地铁工程中混凝土裂缝成因与应对？
近年来,我国地下交通基础建设得到迅猛发展,各地兴建了大量的地铁和轻轨工程。混凝土开裂可以说是“常发病”和“多发病”,经常困扰着地铁工程技术人员。其实,如果采取一定的设计和施工措施,很多裂缝是可以克服和控制的。
混凝土本身所具有的特性是导致其产生裂缝的根本原因,而地铁工程中荷载、温度变化、地基基础变形、钢筋锈蚀、收缩和冻胀、施工材料质量和施工工艺质量又是引起混凝土裂缝的主要因素,因此,文中对其中与地铁工程施工关系密切的荷载、温度和收缩、钢筋锈蚀、施工材料质量、施工工艺质量等引起裂缝的原因提出了相应的预防、控制和处理措施。
控制裂缝的可行办法,可起到防范于未然的作用供大家参考。
1混凝土的特性
为了分析混凝土在地铁工程施工中出现裂缝的原因,必须了解混凝土的几个特性。
(1)混凝土是一种脆性材料,它的抗拉强度仅为抗压强度的1/8～1/10。只要外界受力作用或内部变形,受到约束产生的拉应力大于混凝土极限抗拉强度,混凝土即出现裂缝。
(2)混凝土是一种胶凝性的复合材料,本身就具有收缩特性。这种特性为裂缝的产生提供了推动作用。
(3)混凝土由塑性状态逐步发展为固态,强度也随之迅速增长,施工阶段正是混凝土处于低强度向设计强度发展的过渡阶段,其极限拉应力也是一个变量,一旦外界扰动产生的拉应力超过了当时的极限拉应力,裂缝就产生了。
(4)混凝土在施工期间会受到各种外界因素的影响。多种因素的互相抵消和叠加,就会出现同样的配合比在不同的场合和结构中,裂缝的形态和分布各不相同,使问题更加复杂。
2地铁混凝土工程的特点
地铁工程中的混凝土具有大体积混凝土多、均为防水混凝土、基本为商品混凝土、地下封闭环境、大部分为高强混凝土等特点。
3地铁工程中混凝土裂缝种类和成因
实际上,混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多,甚至多种因素相互影响。具体到地铁工程中,混凝土裂缝大致有5种。
3.1荷载引起的裂缝
地铁工程中的混凝土结构在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝。归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。
(1)由外荷载引起直接应力产生的裂缝其原因有:
①设计计算阶段,结构计算时不计算或部分漏算;计算模型不合理;结构受力假设与实际受力不符;荷载少算或漏算;内力与配筋计算错误;结构安全系数不够。还有结构设计时不考虑施工的可能性;设计断面不足;钢筋设置偏少或布置错误;结构刚度不足;构造处理不当;设计图纸交代不清等。
②施工阶段,不加限制地堆放施工机具、材料;不了解预制结构受力特点,随意翻身、起吊、运输、安装;不按设计图纸施工,擅自更改结构施工顺序,改变结构受力模式;不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。
③地铁工程中的地下暗挖部分受周围围岩体系破坏的影响,承受部分额外的土压力,产生的裂缝往往位于隧道起拱线附近。
④地铁工程中的区间结构往往采用了混凝土初支二次衬砌的形式,而二次衬砌又往往在初支未达到28d强度(或初支并未完全稳定)时即进行浇筑施工,承受了部分初支传递过来的土压力。
⑤北京地区地铁的建设基本位于永定河冲积扇上,大都需要采取内外排降水的施工工艺。在排降水施工中止、暂停时,会产生较大的应力变化,对混凝土初支和二次衬砌产生影响。
⑥采用了混凝土初支二次衬砌形式的地铁暗挖区间,一般会采用向二次衬砌背后注浆的施工工艺。若二次衬砌混凝土背后存在较大空隙时,注浆回填的过程也会造成二次衬砌混凝土结构处于不利的受力环境。
(2)由外荷载引起的次生应力产生裂缝其产生的原因有:
①在设计外荷载作用下,由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算时不予以考虑,从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。
②混凝土结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等。在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算,一般都是根据经验设置受力钢筋。研究表明,受力构件挖孔后,力流将产生绕射现象,在孔洞附近密集,产生巨大的应力集中。若处理不当,在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。
实际工程中,次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。次应力裂缝也是由荷载引起,仅是按常规一般不计算,但随着现代计算手段的不断完善,次应力裂缝也是可以做到合理验算的。
