復合式地鐵車站滲漏防治MPFC法摘要:造成復合式地鐵車站開裂滲漏的原因主要有環境條件、約束作用、誘導縫等處理不當及局部應力集中四個方面。施工中可采用MPFC防治法,即對復合式地鐵車站可從材料技術、預應力技術、纖維混凝土技術及施工保障系統出發進行全面防治。關鍵詞:復合式;地鐵車站;防滲;MPFC法目前地鐵車站側墻結構形式主要有復合式結構(圖1)、分離式結構和單墻結構三種,后兩種形式僅在個別車站試用,復合式墻體結構地鐵車站是目前主要的結構形式。鑒于復合式墻體結構地鐵車站目前的重要地位,本文就其滲漏原因和防治措施進行重點探討。
1復合式地鐵車站滲漏特點 復合式地鐵車站開裂滲漏具有以下三個特點[1,2]: (1)開裂滲漏現象主要集中在頂板、中板與內襯墻面,且大都靠近頂板、中板與側墻相交的部位(圖2、圖3[3]),而底板滲漏最少或幾乎沒有滲漏; (2)“三縫”即變形縫、施工縫和誘導縫處的滲漏現象較為突出; (3)在某些特殊部位,如側墻的支撐頭或穿墻管附近會出現宏觀裂縫或孔洞而引起滲漏。2復合式地鐵車站滲漏分析2.1環境條件及化學反應的影響 環境條件對地鐵混凝土開裂滲漏的影響主要體現在三個方面:環境溫度場、濕度場的變化和差異、地基的不均勻沉降。其中溫度場及濕度場的變化和差異在所有影響因素中是最為突出的兩個。地鐵混凝土結構采用的是大體積混凝土,在凝結和硬化過程中,會釋放出大量的熱。在外界的溫度、濕度場的差異與混凝土自身產生的熱量場的共同作用下,混凝土將發生收縮變形,出現裂縫。裂縫寬度達到一定程度時,滲漏現象就會出現。另一方面,地鐵結構屬于超靜定結構,在基礎為軟土地基時,它會因基礎的不均勻沉降而使結構受到強迫變形,最終使結構開裂滲漏。2.2約束的作用 復合式地鐵車站頂板與內襯墻所受約束直接影響裂縫的寬度與分布狀況,而其所受約束又受到施工順序的影響。內襯墻混凝土的澆筑晚于連續墻混凝土,頂板及中板混凝土的澆筑晚于內襯墻混凝土。由于先澆筑的混凝土在后接工序施工時,收縮變形已基本完成,這樣后面工序澆筑的混凝土在收縮變形時會受到先期澆筑混凝土的約束,在它們的接觸面上形成面分布剪力,導致在內襯墻中產生偏心拉應力而使其開裂滲漏。2.3“三縫”的設置對滲漏的影響2.3.1變形縫對車站滲漏的影響 變形縫只設在車站和出入口的相接處,是為了防止不均勻沉降和溫度應力造成的結構破壞。但主體結構與出入口往往不是同時施工,先期施工所埋入的橡膠止水帶很容易在后期施工過程中遭到損壞,故多數變形縫是滲漏的。鑒于此,國內外的地下工程有減少甚至不設變形縫的要求和大量實例。2.3.2施工縫對車站滲漏的影響 車站施工縫分為結構段間與段間的豎向施工縫和結構段內襯墻與頂板間的水平施工縫。施工縫的設置,使滲漏的概率增加。分析原因主要有以下幾點: (1)施工縫混凝土表面鑿毛不規范,造成新老混凝土的粘結不好; (2)止水條(帶)敷設不牢靠,澆筑混凝土時跑偏、變形; (3)遇水膨脹膠條與基面不密貼或在澆筑混凝土前受水浸泡先行膨脹; (4)膠條接頭處理不當或施工縫處模板縫隙處理不好,混凝土跑漿。2.3.3誘導縫對車站滲漏的影響 當結構變形、內應力增大時,誘導縫將首先開裂,即將結構開裂“誘導”到設置的誘導縫處張開,鋼筋混凝土結構則因此而避免或減少開裂和滲水。地鐵車站為長條形結構,長寬比很大,在荷載作用下一般按橫向受力的框架進行計算。而由車站的縱向彎曲、溫度、混凝土收縮等引起的結構縱向受力較小,準確的受力分析又比較復雜、困難,主要采取構造措施,板內縱向鋼筋一般僅按構造要求配置。如果構造措施不足或不當,往往導致結構在使用過程中產生橫向開裂,且由于裂縫沿縱向過于分散,易出現滲漏現象。另外誘導縫一般使用止水帶和密封膠來達到裂而不滲的效果,但如果施工不當會產生與施工縫同樣的滲漏現象。2.4應力集中及其他原因引起的滲漏 在復式結構地鐵的內襯墻上,一些穿墻構件在施工結束后,由于連續墻與內襯墻收縮變形不同步,出現局部應力集中現象而導致滲漏孔洞的出現。在側墻上, 支撐頭預埋件周圍也是發生滲漏的常見部位。