浅析地铁车站侧墙裂缝原因分析与预防措施

摘要：目前我国地铁车站侧墙主要是复合式大型地下混凝土框架结构。在各种荷载的综合影响下，地铁往往会有混凝土开裂和渗漏的现象，不同程度地危及地铁的运营及设备安全，缩短混凝土结构的使用寿命。由于引起混凝土开裂的原因较为复杂，造成其开裂渗漏的机理及预防一直受到广大地下工程技术人员的关注。

关键词：地铁车站；裂缝；干缩变形；温缩变形；温度应力

中图分类号： U231+.4 文献标识码： A

引言

由于混凝土是多种材料组成的混合体，又是脆性材料，在侵蚀和内外力作用下，裂缝的产生是不可避免的。大量工程实践表明，钢筋混凝土结构裂缝的成因复杂，甚至多种因素相互影响，混凝土产生裂缝的主要原因是混凝土变形受到制约或外力的作用，从混凝土的浇筑到结构物使用的整个过程中，都可能产生裂缝。其中，变形荷载是引起裂缝的主要因素。

变形荷载是指温度收缩、干缩变形和不均匀沉降等，由于地铁车站侧墙是混凝土薄壁结构,其裂缝产生的主要原因是干缩变形和温度收缩变形。其中混凝土的干缩变形主要是指由于混凝土因水分散失而引起的体积缩小。温度收缩变形主要是由于在混凝土硬化过程中，混凝土中的水泥释放出大量的水化热，同时又在热量的不断散失过程中，结构内部产生的温度变化引起的胀缩变形。

经调查统计，一般地铁车站结构中侧墙产生裂缝的主要部位在其中下部以及施工缝处；侧墙中裂缝大部分是竖直的，仅有少量的环向、横向裂缝。同时，按照裂缝开裂深度，主要可划分为表面裂缝和贯穿裂缝两种。

1 表面裂缝产生原因分析

在混凝土薄壁结构中表面裂缝产生主要原因是干缩变形和结构内部温度非线性分布，导致结构本身的相互约束产生的应力引起，即内约束作用。

1.1干缩变形

对混凝土薄壁结构来说，由于混凝土结构的体表面积较小，所以与空气接触的外表面水分散失较快，由其引起的干缩变形也大。而该结构中水分散失由表及里逐渐减小，成非线性发展。这种非线性发展，使内外变形不一致，因而表面干缩变形受到内部干缩变形的约束。如当新拌混凝土的坍落度较大，而振动时间过长时，水泥浆浮在上层，骨料下沉时收到钢筋或其他物质的约束，出现不均匀沉降，从而使混凝土的表层产生裂缝；浇筑后混凝土表面没有及时覆盖，受风吹日晒，表面水分蒸发过快，产生急剧收缩，而此时混凝土早期强度不能抵抗这种变形应力，因而开裂；使用收缩率较大的水泥，水泥用量过多，或使用过量的细砂和粉砂混凝土水灰比过大，也会导致裂缝出现。这种裂缝大多出现在混凝土浇筑初期和养护期间。

1.2温度收缩变形

由于混凝土具有热胀冷缩的性质，当环境温度发生变化时就会产生温度变形，由此产生附加应力，当这种应力超过混凝土的抗拉强度时就会产生裂缝。温度裂缝大多发生在施工的中后期间，缝宽受温度变化影响较明显。混凝土浇筑后，胶凝材料在水化凝结过程中要散发大量的水化热，内部温度急剧上升。一般浇筑后1ｄ就能达到温峰。而后随着混凝土的凝结，水化热不断散失，温度逐渐降低到与环境温度相当。当浇筑温度控制在30℃时，在混凝土薄壁结构中，由于水化热作用结构中温度可上升到50℃～60℃。而结构的外表面散热快，因而薄壁结构中的温度梯度相当大。因为升温阶段短暂，而且此时混凝土的弹性模量很小，徐变较大，升温引起的压应力并不大，不会引起裂缝的产生，所以不加考虑。当温度逐渐降低时，随着混凝土的硬化，弹性模量逐渐变大，徐变减小。混凝土结构冷却时，表面温度较低，内部温度较高，表面的温度收缩变形受到内部的约束，从而表面出现拉应力，在内部出现压应力。

