地鐵車站混凝土開(kāi)裂原因及修補(bǔ)措施

摘要：目前地鐵系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入黃金階段，而地鐵車站作為地鐵系統(tǒng)中的重要組成部分，其混凝土結(jié)構(gòu)安全性不能小覷?；炷两Y(jié)構(gòu)開(kāi)裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)滲水，進(jìn)而影響了車站的運(yùn)營(yíng)安全性，帶來(lái)的損失很大。文章主要闡述了地鐵車站混凝土可能的開(kāi)裂原因，給出了相應(yīng)的預(yù)防措施，并介紹了裂縫修補(bǔ)方法。關(guān)鍵詞：地鐵；車站；混凝土；開(kāi)裂；修補(bǔ)0引言隨著我國(guó)人均收入的增長(zhǎng)及城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)張，交通需求迅速擴(kuò)大，城市軌道交通已進(jìn)入快速發(fā)展階段。在人口稠密的城市中心，交通問(wèn)題日益突出，已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，嚴(yán)重影響居民的正常生活。發(fā)展城市內(nèi)地鐵系統(tǒng)是改善城市交通狀況的根本途徑，

是未來(lái)城市交通的重要發(fā)展方向，

也是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然舉措。而城市的地鐵工程往往是城市投資規(guī)模最大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，

也被要求作為城市人防工程，是城市的百年大計(jì)，所以地鐵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工的質(zhì)量尤為重要。地鐵車站作為地鐵系統(tǒng)中的重要組成部分，不僅與乘客安全關(guān)系密切，

而且又集中設(shè)置了地鐵系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)中大部分的技術(shù)設(shè)備與管理系統(tǒng)，因此地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)的安全問(wèn)題往往直接或間接地影響地鐵系統(tǒng)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文總結(jié)了地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)可能的開(kāi)裂原因，給出了相應(yīng)的防護(hù)措施，最后介紹了地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修補(bǔ)方法，希望其內(nèi)容對(duì)地鐵設(shè)計(jì)、材料、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)者均有所裨益。1地鐵車站混凝土開(kāi)裂及原因分析目前，我國(guó)大部分地鐵車站在結(jié)構(gòu)上主要由頂板、中板、底板、連續(xù)墻及內(nèi)襯墻等幾部分組成，這些結(jié)構(gòu)在厚度方向上的尺寸遠(yuǎn)小于其他方向，一般被稱為超長(zhǎng)大面積混凝土板結(jié)構(gòu)。而混凝土板結(jié)構(gòu)由于諸多因素的作用，往往會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂問(wèn)題。由于導(dǎo)致開(kāi)裂的因素不同，這里將其分為三種開(kāi)裂類型：收縮開(kāi)裂、耐久開(kāi)裂和振動(dòng)開(kāi)裂。1.1收縮開(kāi)裂及其成因混凝土開(kāi)裂的根本原因在于其內(nèi)部或表面所受的拉應(yīng)力超過(guò)其所建立的抗拉強(qiáng)度所致。地鐵車站混凝土的收縮開(kāi)裂，主要集中在超長(zhǎng)大面積混凝土板結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中存在的水泥水化放熱集中現(xiàn)象所導(dǎo)致的開(kāi)裂，新拌混凝土硬化過(guò)程中干燥收縮導(dǎo)致的開(kāi)裂，以及周圍環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的開(kāi)裂。1.1.1水泥水化導(dǎo)致的混凝土溫差開(kāi)裂超長(zhǎng)大面積混凝土板在施工過(guò)程中往往要求一次性整體澆筑，

澆筑后因水泥水化產(chǎn)生水化熱，由于混凝土體積大，聚集在內(nèi)部的水泥水化熱不容易及時(shí)散發(fā)，混凝土內(nèi)部溫度顯著升高。而混凝土表面散熱較快，混凝土內(nèi)部與表面形成了較大的溫差（15～40℃）。溫差導(dǎo)致混凝土內(nèi)外的變形程度不同，使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。而此時(shí)混凝土齡期很短，抗拉強(qiáng)度低，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫。對(duì)于此類情況導(dǎo)致的裂縫，預(yù)防的關(guān)鍵在于正確選擇水泥品種（包括細(xì)度等指標(biāo)），控制混凝土中水泥的用量和摻合料的比例，

