基于車底配置最優的地鐵列車交路設計摘 要: 混凝土本身所具有的特性是導致其產生裂縫的根本原因, 而地鐵工程中荷載、溫度變化、地基基礎變形、鋼筋銹蝕、收縮和凍脹、施工材料質量和施工工藝質量又是引起混凝土裂縫的主要因素, 因此, 文中對其中與地鐵工程施工關系密切的荷載、溫度和收縮、鋼筋銹蝕、施工材料質量、施工工藝質量等引起裂縫的原因提出了相應的預防、控制和處理措施。
關鍵詞: 地鐵; 混凝土; 混凝土裂縫成因; 應對措施 近年來, 我國地下交通基礎建設得到迅猛發展,各地興建了大量的地鐵和輕軌工程。混凝土開裂可以說是“常發病”和“多發病”, 經常困擾著地鐵工程技術人員。其實, 如果采取一定的設計和施工措施, 很多裂縫是可以克服和控制的。本文盡可能對地鐵工程中混凝土裂縫的種類和產生的原因作較全面的分析、總結, 并提出幾種在施工中控制裂縫的可行辦法, 可起到防范于未然的作用供大家參考。控制裂縫的可行辦法, 可起到防范于未然的作用供大家參考。1 混凝土的特性 為了分析混凝土在地鐵工程施工中出現裂縫的原因, 必須了解混凝土的幾個特性。 (1) 混凝土是一種脆性材料, 它的抗拉強度僅為抗壓強度的 1/8～1/10。只要外界受力作用或內部變形, 受到約束產生的拉應力大于混凝土極限抗拉強度, 混凝土即出現裂縫。 ( 2) 混凝土是一種膠凝性的復合材料, 本身就具有收縮特性。這種特性為裂縫的產生提供了推動作用。 (3) 混凝土由塑性狀態逐步發展為固態, 強度也隨之迅速增長, 施工階段正是混凝土處于低強度向設計強度發展的過渡階段, 其極限拉應力也是一個變量, 一旦外界擾動產生的拉應力超過了當時的極限拉應力, 裂縫就產生了。 (4)混凝土在施工期間會受到各種外界因素的影響。多種因素的互相抵消和疊加, 就會出現同樣的配合比在不同的場合和結構中, 裂縫的形態和分布各不相同, 使問題更加復雜。2 地鐵混凝土工程的特點 地鐵工程中的混凝土具有大體積混凝土多、均為防水混凝土、基本為商品混凝土、地下封閉環境、大部分為高強混凝土等特點。3 地鐵工程中混凝土裂縫種類和成因 實際上, 混凝土結構裂縫的成因復雜而繁多, 甚至多種因素相互影響。具體到地鐵工程中, 混凝土裂縫大致有 5 種。3. 1 荷載引起的裂縫 地鐵工程中的混凝土結構在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱荷載裂縫。歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫兩種。 (1) 由外荷載引起直接應力產生的裂縫其原因有: ①設計計算階段, 結構計算時不計算或部分漏算; 計算模型不合理; 結構受力假設與實際受力不符;荷載少算或漏算; 內力與配筋計算錯誤; 結構安全系數不夠。還有結構設計時不考慮施工的可能性; 設計斷面不足; 鋼筋設置偏少或布置錯誤; 結構剛度不足; 構造處理不當; 設計圖紙交代不清等。 ②施工階段, 不加限制地堆放施工機具、材料; 不了解預制結構受力特點, 隨意翻身、起吊、運輸、安裝;不按設計圖紙施工, 擅自更改結構施工順序, 改變結構受力模式; 不對結構做機器振動下的疲勞強度驗算等。 ③地鐵工程中的地下暗挖部分受周圍圍巖體系破壞的影響, 承受部分額外的土壓力, 產生的裂縫往往位于隧道起拱線附近。 ④地鐵工程中的區間結構往往采用了混凝土初支+二次襯砌的形式, 而二次襯砌又往往在初支未達到 28 d 強度( 或初支并未完全穩定) 時即進行澆筑施工, 承受了部分初支傳遞過來的土壓力。 ⑤北京地區地鐵的建設基本位于永定河沖積扇上, 大都需要采取內外排降水的施工工藝。在排降水施工中止、暫停時, 會產生較大的應力變化, 對混凝土初支和二次襯砌產生影響。 ⑥采用了混凝土初支+二次襯砌形式的地鐵暗挖區間, 一般會采用向二次襯砌背后注漿的施工工藝。