王朝 李俊清

摘  要：本文结合南京某地铁车站施工实例，分析了混凝土结构产生开裂的原因，出现渗漏水的部位及其成因，有针对性提出了地铁车站混凝土结构在防渗设计、施工中应该注意的几个问题，及预防混凝土开裂应采取的一些措施。

关键词：地铁车站；混凝土结构；渗漏水防治

Abstract: This article combines the example of subway station in NanJin, analysis the cracking and water leakage causes of the concrete structures, pertinence advises that some problems should be attention of design of prevention of leakage and construction of concrete structures in subway station and should take some measures for preventing the concrete cracking.

Key words: subway station; concrete structure; prevention of water leakage

1 工程概况

南京地铁某地铁车站设计全长192.9米，标准段净宽19.6米，车站北端设有盾构工作井。车站围护结构采用600mm厚地下连续墙加φ609钢支撑；主体结构为地下双排柱列三跨钢筋砼箱形框架结构；基坑平均开挖深度16.5米，采用明挖顺做法施工。

车站位于南京市中央路与湖南路交汇处的东北侧，施工地段地面车流量大，商业繁华地段。地面下地层为古河道漫滩，从上到下分布的地层依次为杂填土，淤泥质粉质粘土，粉细砂层及粉质粘土层，其中粉细砂层中含有丰富的地下水，压缩性大，强度低，站区浅层为孔隙浅水层，地下水位埋深1.1～1.2米。

2 车站防水设计

车站围护结构采用600mm厚地下连续墙结构，地下连续墙深25.5米，深入粉质粘土层8～10米，地下连续墙分幅槽段长度4～6米，连续墙接头采用预制接头桩接头，地下连续墙砼采用C30S8防水砼。基坑开挖过程中，架设四道φ609钢支撑，基坑开挖时严格按照“时空效应”理论分层，分段挖土，做到随挖随撑，减少连续墙接头部位的变形引起的接缝渗水。

主体砼结构设计为自防水和外包防水板相结合的防水类型： 砼抗渗等级≥S8，即通过控制砼主要原材料、规格、数量及采用“双掺技术”通过砼浇注及养护等技术措施，确保砼自防水满足设计要求，提高砼抗渗抗裂性能；砼底板、侧墙采用防水板外包防水，顶板采用防水卷材加沥青保护层防水。

主体结构施工缝、沉降缝及后浇带防水构造设计：施工缝、沉降缝是砼自防水体系中的薄弱环节，通常施工缝采用止水钢板，变形缝选择橡胶止水带、止水条，后浇带采用不同类型的防水材料，达到缝隙止水的作用。

3 地铁车站混凝土结构渗漏水的部位及其产生原因

地下混凝土结构渗漏水是一种常见的结构病害。渗漏水虽然不直接危及结构安全，但往往影响建筑物的使用。长期的渗漏将加速结构中钢筋的锈蚀，从而影响结构的使用寿命。因此结构渗漏防治成为设计者和建设者高度重视的一个问题。

地铁车站混凝土结构物渗漏水主要有以下几种类型：

3.1结构变形缝漏水

导致变形缝漏水的原因，主要是止水带（止水片）埋设不当。变形缝止水带（止水片）按其功能应是能够止水，而且有一定的变形能力可以适应结构缝变形的要求。但由于施工工艺不当，常见有止水带不能按设计要求管泡居中，偏离设计定位，严重的甚至脱出；也有的因止水带周边混凝土震捣不足，混凝土不密实而渗水。

3.2施工缝渗漏水

施工缝是混凝土结构不能一次施工成型所划分施工段所产生的缝隙。施工缝一般都设有止水材料，如钢板止水片、遇水膨胀止水条、橡胶钢边止水带。产生渗漏水往往是由于止水材料性能不适应混凝土收缩出现缝隙，或埋设工艺不当，止水材料的作用不能发挥而导致渗漏。

3.3结构混凝土体渗水

这类渗水，可分为面渗水和点渗水两种情况；面渗水的原因往往是混凝土配合比不当致使抗渗等级太低或混凝土大面积震捣不足致使混凝土疏松，点渗水则多发生在预埋构件周边或模板拉筋孔处混凝土振捣不密实，孔洞处虽有防水材料但防水效果不理想。

3.4结构混凝土收缩裂缝、温差裂缝渗水

　　混凝土的收缩引起收缩裂缝。收缩的主要影响因素是混凝土中水灰的用量，，混凝土中的用水量过大在混凝土凝结过程中收缩空隙就大，水泥用量越大，混凝土在水化过程中内部和表面的温差过大，产生裂缝而导致渗水。

4、地铁车站混凝土结构防渗在施工中应注意的问题

4.1变形缝止水带的埋设

变形缝埋设管泡止水带是设计中的常规做法，无论从设计原理或是试验结果看，都应是没有问题的，但施工中往往效果不理想，有“十缝九漏”之说。现象观察反映，问题出现在三个地方：止水带埋设位置不正确，止水带周边混凝土疏松渗水，止水带接头焊接（或疏化胶接）不良。前两者一般是固定止水带的端模板出问题，震捣时止水带脱出，或怕止水带脱出不敢震捣。应当在端头采用盒式模板固定止水带，保证震捣混凝土时不跑模，止水带能有可靠的固定，不致于因震捣窜动。

