潘 毅，柳現(xiàn)杰，楊杭莉，耿 飛

（1.中電建鐵路建設(shè)投資集團有限公司，北京 100044；2.南京航空航天大學(xué)土木與機場工程系，江蘇 南京 211106）

0 引言

鋼筋混凝土側(cè)墻作為軌道交通主體結(jié)構(gòu)，墻頂與拱腳牢固連接，底面與襯砌底板相連或直接支承于基巖，其設(shè)計使用年限不低于 100 年，混凝土強度不低于 C35，厚度通常為 0.5～0.8 m，深度視實際工程情況而有所不同。軌道交通的側(cè)墻工程多為明挖法施工，混凝土澆筑脫模后時常會出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)滲漏，從而帶來鋼筋銹蝕、乘車環(huán)境惡化和運維成本增加等一系列不利影響。側(cè)墻混凝土結(jié)構(gòu)具有長寬比大、結(jié)構(gòu)厚、多有變截面區(qū)、分段澆筑等特點，其裂縫一般認(rèn)為是由混凝土的塑性收縮、溫度收縮和干燥收縮等引起的變形受到底板或周邊剛性體約束而造成的［1，2］。

為滿足側(cè)墻結(jié)構(gòu)整體性和耐久性的要求，本文基于相關(guān)軌道交通工程的實例，探討側(cè)墻混凝土收縮裂縫的產(chǎn)生因素和作用機制，為實際工程提供參考。

1 地下混凝土側(cè)墻裂縫形態(tài)

地下結(jié)構(gòu)側(cè)墻容易在施工階段出現(xiàn)裂縫，大多為貫穿性裂縫，其產(chǎn)生時間、開裂特點及滲漏等統(tǒng)計情況［3］如表 1 所示。地下混凝土側(cè)墻裂縫大多從應(yīng)力最大處產(chǎn)生并向墻上下兩端延伸，將墻體一分為二，使得墻體應(yīng)力重分布，若此時混凝土應(yīng)力值仍超過其抗拉強度，第二批裂縫會將墻片再分成兩塊，裂縫持續(xù)發(fā)展直至各墻塊的混凝土應(yīng)力值小于自身抗拉強度。

表1 軌道交通地下結(jié)構(gòu)混凝土側(cè)墻開裂情況

側(cè)墻裂縫寬度一般在 0.1～0.3 mm，且多為豎向裂縫［4］，少有裂縫寬度超過 0.5 mm。隨著時間的推移、澆筑長度的增加及施工環(huán)境溫度上升等原因，裂縫會進一步發(fā)展，數(shù)量增多，慢慢出現(xiàn)滲漏情況。如圖 1 所示的南京某地鐵車站混凝土側(cè)墻，一旦開裂后，在周邊水壓的作用下，就會出現(xiàn)滲水，慢慢出現(xiàn)泛堿現(xiàn)象，影響工程質(zhì)量和美觀，需要在裂縫擴展穩(wěn)定后進行修復(fù)。

圖1 南京某地鐵車站混凝土側(cè)墻縱向裂縫

2 側(cè)墻開裂機制及影響因素

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 側(cè)墻分段長度的影響

側(cè)墻的一次澆筑長度對混凝土的收縮變形有重要的影響。以某地下 2 層島式車站為例，該車站側(cè)墻兩端為 600 mm 厚，標(biāo)準(zhǔn)段為 400 mm 厚，環(huán)境溫度相近時，一次澆筑長為 26.95 m 的側(cè)墻，平均每 m 裂縫數(shù)量是 18.3 m 側(cè)墻的3倍，在相對較低的環(huán)境溫度下，澆筑 20.8 m 長的側(cè)墻，平均每 m 裂縫數(shù)量是 18.3 m 側(cè)墻裂縫數(shù)量的 2 倍［5］。2015 年 5 月澆筑的常州軌道交通某車站側(cè)墻，每節(jié)段長度為 20～25 m，拆模 2～3 d 后每節(jié)出現(xiàn) 4～6 條裂縫，從墻體高度方向下部1/3～1/2處向上下兩端延伸，呈棗核狀，大多貫穿，胡導(dǎo)云等［6］計算探討了分段澆筑長度與開裂風(fēng)險的關(guān)系，在夏季、春秋季和冬季時，開裂風(fēng)險可控的澆筑長度分別是 5.0、12.6 及 14.7 m，摻加功能抗裂材料后的長度分別增加至 13.1、21 和 39.4 m。