若二次襯砌混凝土背后存在較大空隙時, 注漿回填的過程也會造成二次襯砌混凝土結構處于不利的受力環境。 (2)由外荷載引起的次生應力產生裂縫其產生的原因有: ①在設計外荷載作用下, 由于結構物的實際工作狀態同常規計算有出入或計算時不予以考慮, 從而在某些部位引起次應力導致結構開裂。 ②混凝土結構中經常需要鑿槽、開洞、設置牛腿等。在常規計算中難以用準確的圖式進行模擬計算,一般都是根據經驗設置受力鋼筋。研究表明, 受力構件挖孔后, 力流將產生繞射現象, 在孔洞附近密集, 產生巨大的應力集中。若處理不當, 在這些結構的轉角處或構件形狀突變處、受力鋼筋截斷處容易出現裂縫。 實際工程中, 次應力裂縫是產生荷載裂縫的最常見原因。次應力裂縫多屬張拉、劈裂、剪切性質。次應力裂縫也是由荷載引起, 僅是按常規一般不計算, 但隨著現代計算手段的不斷完善, 次應力裂縫也是可以做到合理驗算的。 荷載裂縫特征依荷載不同而異, 呈現不同的特點。這類裂縫多出現在受拉區、受剪區或振動嚴重部位。但必須指出, 如果受壓區出現起皮或有沿受壓方向的短裂縫, 往往是結構達到承載力極限的標志, 是結構破壞的前兆, 其原因往往是截面尺寸偏小。3. 2 地基基礎變形引起的裂縫 由于基礎豎向不均勻沉降或水平方向位移, 使結構中產生附加應力, 這種應力一旦超出混凝土結構的抗拉能力, 易導致結構開裂。3. 3 施工材料質量引起的裂縫 混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質量不合格, 可能導致結構出現裂縫。3. 4 施工工藝質量引起的裂縫 在混凝土結構澆筑、構件制作、起模、運輸、堆放、拼裝及吊裝過程中, 若施工工藝不合理、施工質量低劣, 容易產生各種裂縫。3. 5 其他因素引起的裂縫 溫度變化、混凝土收縮和凍脹、鋼筋銹蝕等均可產生裂縫。4 地鐵施工中混凝土裂縫的預控措施 以上所列諸項裂縫中, 地基礎變形引起的裂縫主要是與設計和水文地質勘查過程中的失誤有關, 凍脹引起的裂縫在北京地區較為少見。因此對這兩種裂縫不做進一步的應對分析。4. 1 荷載引起的裂縫預控措施 (1) 加強超前注漿和大管棚支護, 固化和穩定圍巖, 使其形成連貫的土拱和持力土柱。 (2)區間隧道二次襯砌澆筑施工時盡量減小與初支的間隙, 可在初支穩定后即進行二次襯砌澆筑。 (3) 排降水施工時間過長時, 盡量避免在暫停或終止時進行混凝土砌澆筑施工。 (4) 二次襯砌背后注漿采用多次、少量的灌注方案, 漿液灌注量和壓力執行雙控; 加密注漿管; 采用多種漿液灌注方案; 加強同期和后期監測。4. 2 溫度變化引起的裂縫預控措施 (1)進行溫度預控。施工前通過模擬試驗, 預先測定混凝土絕熱溫升參數, 掌握合理溫差值; 澆筑期間,采用電子測溫儀測定混凝土內部溫度, 控制內外溫差。 (2) 施工中根據實際情況, 盡量選擇水化熱低的水泥。 (3) 混凝土內部溫度降低量和溫降變形量, 隨單位體積混凝土的水泥用量的增大而增大。在滿足混凝土強度和工作性能的前提下, 應減少單位體積混凝土水泥用量, 降低水灰比, 其最大限值為 0.45。在區間隧道的襯砌施工中, 可采用摻不大于水泥用量 20 %的 I級粉煤灰和 TMS 優質復合防水劑的“雙摻”技術, 并且確 定高性能混 凝 土 單 方 水 泥 用 量 一 般 不 大 于320 kg/m3, 亦不小于 250 kg/m3(C30 混凝土)。 (4)控制混凝土的澆筑長度。根據既有城市地鐵的具體情況, 區間隧道分段澆筑長度以 10 m 左右為宜; 明挖車站分段澆筑長度不大于24 m。 (5)降低骨料入模溫度, 減少內外溫差, 并緩慢降溫。必要時可采用循環冷卻系統進行內部散熱, 或采用薄層連續澆筑以加快散熱。 (6) 提供良好的養護條件, 避免混凝土內外溫差過大。混凝土澆筑完畢后, 及時噴灑養護液。4. 3 收縮引起的裂縫預控措施 (1)施工時摻入適量微膨脹劑以補償由于收縮損失的體積, 控制有害裂縫的展開。 (2) 澆筑前進行砂漿找平, 降低由于接觸面不平而產生的約束應力, 避免因約束力產生裂縫。4. 4 鋼筋銹蝕引起的裂縫預控措施 要防止鋼筋銹蝕, 采用適當的保護層厚度; 施工時應控制混凝土的水灰比, 加強振搗, 保證混凝土的密實性, 防止氧氣侵入; 同時嚴格控制含氯鹽外加劑的用量。4. 5 施工材料引起的裂縫預控措施 混凝土堿- 集料反應也是混凝土產生裂縫的原因之一, 因此要做到: (1) 對水泥品種進行選擇和控制, 重點比選水泥中 C3A 和含堿量低的品種, C3A 含量應低于 8 %, 堿含量小于 0.6 %。 (2)改進混凝土配合比設計。在保證混凝土強度的前提下, 利用“雙摻”技術, 改善其工作性能和抑制堿- 集料反應, 適當摻加高效減水劑以減小水灰比, 摻入足夠的礦物細摻料(優質粉煤灰)。4. 6 施工工藝質量引起的裂縫預控措施 防止此類裂縫發生的關鍵, 主要在于加強對現場及施工隊伍本身的管理。另外, 嚴格按照操作規程和質量標準施工也是解決這一問題的關鍵。5 結語 一項地鐵結構工程從建成到使用, 牽涉到設計、施工、監理、運營管理等各個方面。由此可知, 設計疏漏、施工低劣、監理不力均可能使混凝土結構出現裂縫。因此, 嚴格按照國家有關規范、技術標準進行設計、施工和監理, 是保證結構安全耐用的前提和基礎。地鐵工程質量百年大計, 今后幾年乃至幾十年, 地鐵工程在北京及全國各大城市基礎設施建設中應用會更加廣泛, 只有在設計、施工等方面解決質量問題, 才能使地鐵工程進展順利, 為北京迎奧運做出貢獻。參考文獻:[1] 崔慶怡.高強高性能混凝土施工階段裂縫的防治[J].混凝土, 2003, (1) : 57- 58.[2] 周世祥, 羅富榮.地鐵某區間隧道裂縫及其原因分析[A].王德興.隧道及地下工程學會第十四屆學術交流會論文集[C].北京: 中國科學技術出版社, 2001.249- 255.
關鍵詞: 地鐵; 混凝土; 混凝土裂縫成因; 應對措施 近年來, 我國地下交通基礎建設得到迅猛發展,各地興建了大量的地鐵和輕軌工程。混凝土開裂可以說是“常發病”和“多發病”, 經常困擾著地鐵工程技術人員。其實, 如果采取一定的設計和施工措施, 很多裂縫是可以克服和控制的。本文盡可能對地鐵工程中混凝土裂縫的種類和產生的原因作較全面的分析、總結, 并提出幾種在施工中控制裂縫的可行辦法, 可起到防范于未然的作用供大家參考。控制裂縫的可行辦法, 可起到防范于未然的作用供大家參考。1 混凝土的特性 為了分析混凝土在地鐵工程施工中出現裂縫的原因, 必須了解混凝土的幾個特性。 (1) 混凝土是一種脆性材料, 它的抗拉強度僅為抗壓強度的 1/8～1/10。只要外界受力作用或內部變形, 受到約束產生的拉應力大于混凝土極限抗拉強度, 混凝土即出現裂縫。 ( 2) 混凝土是一種膠凝性的復合材料, 本身就具有收縮特性。這種特性為裂縫的產生提供了推動作用。 (3) 混凝土由塑性狀態逐步發展為固態, 強度也隨之迅速增長, 施工階段正是混凝土處于低強度向設計強度發展的過渡階段, 其極限拉應力也是一個變量, 一旦外界擾動產生的拉應力超過了當時的極限拉應力, 裂縫就產生了。 (4)混凝土在施工期間會受到各種外界因素的影響。多種因素的互相抵消和疊加, 就會出現同樣的配合比在不同的場合和結構中, 裂縫的形態和分布各不相同, 使問題更加復雜。2 地鐵混凝土工程的特點 地鐵工程中的混凝土具有大體積混凝土多、均為防水混凝土、基本為商品混凝土、地下封閉環境、大部分為高強混凝土等特點。3 地鐵工程中混凝土裂縫種類和成因 實際上, 混凝土結構裂縫的成因復雜而繁多, 甚至多種因素相互影響。