主要原因是該部位的混凝土難澆筑,不易密實;預埋件有銹蝕層或受振后松動致使混凝土產生裂縫。此外,施工不當也會使地下連續墻鋼筋接駁器處發生滲漏。3MPFC防治法 針對復合式墻體結構地鐵車站滲漏的特點,筆者建議應從三方面進行防滲,即材料、設計和施工,并可將其歸納為MPFC防治法。具體地講,M代表材料技術(material technique),P是指預應力技術(prestressed technique),F指纖維混凝土技術(fiber concrete tech-nique),而C代表施工技術(construction technique)。MPFC法(圖4)詳述如下。3.1材料技術 在材料方面,防滲措施主要包括混凝土材料性能參數的篩選及柔性防水材料的選擇。混凝土材料參數的篩選是遵循剛性防水的原則,而選擇柔性防水材料則是為彌補剛性防水的不足,遵循了柔性防水的原則。剛性材料方面,主要包括水泥、砂石、外加劑和摻合料的性能參數的選擇。水泥選材環節主要包括水泥品種的選擇、水泥用量的確定以及水泥技術指標的要求等方面[4]。選用砂石應著重粒徑和含泥量兩方面的要求。目前較常采用的抗裂防滲外加劑為膨脹劑,它可在水化和硬化階段產生膨脹,以補償混凝土硬化的體積收縮,同時改善了混凝土的孔結構,使之更加密實。目前在抗裂方面最為常用的摻合料是粉煤灰。由于粉煤灰的顆粒呈圓球狀,加入到混凝土中后,能起到潤滑作用,可顯著改善混凝土的和易性,同時在滿足強度要求下可代替部分水泥,以降低水化熱,減小混凝土的溫度應力,從而增加地鐵混凝土的抗裂防滲性能。3.2預應力技術 復合式地鐵車站混凝土開裂滲漏的因素很多,但主要因素可歸結為溫度場的變化和混凝土自身的收縮兩方面。由于混凝土的收縮對裂縫的影響可轉化為等效的當量變化溫度,所以只要能模擬或計算出地鐵車站在等效溫度場作用下的應力場,即可對地鐵車站進行經濟有效的抗裂防滲設計(圖5、6)。 在對地鐵車站應力場的準確描述或模擬的基礎上,采用預應力技術可以解決由環境條件變化、約束作用和“三縫”設置等三個因素所造成的地鐵混凝土開裂滲漏問題。因為前兩個因素都是使混凝土內部產生拉應力,而預應力技術是解決混凝土抗拉問題最為成熟的技術,采用這一技術可以發揮成熟理論的優勢。而且,由于體現于地鐵頂板與內襯墻的“三縫”問題主要體現在對誘導縫的設計上,盡量少設誘導縫是減少地鐵滲漏的有效方法,因此確定合適的誘導縫間距就成為值得進一步探討研究的問題。預應力混凝土施工工藝在地鐵車站環境下的進一步研究可以擴大誘導縫的設置間距,從而更好地解決由“三縫”引起的地鐵滲漏現象。3.3纖維混凝土技術 纖維混凝土是當代迅速發展的新型復合建筑材料,尤其以鋼纖維混凝土及合成纖維混凝土發展最快。鋼纖維對混凝土具有顯著的阻裂、增強和增韌的作用,合成纖維也可有效防止混凝土早期收縮裂縫[5]。在地鐵車站工程中,局部應力集中是造成開裂滲漏的主要原因之一,而在應力集中區域摻加一定量的鋼纖維或合成纖維,一方面可提高應力集中區混凝土的密實性和柔韌性,另一方面還可改善應力場分布,從而降低應力集中帶來的不利影響(圖7)。雖然國內外均對纖維混凝土作了大量研究[6-9],但對于不同種類或直徑的纖維對不同尺度裂紋擴展的限制機理研究較少,由于理論上的一些空白,導致在工程實際應用中只憑經驗摻加纖維的現象時有發生,故需有進一步的試驗和理論研究對工程定量設計提供指導與參考。國內也有不少工程利用鋼絲網來解決局部應力集中問題,雖然可取得一定的抗裂效果,但相對于日益發展的纖維混凝土技術而言,具有施工技術復雜、工程造價較高等不利因素。3.4施工保障系統 從目前研究實踐的現狀來看,在施工保障系統方面影響混凝土開裂的環節主要有施工隊伍的素質和技能、包括防水咨詢和監理在內的監理系統以及系統施工技術的應用。由素質較高的專業施工隊伍負責防水施工,建立并完善包括防水咨詢和監理在內的監理系統,同時注意對配套施工技術的合理應用是保證設計防水效果、提高施工質量的后期必備環節。