摻加緩凝型外加劑等。在選擇水泥品種時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用水化熱低的高貝利特（C2S）水泥和混合材比例高的中、低熱水泥，而不宜使用早強(qiáng)水泥。在滿足混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性的條件下，盡量減少水泥用量是防止混凝土溫差開(kāi)裂的重要措施之一。在水泥技術(shù)指標(biāo)方面，水泥不宜過(guò)細(xì)，比表面積控制在2500～3200cm3/g為宜。此外，還應(yīng)該控制水泥中游離石灰、三氧化硫以及游離氧化鎂等對(duì)體積安定性有較大影響的組分含量，以及水化速度快、水化熱高、需水量大、體積收縮大的鋁酸三鈣（C3S）的含量，還要嚴(yán)格控制水泥中的含堿量等。若不能選用中、低熱水泥，則應(yīng)考慮在配制混凝土?xí)r摻加粉煤灰、礦渣粉和石灰石粉等摻合料，以在不影響28d強(qiáng)度的情況下，盡可能延遲水化放熱峰的出現(xiàn)時(shí)間和降低內(nèi)部的溫度峰值。在混凝土配制中也應(yīng)選擇緩凝型的高效減水劑或高性能減水劑，一方面可降低膠凝材料用量，另一方面也有助于延遲水化放熱峰的出現(xiàn)時(shí)間和降低內(nèi)部的溫度峰值，從而預(yù)防溫差開(kāi)裂的危害。1.1.2混凝土硬化過(guò)程中的收縮開(kāi)裂混凝土硬化過(guò)程中的收縮有多種類型，諸如化學(xué)收縮、自收縮、塑性收縮和干燥收縮等。①化學(xué)收縮是指水泥基材料在水泥水化過(guò)程中，水化產(chǎn)物的絕對(duì)體積比水化前水泥與水的絕對(duì)體積之和減少的現(xiàn)象，主要是由于水化反應(yīng)前后化合物密度不同所致。指出化學(xué)收縮是水泥與水反應(yīng)時(shí)其總體積的減小值。化學(xué)收縮由水泥基材料的組成及水化程度來(lái)決定，是自收縮的驅(qū)動(dòng)力。②塑性收縮是指混凝土在硬化前，表面因失水過(guò)快而產(chǎn)生的收縮。混凝土在終凝前幾乎沒(méi)有抗拉強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度很低（≤0.1MPa），或者混凝土剛剛終凝時(shí)，受到外界作用的影響，混凝土表面失水過(guò)快，造成混凝土內(nèi)部毛細(xì)管中產(chǎn)生較大的負(fù)壓而使混凝土體積急劇收縮。而此時(shí)混凝土的強(qiáng)度又無(wú)法抵抗其自身收縮，從而產(chǎn)生開(kāi)裂。③干燥收縮是指混凝土漿體中的水分在長(zhǎng)期干燥的環(huán)境中逐漸逸出揮發(fā)而使毛細(xì)管產(chǎn)生負(fù)壓而導(dǎo)致的體積收縮。對(duì)于混凝土硬化過(guò)程中的收縮開(kāi)裂，除了應(yīng)注意水泥品種的選擇、減水劑品種的選擇外，也要注意混凝土水膠比的影響。由于混凝土水膠比越大，收縮越大，