具體到地鐵工程中, 混凝土裂縫大致有 5 種。3. 1 荷載引起的裂縫 地鐵工程中的混凝土結構在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱荷載裂縫。歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫兩種。 (1) 由外荷載引起直接應力產生的裂縫其原因有: ①設計計算階段, 結構計算時不計算或部分漏算; 計算模型不合理; 結構受力假設與實際受力不符;荷載少算或漏算; 內力與配筋計算錯誤; 結構安全系數不夠。還有結構設計時不考慮施工的可能性; 設計斷面不足; 鋼筋設置偏少或布置錯誤; 結構剛度不足; 構造處理不當; 設計圖紙交代不清等。 ②施工階段, 不加限制地堆放施工機具、材料; 不了解預制結構受力特點, 隨意翻身、起吊、運輸、安裝;不按設計圖紙施工, 擅自更改結構施工順序, 改變結構受力模式; 不對結構做機器振動下的疲勞強度驗算等。 ③地鐵工程中的地下暗挖部分受周圍圍巖體系破壞的影響, 承受部分額外的土壓力, 產生的裂縫往往位于隧道起拱線附近。 ④地鐵工程中的區間結構往往采用了混凝土初支+二次襯砌的形式, 而二次襯砌又往往在初支未達到 28 d 強度( 或初支并未完全穩定) 時即進行澆筑施工, 承受了部分初支傳遞過來的土壓力。 ⑤北京地區地鐵的建設基本位于永定河沖積扇上, 大都需要采取內外排降水的施工工藝。在排降水施工中止、暫停時, 會產生較大的應力變化, 對混凝土初支和二次襯砌產生影響。 ⑥采用了混凝土初支+二次襯砌形式的地鐵暗挖區間, 一般會采用向二次襯砌背后注漿的施工工藝。若二次襯砌混凝土背后存在較大空隙時, 注漿回填的過程也會造成二次襯砌混凝土結構處于不利的受力環境。 (2)由外荷載引起的次生應力產生裂縫其產生的原因有: ①在設計外荷載作用下, 由于結構物的實際工作狀態同常規計算有出入或計算時不予以考慮, 從而在某些部位引起次應力導致結構開裂。 ②混凝土結構中經常需要鑿槽、開洞、設置牛腿等。在常規計算中難以用準確的圖式進行模擬計算,一般都是根據經驗設置受力鋼筋。研究表明, 受力構件挖孔后, 力流將產生繞射現象, 在孔洞附近密集, 產生巨大的應力集中。若處理不當, 在這些結構的轉角處或構件形狀突變處、受力鋼筋截斷處容易出現裂縫。 實際工程中, 次應力裂縫是產生荷載裂縫的最常見原因。次應力裂縫多屬張拉、劈裂、剪切性質。次應力裂縫也是由荷載引起, 僅是按常規一般不計算, 但隨著現代計算手段的不斷完善, 次應力裂縫也是可以做到合理驗算的。 荷載裂縫特征依荷載不同而異, 呈現不同的特點。這類裂縫多出現在受拉區、受剪區或振動嚴重部位。但必須指出, 如果受壓區出現起皮或有沿受壓方向的短裂縫, 往往是結構達到承載力極限的標志, 是結構破壞的前兆, 其原因往往是截面尺寸偏小。3. 2 地基基礎變形引起的裂縫 由于基礎豎向不均勻沉降或水平方向位移, 使結構中產生附加應力, 這種應力一旦超出混凝土結構的抗拉能力, 易導致結構開裂。3. 3 施工材料質量引起的裂縫 混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質量不合格, 可能導致結構出現裂縫。3. 4 施工工藝質量引起的裂縫 在混凝土結構澆筑、構件制作、起模、運輸、堆放、拼裝及吊裝過程中, 若施工工藝不合理、施工質量低劣, 容易產生各種裂縫。3. 5 其他因素引起的裂縫 溫度變化、混凝土收縮和凍脹、鋼筋銹蝕等均可產生裂縫。4 地鐵施工中混凝土裂縫的預控措施 以上所列諸項裂縫中, 地基礎變形引起的裂縫主要是與設計和水文地質勘查過程中的失誤有關, 凍脹引起的裂縫在北京地區較為少見。因此對這兩種裂縫不做進一步的應對分析。