4.2施工缝的止水措施

施工缝的止水，现在不少设计采用遇水膨胀条。但是，由于遇水膨胀材料目前没有性能可靠的缓膨胀措施，在施工安装之后，由于相邻部位的养护、浇灌混凝土之前的模板或混凝土表面要浇水润湿，混凝土拌合物含水等多方面原因，致使止水条的过早膨胀、伸长而失去作用，或形成渗水缝隙。因此，遇水膨胀材料的使用必须慎重，或采用非膨胀型的非疏化丁基橡胶钢芯止水片。

5 混凝土结构开裂的原因分析及采取措施

混凝土（或钢筋混凝土）结构开裂，除了施工方面的原因（如混凝土配合比、养护等）之外，更重要的是混凝土自身的两个特点，即混凝土的干缩和混凝土的线膨胀系数所决定，因此必须从设计和施工中入手解决。

5.1混凝土结构开裂的机理

混凝土结构开裂的基本原因是混凝土的变形超出其极限应变值。其原因有：

5.1.1  混凝土结构受外荷载作用产生的变形超出极限应变值。避免这种情况，通常是通过结构计算，选择合适的混凝土强度等级、物件载面尺寸、配合比等来解决。因此，只要不发生计算错误，这类开裂一般不至发生，或能够得到有效控制。

5.1.2 混凝土在固化过程中的自身收缩，最主要的是干缩。通常混凝土的干缩应变值大约为3×10^-4。如果混凝土的配合比能有严格控制，粗细骨料级配良好，水灰比能降到0.45左右，干缩值能控制在2×10^-4左右。干缩过程一般在一年左右完成。选用水泥品种的不同，干缩、收缩的量也不同。收缩量较小的水泥为中低热水泥和粉煤灰水泥。混凝土的逐渐散热和硬化过程引起的收缩，会产生很大的收缩应力，如果产生的收缩应力超过当时的混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土中产生收缩裂缝。

     自身收缩与干缩一样，是由于水的迁移而引起。但它不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降，形成弯月面，产生所谓的自干燥作用，混凝土体的相对湿度降低，体积减小。水灰比的变化对干燥收缩和自身收缩的影响正相反，即当混凝土的水灰比降低时干燥收缩减小，而自身收缩增大。如当水灰比大于0.5时，其自干燥作用和自身收缩与干缩相比小得可以忽略不计；但是当水灰比小于0.35时，体内相对湿度会很快降低到80%以下，自身收缩与干缩则接近各占一半。

    自身收缩中发生于混凝土拌合后的初龄期，因为在这以后，由于体内的自干燥作用，相对湿度降低，水化就基本上终止了。换句话说，在模板拆除之前，混凝土的自身收缩大部分已经产生，甚至已经完成，而不像干燥收缩，除了未覆盖且暴露面很大的地面以外，许多构件的干缩都发生在拆模以后，因此只要覆盖了表面，就认为混凝土不发生干缩。自身收缩可理解为混凝土体积收缩，而干燥收缩可理解为混凝土表面收缩。

5.1.3 混凝土的温度变化收缩。混凝土的线膨胀系数为1×10^-5/℃。由于水泥的水化反应是放热过程，会导致混凝土温度上升，实测温度通常会达到30℃，甚至更高。这就造成混凝土固化后经历的温度过程，最大的温差远大于年气温温差。因此，必须在混凝土结构设计中考虑温度变化收缩，采取构造措施力求避免。大体积混凝土结构一般要求一次性整体浇筑，浇筑后，水泥因水化引起水化热，由于混凝土体积大，聚集在内部的水泥水化热不容易散发，混凝土内部温度将显著升高，而混凝土表面土则散热较快，形成了较大的温度差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，此时，混凝龄期短，抗拉强度很低。当温差产生的表面抗拉应力超过混凝土极限抗拉强度，则会在混凝土的表面产生裂缝。

5.2 混凝土结构设计中避免开裂的措施

由于上述混凝土的干缩和温差收缩使混凝土结构开裂的必然性，结构设计中必须采取构造措施，力求避免结构随机开裂的出现。设缝释放，让收缩开裂集中到规定的位置，是大幅度减少以至于避免混凝土结构随机开裂的有效办法之一。

5.2.1 精心设计混凝土配合比

    混凝土配合比设计时，在保证混凝土具有良好工作性的情况下，应尽可能的降低混凝土的单位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水胶比）二掺（掺高效减水剂和高性能引气剂）一高（高粉煤灰掺量）”的设计准则，生产出“高强、高韧性、中弹、低热和高极拉值”的抗裂混凝土。

   5.2.2 增配构造筋提高抗裂性能，配筋应采用小直径、小间距。全截面的配筋率应在0.3～0.5%之间。

5.2.3 避免结构突变产生应力集中，在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。

　 5.2.4 在易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，提高混凝土的极限拉伸。

　5.2.5 在结构设计中应充分考虑施工时的气候特征，合理设置后浇缝，在正常施工条件下，后浇缝间距20～30m，保留时间一般不小于60天。如不能预测施工时的具体条件，也可临时根据具体情况作设计变更。

