％。
3.2.4摻合料
①可摻入一定數量的磨細粉煤灰、磨細礦渣粉、硅粉等。
②磨細粉煤灰的級別不應低于二級，摻量不應大于20％；硅粉摻量不應大于3％；其它品種摻量應通過試驗確定。
3.3優化防水混凝土配合比
防水混凝土配合比應通過試驗確定，其抗滲等級應比設計要求提高0.2Mpa。在滿足抗滲要求的前提下，盡量減少水泥用量，藉以提高防水混凝土的抗裂性。在設計允許的前提下，大體積防水混凝土可采用后期強度（60d或90d）進行配合比設計。
防水混凝土中各種材料的總堿量（Na2O當量）不得大于2Kg/m3。水泥用量不得小于300Kg/m3，摻有活性粉細料時，水泥用量不得小于280Kg/m3；砂率宜為35～40％，泵送時可增至45％；灰砂比宜為1:2～1:2.5；水灰比不得大于0.55，用于防水商品混凝土時不得大于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。入模前每小時坍落度損失值應小于3cm，坍落度總損失值不應大于6 cm。
摻引氣劑或引氣型減水劑時，混凝土含氣量應控制在3～5％。用于防水商品混凝土的緩凝時間宜為6～8h。
為了做好天津地鐵1號線試驗段工程的防水混凝土配合比工作，天津地鐵總公司在施工前對防水混凝土原材料與配合比進行了專家論證，統一了原材料與配合比，方便了防水混凝土的質量控制。
3.4合理混凝土施工模板設計
施工中模板應平整，拼縫要嚴密不漏漿，并要有足夠的強度與剛度。地鐵主體結構防水混凝土施工最好采用鋼模板，鋼模板散熱快，失水少，振感靈敏而不易使混凝土產生裂縫。
3.5強化防水混凝土施工工藝
做好施工過程中的降水、排水工作，必須做到圍護結構無滲漏水，嚴禁帶明水澆注主體結構混凝土。
對于明挖法施工采用排樁的圍護的結構，樁間凹槽部位應采用噴射混凝土和防水砂漿找平，盡量減少基面對新澆注的側墻混凝土收縮的約束。
要避免在炎熱的夏季露天澆筑防水混凝土，混凝土初期曝曬會因過量失水而開裂。在澆筑混凝土時，還要注意控制施工溫度。夏季混凝土入模溫度直控制在25℃以下，施工時宜將砂石預冷，例如向砂石堆上噴灑水溫低的地下水或將砂石遮蓋。而冬季拌合混凝土時，應將拌合水適當加熱，使混凝土人模溫度能保持在5～10℃以上。
防水混凝土必須采用機械攪拌，攪拌的時間不應小于2min；摻外加劑時，應根據外加劑的技術要求確定攪拌時間。
混凝土運輸過程中如出現離析，必須進行二次攪拌。當坍落度損失后不能滿足施工要求時，應加入原水灰比的水泥漿或二次摻加減水劑，嚴禁直接加水。
防水混凝土必須采用機械振搗，時間宜為10～30s，以混凝土開始泛漿和不冒氣泡為準，并應避免偏振、欠振或超振。摻引氣劑或引氣型減水劑時，應采用高頻插入式振幅器振搗。
混凝土結構內部設置的各種鋼筋或綁扎鐵絲不得接觸模板，固定模板的螺栓必須穿過混凝土結構時應有止水措施。
合理劃分施工段長度，適當縮短施工縫間距，分段長度宜控制在12m以內。底板、邊墻、頂板施工縫盡可能對齊，必要時采取跳槽施工，也可采用后澆帶。
3.6認真進行防水混凝土結構的養護
養護及時對防止裂縫有重大作用，特別在夏季施工時更是如此。混凝土在潮濕環境中養護，有利于降溫散熱，減少溫差，減少和推遲因失水而產生的干縮，保證混凝土強度迅速增長。因此，規范規定防水混凝土至少養護14d，這對防止產生有害裂縫是非常必要的。大體積防水混凝土施工應采取保溫保濕養護，模板拆除時間宜控制在混凝土強度達到80％左右，避免失水過快，混凝土的中心溫度與表面溫度以及表面溫度與大氣溫度的差值均不應大于15℃，且混凝土的降溫速率每天不應大于2℃。
四．結語