在配套施工技術方面,包括混凝土的拌制、振搗、運輸、澆筑、養護,還有對施工縫、變形縫、誘導縫的細部處理,以及泄壓裝置的處理等方面。一套可靠而有效的施工保障系統是對材料技術、預應力技術和纖維混凝土技術的應用保障,同樣不容忽視。 MPFC抗裂防滲法是針對復合式墻體結構的滲漏特點提出的,但對于其他類似工程亦有一定的參考價值。其具體內容可由圖4說明。4結語 工程實踐證明,地鐵車站以結構自防水為根本,堅持“以防為主,綜合治理”的原則是正確的。鑒于復合式墻體結構地鐵車站的滲漏特點和主要影響因素的分析,本文提出MPFC地鐵車站滲漏防治法。其具體實施內容包括:通過前期對剛性和柔性防水材料性能參數的選擇優化,同時應用較為成熟的預應力技術和新型的纖維混凝土技術,并需配備一套完善的施工保障系統。參考文獻[1]梁雙成,等.深圳地鐵某區間鋼筋混凝土管片生產中出現裂紋的分析與控制[J].混凝土,2003(7).[2]陳明.地鐵科學館站頂板混凝土裂縫簡析[J].鐵道標準設計,2004(3).[3]劉國彬,等.上海地鐵車站的防水現狀及改進措施[J].建筑技術,2003,34(7).[4]張雪松,等.上海地鐵車站結構防水措施評述[J].土木工程學報,2000(5).[5]徐至鈞.纖維混凝土技術及應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2003.[6]趙國藩,等.鋼纖維混凝土結構[M].北京:中國建筑工業出版社,1999.[7]BalaguruPN.Fiber-reinforcedcementcomposites[M].McGraw-HillInc,1992.[8]KraaiPP.AproposaltestTODeterminethecrackingpotenTIAlduetodryingshrinkageofconcrete[J].ConcreteConstruction,1958,30(9):775-778.[9]AlhozaimyAM.Mechanicalpropertiesofpolypropylenefiberrein-forcedconcreteandtheeffectsofpozzolanicmaterials[J].CementandConcretecomposites,1996(18):85-92.
1復合式地鐵車站滲漏特點 復合式地鐵車站開裂滲漏具有以下三個特點[1,2]: (1)開裂滲漏現象主要集中在頂板、中板與內襯墻面,且大都靠近頂板、中板與側墻相交的部位(圖2、圖3[3]),而底板滲漏最少或幾乎沒有滲漏; (2)“三縫”即變形縫、施工縫和誘導縫處的滲漏現象較為突出; (3)在某些特殊部位,如側墻的支撐頭或穿墻管附近會出現宏觀裂縫或孔洞而引起滲漏。2復合式地鐵車站滲漏分析2.1環境條件及化學反應的影響 環境條件對地鐵混凝土開裂滲漏的影響主要體現在三個方面:環境溫度場、濕度場的變化和差異、地基的不均勻沉降。其中溫度場及濕度場的變化和差異在所有影響因素中是最為突出的兩個。地鐵混凝土結構采用的是大體積混凝土,在凝結和硬化過程中,會釋放出大量的熱。在外界的溫度、濕度場的差異與混凝土自身產生的熱量場的共同作用下,混凝土將發生收縮變形,出現裂縫。裂縫寬度達到一定程度時,滲漏現象就會出現。另一方面,地鐵結構屬于超靜定結構,在基礎為軟土地基時,它會因基礎的不均勻沉降而使結構受到強迫變形,最終使結構開裂滲漏。2.2約束的作用 復合式地鐵車站頂板與內襯墻所受約束直接影響裂縫的寬度與分布狀況,而其所受約束又受到施工順序的影響。內襯墻混凝土的澆筑晚于連續墻混凝土,頂板及中板混凝土的澆筑晚于內襯墻混凝土。由于先澆筑的混凝土在后接工序施工時,收縮變形已基本完成,這樣后面工序澆筑的混凝土在收縮變形時會受到先期澆筑混凝土的約束,在它們的接觸面上形成面分布剪力,導致在內襯墻中產生偏心拉應力而使其開裂滲漏。2.3“三縫”的設置對滲漏的影響2.3.1變形縫對車站滲漏的影響 變形縫只設在車站和出入口的相接處,是為了防止不均勻沉降和溫度應力造成的結構破壞。