5.3混凝土结构施工中避免开裂的措施

　  5.3.1 严格控制混凝土原材料的的质量和技术标准，选用低水化热水泥，粗细骨料的含泥量应尽量减少(1～1.5%以下)。

5.3.2 优选混凝土各种原材料

    在选择大体积混凝土用水泥时，在条件许可的情况下，应优先选用收缩性小的或具有微膨胀性的水泥。因为这种水泥在水化膨胀期（1～5 d）可产生一定的预压应力，而在水化后期预压应力可部分抵消温度徐变应力，减少混凝土内的拉应力，提高混凝土的抗裂能力。    骨料在大体积混凝土中所占比例一般为混凝土绝对体积的80%～83%，因此，在选择骨料时，应选择线膨胀系数小、岩石弹模较低、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料。

    1)砂除满足骨料规范要求外，应适当放宽石粉或细粉含量，这样不仅有利于提高混凝土的工作性，而且可提高混凝土的密实性、耐久性和抗裂性。有研究表明，砂子中石粉比例一般在15%～18%之间为宜。

    2)粉煤灰只要细度与水泥颗粒相当，烧失量小，含硫量和含碱量低，需水量比小，均可掺用在混凝土中使用。混凝土中掺用粉煤灰后，可提高混凝土的抗渗性、耐久性，减少收缩，降低胶凝材料体系的水化热，提高混凝土的抗拉强度，抑制碱骨料反应，减少新拌混凝土的泌水等。这些诸多好处均将有利于提高混凝土的抗裂性能。

    3)高效减水剂和引气剂复合使用对减少大体积混凝土单位用水量和胶凝材料用量，改善新拌混凝土的工作度，提高硬化混凝土的力学、热学、变形、耐久性等性能起着极为重要的作用，也是混凝土向高性能化发展的不可或缺的重要组分。

5.3.3 细致分析混凝土集料的配比，控制混凝土的水灰比，减少混凝土的坍落度，合理掺加塑化剂和减少剂。

    5.3.4 采用综合措施，控制混凝土初始温度

    混凝土温度和温度变化对混凝土裂缝是极其敏感的。当混凝土从零应力温度T2降低到混凝土开裂的温度Tt时，t时刻的混凝土拉应力σt超过了t时刻的混凝土极限拉应力σtu。因此，通过降低混凝土内的水化热温度(主要通过掺用高效减水剂减少用水，减少胶凝材料，多掺粉煤灰和矿物掺和料)和混凝土初始温度(通过骨料水冷和风冷降温、加冰和加冷却水拌和、各生产环节加强保温以免冷量损失等措施，降低混凝土初始温度)，减少和避免裂缝风险。

    人工控制混凝土温度的措施(如：体内埋设冷却水管和风管、表面洒水冷却、表面保温材料保护)主要是针对后期而言，对早期因热原因引起的裂缝是无助的。比如表面保温材料保护可以减少内外温差，但不可避免的招致混凝土体内温度T1很高，从受约束而导致贯穿裂缝的角度看，是一个潜在恶化裂缝的条件。因为体内热量迟早是要散发掉的。另外人工控制混凝土温度还需注意的问题是防止“过速冷却”和“超冷”，过速冷却不仅会使混凝土温度梯度过大，而且早期的过速超冷会影响水泥—胶体体系的水化程度和早期强度，更易产生早期热裂缝。超冷会使混凝土温差过大，引起温差裂缝

　　浇筑时间尽量安排在夜间，最大限度降低混凝土的初凝温度。白天施工时要求在沙、石堆场搭设简易遮阳装置，或用湿麻袋覆盖，必要时向骨料喷冷水。混凝土泵送时，在水平及垂直泵管上加盖草袋，并喷冷水。

　5.3.5 根据工程特点，可以利用混凝土后期强度，这样可以减少用水量，减少水化热和收缩。

　  5.3.6 加强混凝土的浇灌振捣，提高密实度，采用两次真到技术，改善混凝土强度，提高抗裂性。

　  5.3.7 混凝土尽可能晚拆模，拆模后混凝土表面温度不应下降15℃以上，混凝土的现场试块强度不低于C5。

　　5.3.8 根据具体工程特点，采用UEA补偿收缩混凝土技术。

　5.3.9 对于高强混凝土，应尽量使用中热微膨胀水泥，掺超细矿粉和膨胀剂，使用高效减水剂。通过试验掺入粉煤灰，掺量15%～50%。

6 结构裂缝的后处理

由于上述开裂原因分析可知，混凝土结构的开裂在实际上完全避免是非常困难的。特别是结构周边约束条件的多样性，相连接的混凝土浇筑时间差异而导致收缩时间不一致而产生的相互约束都可能导致开裂。但恰当的设计思路将使开裂现象大幅度减少。封缝堵漏，作为一种后处理措施仍然是必要的。