因此要注意盡量降低混凝土的水膠比。同時(shí)，為防止混凝土硬化過(guò)程中的開(kāi)裂，可考慮摻加膨脹劑、減縮劑和/或減縮劑等外加劑，以及摻加纖維材料（比較常用的為聚丙烯纖維，其對(duì)混凝土塑性收縮裂縫有較好的抑制效果）。同時(shí)，施工過(guò)程中要非常注意混凝土的養(yǎng)護(hù)，盡量采用覆膜養(yǎng)護(hù)，以減少水分散失，也可以使用混凝土養(yǎng)護(hù)劑等保證混凝土的良好養(yǎng)護(hù)。1.2耐久開(kāi)裂及其成因地鐵車站混凝土的耐久開(kāi)裂，集中在受到靜荷載、動(dòng)荷載與結(jié)構(gòu)次應(yīng)力等荷載長(zhǎng)期作用下的混凝土結(jié)構(gòu)中由于耐久性不足導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。這主要表現(xiàn)在由于混凝土抗?jié)B性能下降導(dǎo)致的滲透開(kāi)裂，由于混凝土抗侵蝕性能下降、地鐵迷流等導(dǎo)致鋼筋銹蝕而產(chǎn)生的銹蝕開(kāi)裂。1.2.1滲透開(kāi)裂地鐵車站混凝土長(zhǎng)期處于潮濕及存在地下水的環(huán)境中。對(duì)地鐵系統(tǒng)中的大體積混凝土結(jié)構(gòu)而言，在運(yùn)營(yíng)中要承受各種荷載和變形，混凝土在荷載、變形和氣候作用下，微結(jié)構(gòu)性能會(huì)逐步劣化，表面及內(nèi)部產(chǎn)生很多微裂紋。而混凝土的微裂紋又會(huì)導(dǎo)致滲透通道的相互聯(lián)結(jié)并且增加混凝土的滲透性，這種由于裂紋擴(kuò)張導(dǎo)致的滲透性增加使得更多的水和有害化學(xué)物質(zhì)滲入混凝土中，引起混凝土性能的進(jìn)一步劣化、開(kāi)裂。這樣類似的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：混凝土劣化-混凝土開(kāi)裂-滲透性增加-混凝土進(jìn)一步劣化，終將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的毀滅性破壞。1.2.2銹蝕開(kāi)裂在超長(zhǎng)大面積混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土由鋼筋和混凝土復(fù)合而成。若鋼筋裸露在大氣或者其他介質(zhì)中，容易受蝕生銹，使得鋼筋的有效截面積減小，影響結(jié)構(gòu)受力，而鋼筋外部的混凝土則能夠有效保護(hù)鋼筋而使其少受甚至不受外界介質(zhì)的侵蝕?；炷帘Ｗo(hù)層是指混凝土結(jié)構(gòu)件中，受力鋼筋最外層鋼筋的外緣至混凝土表面之間的部分?；炷帘Ｗo(hù)層的抗侵蝕耐久性能會(huì)直接影響到內(nèi)部鋼筋的化學(xué)穩(wěn)定性，