但主體結構與出入口往往不是同時施工,先期施工所埋入的橡膠止水帶很容易在后期施工過程中遭到損壞,故多數變形縫是滲漏的。鑒于此,國內外的地下工程有減少甚至不設變形縫的要求和大量實例。2.3.2施工縫對車站滲漏的影響 車站施工縫分為結構段間與段間的豎向施工縫和結構段內襯墻與頂板間的水平施工縫。施工縫的設置,使滲漏的概率增加。分析原因主要有以下幾點: (1)施工縫混凝土表面鑿毛不規范,造成新老混凝土的粘結不好; (2)止水條(帶)敷設不牢靠,澆筑混凝土時跑偏、變形; (3)遇水膨脹膠條與基面不密貼或在澆筑混凝土前受水浸泡先行膨脹; (4)膠條接頭處理不當或施工縫處模板縫隙處理不好,混凝土跑漿。2.3.3誘導縫對車站滲漏的影響 當結構變形、內應力增大時,誘導縫將首先開裂,即將結構開裂“誘導”到設置的誘導縫處張開,鋼筋混凝土結構則因此而避免或減少開裂和滲水。地鐵車站為長條形結構,長寬比很大,在荷載作用下一般按橫向受力的框架進行計算。而由車站的縱向彎曲、溫度、混凝土收縮等引起的結構縱向受力較小,準確的受力分析又比較復雜、困難,主要采取構造措施,板內縱向鋼筋一般僅按構造要求配置。如果構造措施不足或不當,往往導致結構在使用過程中產生橫向開裂,且由于裂縫沿縱向過于分散,易出現滲漏現象。另外誘導縫一般使用止水帶和密封膠來達到裂而不滲的效果,但如果施工不當會產生與施工縫同樣的滲漏現象。2.4應力集中及其他原因引起的滲漏 在復式結構地鐵的內襯墻上,一些穿墻構件在施工結束后,由于連續墻與內襯墻收縮變形不同步,出現局部應力集中現象而導致滲漏孔洞的出現。在側墻上, 支撐頭預埋件周圍也是發生滲漏的常見部位。主要原因是該部位的混凝土難澆筑,不易密實;預埋件有銹蝕層或受振后松動致使混凝土產生裂縫。此外,施工不當也會使地下連續墻鋼筋接駁器處發生滲漏。3MPFC防治法 針對復合式墻體結構地鐵車站滲漏的特點,筆者建議應從三方面進行防滲,即材料、設計和施工,并可將其歸納為MPFC防治法。具體地講,M代表材料技術(material technique),P是指預應力技術(prestressed technique),F指纖維混凝土技術(fiber concrete tech-nique),而C代表施工技術(construction technique)。MPFC法(圖4)詳述如下。3.1材料技術 在材料方面,防滲措施主要包括混凝土材料性能參數的篩選及柔性防水材料的選擇。混凝土材料參數的篩選是遵循剛性防水的原則,而選擇柔性防水材料則是為彌補剛性防水的不足,遵循了柔性防水的原則。剛性材料方面,主要包括水泥、砂石、外加劑和摻合料的性能參數的選擇。水泥選材環節主要包括水泥品種的選擇、水泥用量的確定以及水泥技術指標的要求等方面[4]。選用砂石應著重粒徑和含泥量兩方面的要求。目前較常采用的抗裂防滲外加劑為膨脹劑,它可在水化和硬化階段產生膨脹,以補償混凝土硬化的體積收縮,同時改善了混凝土的孔結構,使之更加密實。目前在抗裂方面最為常用的摻合料是粉煤灰。由于粉煤灰的顆粒呈圓球狀,加入到混凝土中后,能起到潤滑作用,可顯著改善混凝土的和易性,同時在滿足強度要求下可代替部分水泥,以降低水化熱,減小混凝土的溫度應力,從而增加地鐵混凝土的抗裂防滲性能。3.2預應力技術 復合式地鐵車站混凝土開裂滲漏的因素很多,但主要因素可歸結為溫度場的變化和混凝土自身的收縮兩方面。由于混凝土的收縮對裂縫的影響可轉化為等效的當量變化溫度,所以只要能模擬或計算出地鐵車站在等效溫度場作用下的應力場,即可對地鐵車站進行經濟有效的抗裂防滲設計(圖5、6)。 在對地鐵車站應力場的準確描述或模擬的基礎上,采用預應力技術可以解決由環境條件變化、約束作用和“三縫”設置等三個因素所造成的地鐵混凝土開裂滲漏問題。因為前兩個因素都是使混凝土內部產生拉應力,而預應力技術是解決混凝土抗拉問題最為成熟的技術,采用這一技術可以發揮成熟理論的優勢。