側(cè)墻澆筑時，GB 50496－2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定采用分層澆筑，每層澆筑厚度控制在 300～350 mm，GB 50164－2011《混凝土生產(chǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定分層澆筑厚度應(yīng)控制在 300～500 mm，但未明確混凝土施工時的具體澆筑長度。側(cè)墻作為開裂風(fēng)險評估的“短板”，澆筑長度的大小與裂縫的產(chǎn)生息息相關(guān)，每個側(cè)墻工程的結(jié)構(gòu)型式、氣候環(huán)境、混凝土原材料性能和施工條件不同，適宜的澆筑長度需要通過具體的計算分析確定。

2.1.2 側(cè)墻厚度的影響

側(cè)墻厚度直接影響混凝土的溫升與溫降，李路等［7］學(xué)者研究了厚度分別為 0.35、0.5、0.7 和 0.9 m 的側(cè)墻在入模溫度與側(cè)墻長度一致的條件下對混凝土的影響，結(jié)果表明 0.35、0.5、0.7、0.9 m 的側(cè)墻中心溫度分別為 29、34 、39、42 ℃，開裂風(fēng)險分別為 0.7、0.8、0.96、1.05，整個趨勢趨于平緩；張堅等［8］學(xué)者對厚度為 0.2～1.0 m 的側(cè)墻夏季開裂風(fēng)險系數(shù)計算，研究表明夏季高溫施工分段長度為 30 m 時，側(cè)墻厚度無論多大，最大開裂風(fēng)險均＞1.0，基于應(yīng)力準(zhǔn)則，墻體一定開裂。

實際工程中，為減少側(cè)墻厚度增大導(dǎo)致的開裂風(fēng)險增大，應(yīng)盡量減小一次性澆筑長度，做好混凝土養(yǎng)護措施。

2.1.3 側(cè)墻混凝土中配筋的影響

在側(cè)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，澆筑長度與厚度均會影響側(cè)墻裂縫的產(chǎn)生。為使裂縫在可接受范圍內(nèi)并限制其進一步發(fā)展，通常設(shè)置鋼筋來增加墻體抗拉能力。目前工程中使用配筋率≥ 0.2 %，分布筋的間距＜ 150 mm 且在豎筋的外側(cè)［9］；研究表明，美國 ACI 規(guī)范規(guī)定構(gòu)造配筋率為 0.25 %，但其管涵結(jié)構(gòu)裂縫間距約為 8 m，裂縫寬約為 1.5 mm；日本土木學(xué)會大體積混凝土溫度應(yīng)力委員會提出配筋率為 0.2 % 時裂縫寬度可以達(dá)到 0.4 mm，而配筋率為 0.9 % 時則裂縫寬度可以控制在 0.2 mm 以下；陳肇元等學(xué)者考慮到經(jīng)濟適用性提出 0.4 % 的配筋率［10］。

在實際工程中通過配置構(gòu)造鋼筋來限制側(cè)墻裂縫產(chǎn)生與發(fā)展時，除配筋率外還應(yīng)考慮鋼筋的長度。如廣州一號線楊箕車站就在角點處鋪設(shè)了直徑φ15、長度2～3 m 不等的溫度構(gòu)造筋，鋪設(shè)范圍內(nèi)裂縫減少且變得十分細(xì)小，但在構(gòu)造筋外部卻出現(xiàn)了一條更寬的裂縫。鋼筋鋪設(shè)時需盡可能的密且長，否則最終很可能使得裂縫產(chǎn)生轉(zhuǎn)移［10］。

2.2 混凝土原材料和配合比

側(cè)墻混凝土在脫模后出現(xiàn)的非荷載性裂縫，主要誘因是溫度收縮和干燥收縮。側(cè)墻混凝土的溫升［11］主要源于水泥水化熱。通常 1 g 水泥可釋放 502 J 的熱量，45 kg 水泥在絕對條件下產(chǎn)生 5～8 ℃ 絕熱溫升，溫度峰值在水化開始的 12 h 左右出現(xiàn)。