若保護(hù)層抗侵蝕耐久性能不佳，則受力鋼筋會(huì)比較早地銹蝕。隨著銹蝕的進(jìn)行，銹蝕產(chǎn)物不斷增加，銹蝕產(chǎn)物的增加對(duì)鋼筋周圍的混凝土保護(hù)層產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，并在混凝土內(nèi)部形成壓應(yīng)力，最終混凝土保護(hù)層發(fā)生劈裂，破壞了鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力。鋼筋銹蝕不僅減小了鋼筋本身的受力截面，而且降低了自身結(jié)構(gòu)剛度和鋼筋混凝土的耐久性，引起混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂破壞。地鐵車站由于其環(huán)境的特殊性，混凝土遭受的侵蝕往往比普通工程混凝土更加復(fù)雜也更加嚴(yán)峻。首先，地鐵車站的主體結(jié)構(gòu)混凝土往往處于地下水豐富、透水性強(qiáng)的地層中，而我國(guó)地下水特別是淺層地下水污染比較嚴(yán)重，富含氯離子、硫酸根離子等侵蝕性介質(zhì)。地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受到地下水浸泡，遭受地下壓力水、酸性地下水的溶蝕，以及地下水中硫酸鹽離子、氯離子的侵蝕，這些因素導(dǎo)致了混凝土中包裹著的鋼筋受到銹蝕作用，強(qiáng)度大幅降低。其次，地鐵迷流對(duì)地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。地鐵迷流也稱地鐵雜散電流，主要指由采用直流供電牽引方式的地鐵列車在地下鐵道運(yùn)行時(shí)泄漏到道床及周圍土壤介質(zhì)中的電流。地鐵迷流對(duì)地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)中的受力鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，在這個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，氧化還原反應(yīng)可以在鋼筋表面自發(fā)進(jìn)行，使鋼筋遭到銹蝕，進(jìn)而引起混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂破壞。1.3振動(dòng)開(kāi)裂及其成因由于地鐵系統(tǒng)每天繁重的運(yùn)營(yíng)任務(wù)，線路的軌道結(jié)構(gòu)作為其下部基礎(chǔ)，長(zhǎng)期承受列車碾壓、振動(dòng)、摩擦、沖擊和環(huán)境溫度變化的作用，在使用過(guò)程中混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)各種各樣的損傷，并最終導(dǎo)致道床混凝土開(kāi)裂。同時(shí)，由于施工技術(shù)問(wèn)題和質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的原始微裂縫，在長(zhǎng)期的車輛荷載作用下會(huì)迅速擴(kuò)張、延伸，成為宏觀裂縫，直接威脅地鐵系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)安全。通過(guò)建立的道床板有限元模型，對(duì)其施加列車荷載和溫度荷載，發(fā)現(xiàn)道床板在列車荷載和溫度荷載作用下，裂紋的萌生位置位于枕角處，并大致沿45°方向擴(kuò)展。2地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修補(bǔ)措施混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)不但影響結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，降低抗疲勞性，還會(huì)降低混凝土的抗?jié)B能力，加速混凝土的碳化，加快內(nèi)部配置鋼筋的銹蝕，

導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)耐久性下降和使用壽命嚴(yán)重縮短。為保證地鐵車站正常運(yùn)營(yíng)，一旦發(fā)現(xiàn)裂縫和滲漏，應(yīng)立即根據(jù)裂縫的性質(zhì)和具體情況，及時(shí)采取措施進(jìn)行修補(bǔ)?；炷亮芽p的修補(bǔ)措施主要有：

表面修補(bǔ)法；灌漿、嵌逢封堵法；結(jié)構(gòu)加固法；置換混凝土法；電化學(xué)防護(hù)法；仿生自愈合法。2.1表面修補(bǔ)法表面修補(bǔ)法是在混凝土裂縫的表面涂抹水泥漿、聚合物改性水泥漿、環(huán)氧膠泥，或在混凝土表面涂刷油漆、瀝青、煤焦油等，以封閉裂縫，防止外界有害介質(zhì)通過(guò)裂縫侵入混凝土內(nèi)部，造成進(jìn)一步的侵蝕。有時(shí)，為了防止混凝土修補(bǔ)后受各種作用繼續(xù)開(kāi)裂，還在裂縫表面粘貼玻璃纖維布、碳纖維布，以起到較好的約束作用。表面修補(bǔ)法是較簡(jiǎn)單且常用的裂縫修補(bǔ)方法，適用于裂縫情況較穩(wěn)定，且裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力影響不明顯的情況。2.2灌漿、嵌逢封堵法灌漿法是利用壓力設(shè)備將灌漿材料壓入混凝土裂縫中，

灌漿材料硬化后與混凝土形成一個(gè)整體，從而起到封堵裂縫和加固混凝土的目的。常用的灌漿材料有水泥漿、聚合物改性水泥漿、環(huán)氧樹(shù)脂、甲基丙烯酸酯和聚氨酯等。灌漿法適用于對(duì)結(jié)構(gòu)整體性有一定影響的裂縫，或開(kāi)裂后對(duì)結(jié)構(gòu)抗?jié)B性負(fù)面影響較大混凝土結(jié)構(gòu)。嵌縫封堵法是沿裂縫長(zhǎng)度方向鑿一定寬度的淺槽，在淺槽中嵌填塑性或剛性封堵材料，以達(dá)到封閉裂縫的目的。常用的塑性封堵材料有聚氯乙烯膠泥、塑料油膏、丁基橡膠等；常用的剛性封堵材料為聚合物水泥砂漿、環(huán)氧樹(shù)脂砂漿等。嵌縫封堵法是混凝土結(jié)構(gòu)裂縫封堵中最常用方法。2.3結(jié)構(gòu)加固法結(jié)構(gòu)加固法通常有：