而且,由于體現于地鐵頂板與內襯墻的“三縫”問題主要體現在對誘導縫的設計上,盡量少設誘導縫是減少地鐵滲漏的有效方法,因此確定合適的誘導縫間距就成為值得進一步探討研究的問題。預應力混凝土施工工藝在地鐵車站環境下的進一步研究可以擴大誘導縫的設置間距,從而更好地解決由“三縫”引起的地鐵滲漏現象。3.3纖維混凝土技術 纖維混凝土是當代迅速發展的新型復合建筑材料,尤其以鋼纖維混凝土及合成纖維混凝土發展最快。鋼纖維對混凝土具有顯著的阻裂、增強和增韌的作用,合成纖維也可有效防止混凝土早期收縮裂縫[5]。在地鐵車站工程中,局部應力集中是造成開裂滲漏的主要原因之一,而在應力集中區域摻加一定量的鋼纖維或合成纖維,一方面可提高應力集中區混凝土的密實性和柔韌性,另一方面還可改善應力場分布,從而降低應力集中帶來的不利影響(圖7)。雖然國內外均對纖維混凝土作了大量研究[6-9],但對于不同種類或直徑的纖維對不同尺度裂紋擴展的限制機理研究較少,由于理論上的一些空白,導致在工程實際應用中只憑經驗摻加纖維的現象時有發生,故需有進一步的試驗和理論研究對工程定量設計提供指導與參考。國內也有不少工程利用鋼絲網來解決局部應力集中問題,雖然可取得一定的抗裂效果,但相對于日益發展的纖維混凝土技術而言,具有施工技術復雜、工程造價較高等不利因素。3.4施工保障系統 從目前研究實踐的現狀來看,在施工保障系統方面影響混凝土開裂的環節主要有施工隊伍的素質和技能、包括防水咨詢和監理在內的監理系統以及系統施工技術的應用。由素質較高的專業施工隊伍負責防水施工,建立并完善包括防水咨詢和監理在內的監理系統,同時注意對配套施工技術的合理應用是保證設計防水效果、提高施工質量的后期必備環節。在配套施工技術方面,包括混凝土的拌制、振搗、運輸、澆筑、養護,還有對施工縫、變形縫、誘導縫的細部處理,以及泄壓裝置的處理等方面。一套可靠而有效的施工保障系統是對材料技術、預應力技術和纖維混凝土技術的應用保障,同樣不容忽視。 MPFC抗裂防滲法是針對復合式墻體結構的滲漏特點提出的,但對于其他類似工程亦有一定的參考價值。其具體內容可由圖4說明。4結語 工程實踐證明,地鐵車站以結構自防水為根本,堅持“以防為主,綜合治理”的原則是正確的。鑒于復合式墻體結構地鐵車站的滲漏特點和主要影響因素的分析,本文提出MPFC地鐵車站滲漏防治法。其具體實施內容包括:通過前期對剛性和柔性防水材料性能參數的選擇優化,同時應用較為成熟的預應力技術和新型的纖維混凝土技術,并需配備一套完善的施工保障系統。參考文獻[1]梁雙成,等.深圳地鐵某區間鋼筋混凝土管片生產中出現裂紋的分析與控制[J].混凝土,2003(7).[2]陳明.地鐵科學館站頂板混凝土裂縫簡析[J].鐵道標準設計,2004(3).[3]劉國彬,等.上海地鐵車站的防水現狀及改進措施[J].建筑技術,2003,34(7).[4]張雪松,等.上海地鐵車站結構防水措施評述[J].土木工程學報,2000(5).[5]徐至鈞.纖維混凝土技術及應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2003.[6]趙國藩,等.鋼纖維混凝土結構[M].北京:中國建筑工業出版社,1999.[7]BalaguruPN.Fiber-reinforcedcementcomposites[M].McGraw-HillInc,1992.[8]KraaiPP.AproposaltestTODeterminethecrackingpotenTIAlduetodryingshrinkageofconcrete[J].ConcreteConstruction,1958,30(9):775-778.[9]AlhozaimyAM.Mechanicalpropertiesofpolypropylenefiberrein-forcedconcreteandtheeffectsofpozzolanicmaterials[J].CementandConcretecomposites,1996(18):85-92.