混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度是水化熱的絕熱溫度、澆筑溫度和結(jié)構(gòu)散熱降溫等多種溫度的疊加，而溫度應(yīng)力則是由溫差變形造成的。C35 混凝土的膠凝材料用量通常為 370～400 kg/m3、單位用水量為 160～170 kg/m3、砂率為 38 %～42 %，尤其是在高溫季節(jié)，水泥、礦粉、砂石等原材料的溫度較高，混凝土內(nèi)部溫度越高。在沒有特殊降溫措施時，厚度為 600～800 mm 的側(cè)墻混凝土內(nèi)部最大溫度高達(dá) 50～60 ℃，最大溫差可達(dá) 40 ℃［12］。有研究表明采用水化熱調(diào)控材料、大摻量緩凝劑、減縮劑和纖維材料等措施可緩解水泥水化產(chǎn)生的應(yīng)力，增強混凝土早期抗裂性能［13-15］。

2.3 施工技術(shù)

2.3.1 入模溫度

GB 50496－2018《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》規(guī)定混凝土入模溫度宜控制在 5 ℃～30 ℃，入模溫度越高，水泥水化反應(yīng)速度越快，放熱速率顯著增大。當(dāng)入模溫度為 15 ℃ 時，水灰比為 0.35 的純水泥摻 1 % 減水劑，最大放熱速率為 3.18 mW/g，溫峰出現(xiàn)在 12.77 h，3 d 放熱量達(dá)到 266.18 J/g；當(dāng)入模溫度增加至 35 ℃ 時，最大放熱速率為 9.89 mW/g，較之 15 ℃時，提高了 311 %，溫峰出現(xiàn)在 7.62 h，提前了 5.15 h，3 d 放熱量達(dá)到 361.34 J/g［16］。

入模溫度的升高不僅導(dǎo)致混凝土內(nèi)部迅速升溫，增加里表溫差，后期側(cè)墻結(jié)構(gòu)降溫階段內(nèi)部最大主拉應(yīng)力也隨之增大。某市環(huán)城南路下穿鐵路混凝土斜交框架橋［17］，施工選取 10、15、20 與 25 ℃ 不同工況下的入模溫度，觀察側(cè)墻應(yīng)力場變化情況。入模溫度由 10～15 ℃ 時，側(cè)墻內(nèi)應(yīng)力增長率為 0.04 MPa/℃，外應(yīng)力增長率 0.06 MPa/℃；15～20 ℃ 時，內(nèi)應(yīng)力增長率為 0.12 MPa/℃，外應(yīng)力增長率為 0.23 MPa/℃，20～25 ℃ 時，內(nèi)應(yīng)力增長率為 0.4 MPa/℃，外應(yīng)力增長率為 0.36 MPa/℃?；炷羵?cè)墻內(nèi)外應(yīng)力也隨著入模溫度的增加而增加，溫度越高，應(yīng)力增長率越大。

為降低入模溫度對混凝土早期開裂的影響，需控制好原材料的初始溫度，粗細(xì)骨料要有遮陽措施，向空氣中霧狀噴淋水降環(huán)境溫度；拌合水中加冰塊，選用功能材料［18-20］，如水化熱抑制劑和緩凝劑等抑制混凝土早期收縮。

2.3.2 施工季節(jié)

在施工階段，側(cè)墻混凝土受外界氣溫的變化影響顯而易見［21，22］，李路等學(xué)者對 0.7 m 厚側(cè)墻結(jié)構(gòu)混凝土溫度及澆筑不同長度時開裂風(fēng)險計算［7］，結(jié)果表明，冬季施工側(cè)墻混凝土溫升和開裂風(fēng)險最小，夏季最大，且夏季最大允許分段澆筑長度最短，冬季最長。

不同季節(jié)施工時，溫峰出現(xiàn)時間不同，夏季澆筑時 0.5 h 出現(xiàn)溫峰，秋季 1 h 出現(xiàn)溫峰，冬季 2 h 出現(xiàn)溫峰，側(cè)墻混凝土表面散熱速率小于混凝土放熱速率時，混凝土溫度升高，側(cè)墻開裂風(fēng)險增大。