防水是地鐵工程成敗的關鍵，而控制地鐵主體結構裂縫的產生又是保證防水質量的重中之重，它已愈來愈受到工程界的重視。工程實踐表明，設計、材料選擇是控制地鐵主體結構的基礎，主體結構混凝土施工工藝是防水質量的技術保證，只有同時做好兩者才能達到預期效果。總之，防水混凝土產生裂縫的原因是很復雜的，而且往往是各種因素的綜合。為了防止結構產生有害裂縫，就必須根據工程的具體條件，因地制宜地采取相應措施，才能使地鐵主體結構裂縫得到較好地控制。
參考文獻：
[1] 工程結構裂縫控制，王鐵夢，北京，中國建筑工業出版社，1997.8
[2] 地下鐵道設計與施工，施仲衡等，西安，陜西科學技術出版社，1997.7
[3] 深圳地鐵一期工程混凝土結構自防水措施研究，高樹東，現代隧道技術，2002第1期
[4] 地下工程防水技術問答，中國建筑防水，2001年第4期
原文作者：李養平(天津市地下鐵道總公司)
摘 要：本文論述了地鐵主體結構混凝土裂縫產生的原因，并從工程設計、混凝土原材料選擇、配合比以及施工工藝等幾個方面，介紹了天津地鐵1號線工程在主體結構混凝土裂縫的控制措施。
關鍵詞：地鐵、混凝土、裂縫控制
1．概述
天津地鐵1號線全長26.2 Km，北起劉園，南至雙林。該工程的試驗段工程全長1.58 Km,已于2000年10月正式開工,部分工程的主體結構已經竣工。由于天津市地下水位高，地鐵的主體結構均位于含水層中，因此，天津地鐵的主體結構將長期受到地下水的有害作用。如果沒有可靠的防水措施，地下水不僅可以滲入地鐵的主體結構內而直接影響地鐵主體結構的正常使用，而且嚴重地危害到地下結構物的壽命。為此，天津地鐵主體結構采用了“結構自防水為本，附加防水為輔”的防水方法，二者相結合，能夠達到“剛柔結合，協調匹配，優勢互補，標本兼治”的防水目的，可有效解決地下結構滲漏現象的發生。
所謂混凝土結構自防水，主要是在混凝土中摻加外加劑，使混凝土致密不裂或把裂縫控制在一定范圍內，達到不滲不漏的目的。因此，對防水混凝土不能只追求抗滲等級，而不注意防止裂縫的產生。否則抗滲等級雖高，裂縫嚴重時照樣滲水。
由此可見，地鐵工程防水的成敗，關鍵是控制地鐵主體結構防水混凝土裂縫的產生。
2．混凝土裂縫產生的原因
為避免和減少裂縫，就必須分析防水混凝土產生裂縫的原因，然后在施工中采取相應的控制措施。防水混凝土的裂縫通常有以下幾種：
2.1收縮裂縫
2.1.1失水收縮
①開始凝結的混凝土在強烈風、陽光直射或濕度下降的影響下，外露表面的水分迅速蒸發，產生收縮應力，最后導致裂縫產生。這種裂縫一般是不規則的表面龜裂。
②已凝結的防水混凝土由于養護不及時，早期失水，會產生干燥收縮裂縫。這種裂縫也是不規則的，而且易于貫通結構而引起滲漏。
2.1.2水化收縮
①混凝土水泥水化反應產生大量的熱量，使混凝土內部溫度升高。到達一定程度后,混凝土中心溫度超過外界溫度時，混凝土就要向外界散熱，這是一個降溫的過程，此過程將使混凝土產生冷縮。
②混凝土水泥水化反應出現泌水和水分急劇蒸發現象引起收縮。
③水泥水化過程生成新的水化產物，以及水泥水化物Ca(OH)2吸收空氣中的CO2而引起的收縮現象。
2.2移動裂縫
模板強度或剛度不夠，尚未凝固的混凝土在自重和振搗器作用下，很容易因變形而引起裂縫。此外，木模板吸水、漏水、漏漿，也容易使混凝土產生裂縫。
2.3結構裂縫
結構設計考慮不周，如鋼筋用量不足、配筋錯誤、地基不均勻下沉、超荷載、過度振動（如地震）等，都會使混凝土拉應力過大而產生裂縫。
總之,引起混凝土裂縫的原因是非常復雜的。但總體上講，裂縫主要可分為受力裂縫和其他因素如收縮、溫度、不均勻沉陷等引起的裂縫。工程實踐中結構物由變形引起的裂縫幾乎占80％以上，而其中混凝土收縮又是占主要的。屬于由外力引起的裂縫約占20％左右，這類裂縫在設計上是可以避免和控制的。
3.防水混凝土裂縫控制措施