4. 1 荷載引起的裂縫預控措施 (1) 加強超前注漿和大管棚支護, 固化和穩定圍巖, 使其形成連貫的土拱和持力土柱。 (2)區間隧道二次襯砌澆筑施工時盡量減小與初支的間隙, 可在初支穩定后即進行二次襯砌澆筑。 (3) 排降水施工時間過長時, 盡量避免在暫停或終止時進行混凝土砌澆筑施工。 (4) 二次襯砌背后注漿采用多次、少量的灌注方案, 漿液灌注量和壓力執行雙控; 加密注漿管; 采用多種漿液灌注方案; 加強同期和后期監測。4. 2 溫度變化引起的裂縫預控措施 (1)進行溫度預控。施工前通過模擬試驗, 預先測定混凝土絕熱溫升參數, 掌握合理溫差值; 澆筑期間,采用電子測溫儀測定混凝土內部溫度, 控制內外溫差。 (2) 施工中根據實際情況, 盡量選擇水化熱低的水泥。 (3) 混凝土內部溫度降低量和溫降變形量, 隨單位體積混凝土的水泥用量的增大而增大。在滿足混凝土強度和工作性能的前提下, 應減少單位體積混凝土水泥用量, 降低水灰比, 其最大限值為 0.45。在區間隧道的襯砌施工中, 可采用摻不大于水泥用量 20 %的 I級粉煤灰和 TMS 優質復合防水劑的“雙摻”技術, 并且確 定高性能混 凝 土 單 方 水 泥 用 量 一 般 不 大 于320 kg/m3, 亦不小于 250 kg/m3(C30 混凝土)。 (4)控制混凝土的澆筑長度。根據既有城市地鐵的具體情況, 區間隧道分段澆筑長度以 10 m 左右為宜; 明挖車站分段澆筑長度不大于24 m。 (5)降低骨料入模溫度, 減少內外溫差, 并緩慢降溫。必要時可采用循環冷卻系統進行內部散熱, 或采用薄層連續澆筑以加快散熱。 (6) 提供良好的養護條件, 避免混凝土內外溫差過大。混凝土澆筑完畢后, 及時噴灑養護液。4. 3 收縮引起的裂縫預控措施 (1)施工時摻入適量微膨脹劑以補償由于收縮損失的體積, 控制有害裂縫的展開。 (2) 澆筑前進行砂漿找平, 降低由于接觸面不平而產生的約束應力, 避免因約束力產生裂縫。4. 4 鋼筋銹蝕引起的裂縫預控措施 要防止鋼筋銹蝕, 采用適當的保護層厚度; 施工時應控制混凝土的水灰比, 加強振搗, 保證混凝土的密實性, 防止氧氣侵入; 同時嚴格控制含氯鹽外加劑的用量。4. 5 施工材料引起的裂縫預控措施 混凝土堿- 集料反應也是混凝土產生裂縫的原因之一, 因此要做到: (1) 對水泥品種進行選擇和控制, 重點比選水泥中 C3A 和含堿量低的品種, C3A 含量應低于 8 %, 堿含量小于 0.6 %。 (2)改進混凝土配合比設計。在保證混凝土強度的前提下, 利用“雙摻”技術, 改善其工作性能和抑制堿- 集料反應, 適當摻加高效減水劑以減小水灰比, 摻入足夠的礦物細摻料(優質粉煤灰)。4. 6 施工工藝質量引起的裂縫預控措施 防止此類裂縫發生的關鍵, 主要在于加強對現場及施工隊伍本身的管理。另外, 嚴格按照操作規程和質量標準施工也是解決這一問題的關鍵。5 結語 一項地鐵結構工程從建成到使用, 牽涉到設計、施工、監理、運營管理等各個方面。由此可知, 設計疏漏、施工低劣、監理不力均可能使混凝土結構出現裂縫。因此, 嚴格按照國家有關規范、技術標準進行設計、施工和監理, 是保證結構安全耐用的前提和基礎。地鐵工程質量百年大計, 今后幾年乃至幾十年, 地鐵工程在北京及全國各大城市基礎設施建設中應用會更加廣泛, 只有在設計、施工等方面解決質量問題, 才能使地鐵工程進展順利, 為北京迎奧運做出貢獻。參考文獻:[1] 崔慶怡.高強高性能混凝土施工階段裂縫的防治[J].混凝土, 2003, (1) : 57- 58.[2] 周世祥, 羅富榮.地鐵某區間隧道裂縫及其原因分析[A].王德興.隧道及地下工程學會第十四屆學術交流會論文集[C].北京: 中國科學技術出版社, 2001.249- 255.