以某島式站臺車站為例［23］，分析該工程不同季節(jié)澆筑的側(cè)墻混凝土中心溫度歷程、里表溫差和中心應(yīng)變歷程，結(jié)果表明夏季混凝土入模后升溫速率和墻體中心最大溫升明顯大于春冬兩季，夏季側(cè)墻中心最高溫度可達(dá) 72.1 ℃，最大溫升為 32.1 ℃，春冬季側(cè)墻中心最高溫度分別為 51.4 ℃、39.8 ℃，最大溫升分別為 26.4 ℃、21.8 ℃，溫降值越大產(chǎn)生的收縮變形越大，夏季施工時，混凝土收縮值為 189 με，春冬季為 87 με 和 137 με。側(cè)墻混凝土收縮變形受老混凝土約束，產(chǎn)生的拉應(yīng)力隨著收縮發(fā)展不斷增大?；炷猎谙募臼┕r，在 8.3 d 時出現(xiàn)了由里及表的貫穿性損傷裂縫。季節(jié)溫度越高，混凝土側(cè)墻越容易產(chǎn)生溫度裂縫。

2.3.3 模板類型

鋼模板和木模板是國內(nèi)混凝土工程施工中采用的主要模板類型。相同厚度的兩種模板導(dǎo)熱系數(shù)不同，對混凝土最大溫升影響不同。以某島式站臺車站為例［23］，施工中分別采用的鋼模板材質(zhì)為 Q235 鋼，厚度 5 mm，木模板材質(zhì)為松木，厚度 18 mm。分析側(cè)墻混凝土中心溫度歷程和側(cè)墻混凝土里表溫差，由于鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于木材，混凝土使用鋼材模板中心最大溫升較木材模板低約 5.0 ℃，拆模前后側(cè)墻中心的溫降速率未見明顯變化；采用鋼模板施工的側(cè)墻混凝土里表溫差略大于采用木模板的工況。

當(dāng)前模板材料也呈現(xiàn)多樣化發(fā)展，沈德建等學(xué)者選用工程中常用的厚度為 15 m m 木膠合板模板和 2 mm 組合鋼模板［24］，分析混凝土試件內(nèi)部和表面溫度以及環(huán)境溫度發(fā)展過程，結(jié)果表明，木膠合板模板內(nèi)部溫度峰值高于組合鋼模板，但溫度峰值出現(xiàn)時間并未產(chǎn)生明顯影響。

木膠合板模板與組合鋼模板較之鋼模板與木模板而言更有利于側(cè)墻混凝土溫度控制。但木膠合板具有木材用量多，消耗量大等特點；組合鋼模板使用時一次性投入費用大、易變形、接縫較多［25］?？紤]經(jīng)濟適用性及“小溫差，早冷卻，緩慢冷卻”原則，夏季施工時采用鋼模板可以有效降低混凝土側(cè)墻中心的最大溫升值，更有利于軌道交通地下結(jié)構(gòu)側(cè)墻混凝土施工早期裂縫的控制；木模板更適用于冬季和春季施工。

2.3.4 養(yǎng)護措施

側(cè)墻混凝土脫模后，如果養(yǎng)護措施不到位，在干燥、有風(fēng)等氣候條件下，混凝土內(nèi)部水分散失快，使其表面干燥及內(nèi)外溫差大，容易產(chǎn)生裂縫。滿偉學(xué)者以某地下兩層車站為研究對象分析該車站主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫原因，指出養(yǎng)護時間不足，拆模過早是導(dǎo)致該車站產(chǎn)生裂縫的主要原因之一［26］。長沙地鐵四號線車站對現(xiàn)澆混凝土雙面帶模養(yǎng)護，拆模后混凝土表觀未出現(xiàn)裂縫，效果顯著［27］。

結(jié)合實際工況與外界溫度的耦合作用，側(cè)墻混凝土在澆筑過程中，要保證振搗密實，振動時間控制在 20～30 s［28，29］，澆筑時，混凝土一次性安全澆筑長度需根據(jù)實際工況確定。澆筑過長時，需做好養(yǎng)護工作，可灑水覆膜養(yǎng)護并對混凝土溫度進行檢測，溫度過高時及時進行降溫處理。研究表明，400 mm 厚的疊合墻溫升降低 5.5 ℃ 時，澆筑長度可延長 7.8 m，600 mm 厚的復(fù)合墻溫升降低 6 ℃ 時，澆筑長度可延長 4 m［30］。

3 結(jié)語

城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)混凝土側(cè)墻收縮開裂的因素影響十分復(fù)雜，不同工程側(cè)墻開裂原因均有不同，涉及到結(jié)構(gòu)特征、混凝土材料和施工技術(shù)等，如何準(zhǔn)確預(yù)估混凝土開裂及通過施工技術(shù)彌補由于混凝土材料特性造成的開裂是一項值得深入探究的工作。Q