地鐵主體結構裂縫是不可避免的，但其有害程度是可以控制的。地鐵主體結構產生裂縫現象與設計、原材料的選擇、混凝土配合比和施工工藝等方面密切相關，尤其是原材料的品質、混凝土配合比和施工工藝影響較大。在地鐵工程建設中，為防止防水混凝土結構裂縫的產生，就必須從防水混凝土裂縫產生的原因入手，著重加強以下幾個方面控制。
3.1精心進行防水混凝土結構設計
防水混凝土的結構設計一般都要進行裂縫開展的驗算。即使如此，也很難保證防水混凝土在干縮應力、荷載和溫度變化的影響下不產生收縮裂縫。設計過程中應盡量保持構件截面均勻，避免截面突變出現尖角、棱角，以減小混凝土收縮應力和荷載應力的集中。通過裂縫寬度驗算調整主筋配筋量，把裂縫最大寬度控制在迎水面不大于0.2mm，背水面不大于0.3mm。結構配筋應加強縱向分布鋼筋，其配筋應按細而密的原則配置，鋼筋間距宜控制在150mm以內，必要時可加設擴張金屬網，以提高混凝土的極限拉應變，控制混凝土的收縮裂縫。天津地鐵試驗段工程洪湖里車站,主體結構側墻與頂板原設計配筋采用Φ18mm@200mm，配筋率為0.36%。施工中為提高主體結構抗裂性，將原設計配筋改為Φ16mm@150mm，配筋率為0.38%。另外，為平衡結構收縮應力，在側墻中部1m的范圍內和頂板中部3m范圍內，將水平構造筋間距調為100mm。
此外，設計中還應對施工段長度的劃分提出指導性意見，適當縮短施工縫間距，分段長度宜控制在12m以內。
3.2嚴格控制防水混凝土原材料質量
防水混凝土的原材料要求如下：
3.2.1水泥
①盡量采用低標號、低水化熱的水泥；
②在不受侵蝕性介質和凍融作用時，宜采用普通硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥；如采用礦渣硅酸鹽水泥則必須摻用外加劑，以降低泌水率；
③在受凍融作用時，則優先選用普通硅酸鹽水泥，不宜采用火山灰質硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥；
④不得使用過期和受潮結塊的水泥，并不得將不同品種、標號的水泥混合使用。
3.2.2外加劑
①外加劑應符合國家或行業標準一等品以上的質量標準。
②可根據需要摻入減水劑、膨脹劑、防水劑、引氣劑、復合型外加劑等；外加劑可單摻，也可復合使用，其品種和摻量應通過試驗確定。
③外加劑的使用應不影響結構的強度，并應具有體積膨脹、強度提高、坍落度提高和損失小、收縮落差小等特點。優質外加劑的含堿量不能超過 0.75％。
3.2.3砂、石
①應符合現行《普通混凝土用砂石質量標準及檢驗方法》和《普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法》的規定。 ②石子最大粒徑不宜大于40mm，泵送時其最大粒徑為輸送管管徑的1/4～1/3決定。所含泥土不得呈塊狀或包裹石子表面，用于防水混凝土其含泥量不應大于1％；石子吸水率不應大于1.5％。
③宜采用中砂，用于防水的商品混凝土含泥量不應大于3％。
3.2.4摻合料
①可摻入一定數量的磨細粉煤灰、磨細礦渣粉、硅粉等。
②磨細粉煤灰的級別不應低于二級，摻量不應大于20％；硅粉摻量不應大于3％；其它品種摻量應通過試驗確定。
3.3優化防水混凝土配合比
防水混凝土配合比應通過試驗確定，其抗滲等級應比設計要求提高0.2Mpa。在滿足抗滲要求的前提下，盡量減少水泥用量，藉以提高防水混凝土的抗裂性。在設計允許的前提下，大體積防水混凝土可采用后期強度（60d或90d）進行配合比設計。