①通過(guò)補(bǔ)充鋼筋和混凝土，加大混凝土結(jié)構(gòu)的截面面積；②在混凝土構(gòu)件角部外包型鋼；③在混凝土受拉部位粘貼鋼板；④采用預(yù)應(yīng)力法加固；⑤增設(shè)支點(diǎn)加固；⑥噴射混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固等。當(dāng)裂縫損害程度影響到混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力時(shí)，就必須考慮采取措施對(duì)混凝土進(jìn)行加固處理。加固處理的費(fèi)用較高，但能提高結(jié)構(gòu)的整體性能。2.4置換混凝土法置換混凝土法是先將損壞的混凝土全部剔除（若鋼筋銹蝕嚴(yán)重，

也需更換鋼筋或增加配筋），再置入新的混凝土或砂漿。常用的新混凝土有普通混凝土和聚合物改性混凝土；常用的新砂漿有水泥砂漿、聚合物改性水泥砂漿和環(huán)氧砂漿等。澆筑的新混凝土或新砂漿的強(qiáng)度等級(jí)必須至少比原有混凝土高一個(gè)等級(jí)。置換混凝土法用于結(jié)構(gòu)混凝土嚴(yán)重?fù)p壞情況下的修補(bǔ)加固，費(fèi)用高，但收效顯著。2.5

電化學(xué)防護(hù)法電化學(xué)防護(hù)法是利用所施加的電場(chǎng)，通過(guò)電化學(xué)作用，

改變混凝土或鋼筋混凝土所處的環(huán)境狀態(tài)，鈍化鋼筋，以達(dá)到防腐和保護(hù)鋼筋混凝土的目的。通常所采用的電化學(xué)防護(hù)法包括陰極防護(hù)法、氯鹽提取法和堿性復(fù)原法等。電化學(xué)防護(hù)法受環(huán)境因素的影響較小，適用于對(duì)鋼筋和鋼筋混凝土的長(zhǎng)期防護(hù)，既用于已開(kāi)裂結(jié)構(gòu)，也可用于新建結(jié)構(gòu)。2.6

仿生自愈合法仿生自愈合混凝土是模仿動(dòng)物的骨骼組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機(jī)理，采用粘接材料與基材相復(fù)合的方法而制得，當(dāng)基體材料損傷破壞后具有自行愈合或再生功能，以恢復(fù)甚至提高基體材料性能。其作用機(jī)制為：預(yù)先在混凝土中埋入一些特殊的空心玻璃纖維或膠囊(其中裝有具有修復(fù)裂縫功能的化學(xué)物質(zhì))，當(dāng)混凝土產(chǎn)生微裂縫時(shí)，空心玻璃纖維斷裂或膠囊破裂，釋放出修補(bǔ)裂縫的化學(xué)物質(zhì)，化學(xué)物質(zhì)隨即在裂縫中固化，使裂縫愈合，并使混凝土恢復(fù)到未開(kāi)裂時(shí)的原有力學(xué)性能?，F(xiàn)在處于研究階段的還包括礦物自修復(fù)混凝土和細(xì)菌自修復(fù)混凝土等。仿生自愈合法是比較新的一種混凝土裂縫（缺陷）修復(fù)方法。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)混凝土所處的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)合適的自修復(fù)方法。3

結(jié)論地鐵車站自修建階段開(kāi)始，混凝土結(jié)構(gòu)就存在各種開(kāi)裂致因。地鐵車站混凝土的開(kāi)裂分為收縮開(kāi)裂、耐久開(kāi)裂和振動(dòng)開(kāi)裂三類。對(duì)于混凝土開(kāi)裂的防護(hù)，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和施工控制三個(gè)方面著手。結(jié)