因此，在干缩和温缩的共同作用下，车站侧墙混凝土薄壁结构的外表面受到拉应力的作用，而内部则出现压应力，从而导致表层混凝土的收缩变形。

2 贯穿裂缝产生原因分析

混凝土薄壁结构除了受到由于干缩和温度变形引起的内约束作用外，还受到外约束作用。在地铁车站侧墙结构中，侧墙主要受到顶板或底板的变形约束，但这种约束主要还是由于干缩和温度变形引起的。由于混凝土是脆性材料，抗拉强度只是抗压强度的1/10左右，所以当拉应力大于混凝土的抗拉强度或极限拉伸应变时就会出现贯穿性裂缝。

地铁车站结构中侧墙混凝土厚度较大，一般为60ｃｍ～80ｃｍ。在没有特殊降温措施时，混凝土内部最大温度高达50℃～60℃，前后温差最高可达40℃。由于浇筑时间的先后及侧墙的温差收缩时主要受到底板或顶板混凝土的约束。如把底板混凝土视为老混凝土，而侧墙为新混凝土，则新、老混凝土结构之间存在着较大的收缩差，因此当侧墙收缩时，底板会对其产生巨大的收缩约束。

在收缩过程中，老混凝土龄期较长，收缩变形已趋稳定，从而约束了新浇筑混凝土的自由收缩，在新混凝土内出现拉应力，新、老混凝土粘结面内出现剪应力。当拉应力或剪应力大于新混凝土自身的抗拉强度或新、老混凝土的粘结强度时，就会不可避免地出现贯穿裂缝。

3 侧墙裂缝预防措施

3.1材料控制

(1) 水泥：根据工程条件不同，尽量选用水化热较低、强度较高的水泥，严禁使用安定性不合格的水泥。

(2) 粗骨料：适用表面粗糙、级配良好、空隙率小、无碱性反应；有害物质及泥土含量和压碎指标值等满足相关规范及技术规范规定。

(3) 细骨料：一般采用天然砂。宜用颗粒较粗、空隙较小的2区砂、对运送混凝土宜选用中砂；所选的砂有害物质及混凝土含量和坚固指标等应满足相关规范及技术规程规定。

(4) 外掺加料：宜采用减水剂及膨胀剂等外加剂，以改善混凝土工作性能，降低用水量，减少收缩。

(5) 极采用掺合料和混凝土外加剂，可以明显地起到降低水泥用量、降低水化热、改善混凝土的工作性能和降低混凝土成本的作用。

(6)钢筋的位置要正确，保护层过大或过小都可能导致砼开裂，钢筋间距过大，易引起钢筋之间的砼开裂。

3.2 施工控制

(1) 加强混凝土温度的监控，及时采取防护措施，优化混凝土配合比。

(2) 浇筑分层应合理，振捣应均匀、适度、不得随意留置施工缝。

(3) 应做好温度测控工作，采取有效的保温措施，保证构件内外温差不超过规范、设计规定。

(4) 模板构造要合理、安装到位，以防止模板间的变形不同而导致混凝土裂缝。

(5) 模板和支架要有足够的刚度，防止施工荷载（特别是动荷载）作用下，模板变形过大造成开裂。

(6) 合理掌握拆模时机。拆模时间不能过早，应保证早龄期砼不损坏或不开裂；但也不能太晚，尽可能不要错过砼水化热峰值，即不要错过最佳养护时机。

(7) 加强混凝土的早期养护，并适度延长养护时间，在气温高、湿度低或风速大的条件下，更应及早进行喷水养护，在浇水养护有因难时，或者不能保证其充分湿润时，可采用覆盖保湿材料等方法。

3.3 侧墙局部处理

在靠近顶、底板和支撑头等处的混凝土适当加入一些增韧材料,如钢纤维等,也可提高混凝土的抗裂性能。

4 结论

在地铁建设过程中，普遍存在车站的侧墙发生不同位置、程度和类别的裂缝，影响其使用效果。本文根据以往工程项目，总结了地铁车站侧墙中裂缝发生的情况，并分析了裂缝发生的机理和影响裂缝开展的原因，提出了控制地铁车站侧墙中裂缝的方法，供类似工程的实施提供参考。

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