防水混凝土中各種材料的總堿量（Na2O當量）不得大于2Kg/m3。水泥用量不得小于300Kg/m3，摻有活性粉細料時，水泥用量不得小于280Kg/m3；砂率宜為35～40％，泵送時可增至45％；灰砂比宜為1:2～1:2.5；水灰比不得大于0.55，用于防水商品混凝土時不得大于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。入模前每小時坍落度損失值應小于3cm，坍落度總損失值不應大于6 cm。
摻引氣劑或引氣型減水劑時，混凝土含氣量應控制在3～5％。用于防水商品混凝土的緩凝時間宜為6～8h。
為了做好天津地鐵1號線試驗段工程的防水混凝土配合比工作，天津地鐵總公司在施工前對防水混凝土原材料與配合比進行了專家論證，統一了原材料與配合比，方便了防水混凝土的質量控制。
3.4合理混凝土施工模板設計
施工中模板應平整，拼縫要嚴密不漏漿，并要有足夠的強度與剛度。地鐵主體結構防水混凝土施工最好采用鋼模板，鋼模板散熱快，失水少，振感靈敏而不易使混凝土產生裂縫。
3.5強化防水混凝土施工工藝
做好施工過程中的降水、排水工作，必須做到圍護結構無滲漏水，嚴禁帶明水澆注主體結構混凝土。
對于明挖法施工采用排樁的圍護的結構，樁間凹槽部位應采用噴射混凝土和防水砂漿找平，盡量減少基面對新澆注的側墻混凝土收縮的約束。
要避免在炎熱的夏季露天澆筑防水混凝土，混凝土初期曝曬會因過量失水而開裂。在澆筑混凝土時，還要注意控制施工溫度。夏季混凝土入模溫度直控制在25℃以下，施工時宜將砂石預冷，例如向砂石堆上噴灑水溫低的地下水或將砂石遮蓋。而冬季拌合混凝土時，應將拌合水適當加熱，使混凝土人模溫度能保持在5～10℃以上。
防水混凝土必須采用機械攪拌，攪拌的時間不應小于2min；摻外加劑時，應根據外加劑的技術要求確定攪拌時間。
混凝土運輸過程中如出現離析，必須進行二次攪拌。當坍落度損失后不能滿足施工要求時，應加入原水灰比的水泥漿或二次摻加減水劑，嚴禁直接加水。
防水混凝土必須采用機械振搗，時間宜為10～30s，以混凝土開始泛漿和不冒氣泡為準，并應避免偏振、欠振或超振。摻引氣劑或引氣型減水劑時，應采用高頻插入式振幅器振搗。
混凝土結構內部設置的各種鋼筋或綁扎鐵絲不得接觸模板，固定模板的螺栓必須穿過混凝土結構時應有止水措施。
合理劃分施工段長度，適當縮短施工縫間距，分段長度宜控制在12m以內。底板、邊墻、頂板施工縫盡可能對齊，必要時采取跳槽施工，也可采用后澆帶。
3.6認真進行防水混凝土結構的養護
養護及時對防止裂縫有重大作用，特別在夏季施工時更是如此。混凝土在潮濕環境中養護，有利于降溫散熱，減少溫差，減少和推遲因失水而產生的干縮，保證混凝土強度迅速增長。因此，規范規定防水混凝土至少養護14d，這對防止產生有害裂縫是非常必要的。大體積防水混凝土施工應采取保溫保濕養護，模板拆除時間宜控制在混凝土強度達到80％左右，避免失水過快，混凝土的中心溫度與表面溫度以及表面溫度與大氣溫度的差值均不應大于15℃，且混凝土的降溫速率每天不應大于2℃。
四．結語
防水是地鐵工程成敗的關鍵，而控制地鐵主體結構裂縫的產生又是保證防水質量的重中之重，它已愈來愈受到工程界的重視。工程實踐表明，設計、材料選擇是控制地鐵主體結構的基礎，主體結構混凝土施工工藝是防水質量的技術保證，只有同時做好兩者才能達到預期效果。總之，防水混凝土產生裂縫的原因是很復雜的，而且往往是各種因素的綜合。為了防止結構產生有害裂縫，就必須根據工程的具體條件，因地制宜地采取相應措施，才能使地鐵主體結構裂縫得到較好地控制。
參考文獻：
[1] 工程結構裂縫控制，王鐵夢，北京，中國建筑工業出版社，1997.8
[2] 地下鐵道設計與施工，施仲衡等，西安，陜西科學技術出版社，1997.7
[3] 深圳地鐵一期工程混凝土結構自防水措施研究，高樹東，現代隧道技術，2002第1期
[4] 地下工程防水技術問答，中國建筑防水，2001年第4期
原文作者：李養平(天津市地下鐵道總公司)