荷载裂缝特征依荷载不同而异,呈现不同的特点。这类裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。但必须指出,如果受压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝,往往是结构达到承载力极限的标志,是结构破坏的前兆,其原因往往是截面尺寸偏小。
3.2地基基础变形引起的裂缝
由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移,使结构中产生附加应力,这种应力一旦超出混凝土结构的抗拉能力,易导致结构开裂。
3.3施工材料质量引起的裂缝
混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂组成。配置混凝土所采用材料质量不合格,可能导致结构出现裂缝。
3.4施工工艺质量引起的裂缝
在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中,若施工工艺不合理、施工质量低劣,容易产生各种裂缝。
3.5其他因素引起的裂缝
温度变化、混凝土收缩和冻胀、钢筋锈蚀等均可产生裂缝。
4地铁施工中混凝土裂缝的预控措施
以上所列诸项裂缝中,地基础变形引起的裂缝主要是与设计和水文地质勘查过程中的失误有关,冻胀引起的裂缝在北京地区较为少见。因此对这两种裂缝不做进一步的应对分析。
4.1荷载引起的裂缝预控措施
(1)加强超前注浆和大管棚支护,固化和稳定围岩,使其形成连贯的土拱和持力土柱。
(2)区间隧道二次衬砌浇筑施工时尽量减小与初支的间隙,可在初支稳定后即进行二次衬砌浇筑。
(3)排降水施工时间过长时,尽量避免在暂停或终止时进行混凝土砌浇筑施工。
(4)二次衬砌背后注浆采用多次、少量的灌注方案,浆液灌注量和压力执行双控;加密注浆管;采用多种浆液灌注方案;加强同期和后期监测。
4.2温度变化引起的裂缝预控措施
(1)进行温度预控。施工前通过模拟试验,预先测定混凝土绝热温升参数,掌握合理温差值;浇筑期间,采用电子测温仪测定混凝土内部温度,控制内外温差。
(2)施工中根据实际情况,尽量选择水化热低的水泥。
(3)混凝土内部温度降低量和温降变形量,随单位体积混凝土的水泥用量的增大而增大。在满足混凝土强度和工作性能的前提下,应减少单位体积混凝土水泥用量,降低水灰比,其最大限值为0.45。在区间隧道的衬砌施工中,可采用掺不大于水泥用量20%的I级粉煤灰和TMS优质复合防水剂的“双掺”技术,并且确定高性能混凝土单方水泥用量一般不大于320kg/m3,亦不小于250kg/m3(C30混凝土)。
(4)控制混凝土的浇筑长度。根据既有城市地铁的具体情况,区间隧道分段浇筑长度以10m左右为宜;明挖车站分段浇筑长度不大于24m。
(5)降低骨料入模温度,减少内外温差,并缓慢降温。必要时可采用循环冷却系统进行内部散热,或采用薄层连续浇筑以加快散热。
(6)提供良好的养护条件,避免混凝土内外温差过大。混凝土浇筑完毕后,及时喷洒养护液。
4.3收缩引起的裂缝预控措施
(1)施工时掺入适量微膨胀剂以补偿由于收缩损失的体积,控制有害裂缝的展开。
(2)浇筑前进行砂浆找平,降低由于接触面不平而产生的约束应力,避免因约束力产生裂缝。
4.4钢筋锈蚀引起的裂缝预控措施
要防止钢筋锈蚀,采用适当的保护层厚度;施工时应控制混凝土的水灰比,加强振捣,保证混凝土的密实性,防止氧气侵入;同时严格控制含氯盐外加剂的用量。
4.5施工材料引起的裂缝预控措施
混凝土碱-集料反应也是混凝土产生裂缝的原因之一,因此要做到:
(1)对水泥品种进行选择和控制,重点比选水泥中C3A和含碱量低的品种,C3A含量应低于8%,碱含量小于0.6%。
(2)改进混凝土配合比设计。在保证混凝土强度的前提下,利用“双掺”技术,改善其工作性能和抑制碱-集料反应,适当掺加高效减水剂以减小水灰比,掺入足够的矿物细掺料(优质粉煤灰)。
4.6施工工艺质量引起的裂缝预控措施
防止此类裂缝发生的关键,主要在于加强对现场及施工队伍本身的管理。另外,严格按照操作规程和质量标准施工也是解决这一问题的关键。
5结语
一项地铁结构工程从建成到使用,牵涉到设计、施工、监理、运营管理等各个方面。由此可知,设计疏漏、施工低劣、监理不力均可能使混凝土结构出现裂缝。因此,严格按照国家有关规范、技术标准进行设计、施工和监理,是保证结构安全耐用的前提和基础。地铁工程质量百年大计,今后几年乃至几十年,地铁工程在北京及全国各大城市基础设施建设中应用会更加广泛,只有在设计、施工等方面解决质量问题,才能使地铁工程进展顺利,为北京迎奥运做出贡献。
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