隧道衬砌裂缝预防与处理

隧道衬砌混凝土裂缝的预防及处理姬拥军（第二工程有限公司云南昆明）[摘要]介绍了隧道衬砌裂缝的类型，成因分析，举例说明了裂缝的治理方法，说明了在施工过程中就如何预防及缓解提出了一定的实际措施。[关键词]隧道衬砌混凝土裂缝预防处理随着国民经济的发展,公（铁）路及市政工程选线设计中，采用隧道越来越多，而随着隧道施工的机械化推广普及，隧道施工工艺和技术越来越成熟。目前隧道的二次衬砌（这是按新奥法理论的叫法，目前已成通用称谓。）施工普遍采用整体式钢模板台车、泵送混凝土施工工艺。但衬砌过后依然出现有裂缝，这几乎是一个通病。衬砌裂缝不仅影响了美观,还给工程质量留下了严重的隐患。在施工中必须采取有效合理的工程技术措施,控制和减少混凝土中裂缝的数量和宽度。本文分析了混凝土裂缝的成因,提出减少裂缝产生的措施,并介绍了几种常见的裂缝处理方法。一、裂缝的类型隧道衬砌混凝土裂缝类型主要有：干缩裂缝、外荷载作用产生的变形裂缝、施工缝处理不当引起的接茬缝、不均匀沉降产生的裂缝、温度裂缝等。（一）干缩裂缝混凝土在硬化过程中发生水化反应，加上表面的蒸发，使得水分消耗散失,混凝土中的凝结胶体干燥收缩产生变形,由于受到围岩和混凝土材料自身胶结约束,变形产生应力,当应力值超过混凝土的抗拉强度时,就出现了干缩裂缝。干缩裂缝多为表面性裂缝，裂缝较细，走向没有规律，一旦产生即不会再发展。影响混凝土干缩裂缝的因素主要有：水泥品种、用量及水灰比,骨料的大小和级配,外加剂品种和掺量、混凝土养生条件等。（二）温度裂缝水泥水化过程中产生大量的热量,在混凝土内部和表面间形成温度梯度而产生应力,当温度应力超过混凝土内外的约束力时,就会产生温度裂缝，与干缩裂缝一样，一旦产生，即不再发展。裂缝宽度冬季较宽,夏季较窄。温度裂缝的产生与二次衬砌混凝土的厚度及水泥的品种、用量有关。（三）荷载变形裂缝仰拱和边墙基础的虚碴未清理干净,混凝土浇筑后,基底产生不均匀沉降；模板台车或堵头板没有固定牢固,以及过早脱模,或脱模时混凝土受到较大的外力撞击等都容易产生变形裂缝，变形裂缝的发展不定，一般会不断发展，直至沉降或外力体系稳定。荷载变形裂缝在隧道衬砌混凝土病害中占有的比例逐年增大,已经引起了广大工程技术人员的重视。（四）施工缝施工过程中由于停电、机械故障等原因迫使混凝土浇筑中断时间超过混凝土的初凝时间,继续浇筑混凝土时,原有的混凝土基础表面没有进行凿毛处理,或者凿毛后没有用水冲洗干净,也没有铺水泥砂浆连接层,就在原混凝土表面继续浇筑混凝土,致使新旧混凝土接茬界面间出现裂缝。二、裂缝形成的原因分析混凝土裂缝形成的原因非常复杂,往往是多种不利因素综合作用的结果。据有关统计,施工不规范造成的混凝土裂缝占80%左右,材料质量差或配合比不合理产生的裂缝占15%左右,设计不当引起的裂缝可能占5%。（一）设计粗糙。由于多方面的原因,勘察设计单位无法深入地开展地质勘探工作,对于隧道围岩类别评价及支护结构设计缺乏科学依据,带有一定的盲目性，虽然在施工过程可随时进行工程变更，但受到投资控制的限制，往往不能及时和准确地进行围岩级别变更、衬砌支护变更。（二）施工工艺或现场操作不规范1.隧道开挖成型差,衬砌混凝土厚度严重不均匀；欠挖或初期支护侵入衬砌限界,造成衬砌混凝土厚度不足。有时候隧道衬砌混凝土背后存在脱空现象，在衬砌厚度突变处，很容易产生应力集中，此处的衬砌极易产生断裂。2.未开展监控量测工作,仅凭经验来确定二次衬砌的施作时间,安全可靠性差。在围岩应力尚未完全释放情况下衬砌，造成二次衬砌超设计荷载承受围岩压力。3.混凝土生产时原材料计量误差大,尤其外加剂的掺加随意性大,没有根据砂、石料的实际含水率及时调整施工用水量,造成混凝土水灰比增大。由于担心输送泵堵管，在混凝土运输及泵送过程中加水的现象也比较普遍。4.采用整体式钢模板台车施工,混凝土浇筑时因担心模板台车侧压力过大造成跑模，甚至故意不振捣或漏振,混凝土均质性差。5.盲目追求施工进度,随意提前脱模时间,使未达到足够强度的混凝土衬砌过量承受荷载,破坏了混凝土结构。脱模后没有及时进行混凝土的潮湿养护。6.夏季施工时砂、石料露天堆放,无切实有效的降温措施,混凝土入模温度高。冬期施工时采取的防寒保温措施不力。（三）原材料质量差、配合比设计不合理水泥品种选择不当,安定性不良,不同批次的水泥混用。碎石、砂级配差,含泥量超标,碎石中石粉含量大,针、片状物过多,水泥和外加剂没有及时进行进场批次检测，性能不稳定影响了水泥与骨料的胶结性能。进行配合比设计时,忽视水泥用量增多对混凝土品质的影响,错误认为水泥用量越多,混凝土强度越高。对掺合料和外加剂的选用缺乏专业技术人员的指导,往往达不到预期的效果。三、混凝土裂缝的治理混凝土作为多组材料组成的脆性材料,裂缝的存在是客观的。作为施工单位应加强衬砌混凝土的施工管理,避免或减少混凝土裂缝的产生。对于出现的裂缝,应认真分析原因,分清是有害裂缝还是无害裂缝,并对有害裂缝进行处理,防止裂缝继续发展,影响衬砌结构的稳定。（一）细微裂缝隧道衬砌混凝土表面常出现一些没有扩展性的细微裂缝,这种裂缝是稳定的,一般可自愈,不会影响结构的使用和耐久性。从美观考虑,可先清洗干净裂缝表面,然后涂刷环氧树脂浆液二至三遍,最后用刮抹料、调色料处理混凝土表面,使其颜色与周围衬砌混凝土颜色一致。2007年3月，在建的襄渝二线新赵家坝隧道出口段ZDK504+600~+750段，在边墙部位出现的细微裂缝采取环氧树脂浆液处理，砂浆刮涂，效果良好。环氧树脂浆液配比,环氧树脂：501稀释剂：二甲苯：乙二胺=1：0.2：0.35：0.08。刮抹料配比,水泥：细砂：水=1：2：0.35。调色料配比,水泥：白水泥：107胶=5；3：1。具体使用中根据实际情况调整。（二）贯通性裂缝贯通性裂缝的危害较大,必须采取有效的治理方法。沿裂缝方向凿成宽5cm、深3cm的V形槽,在槽内骑缝每隔0.5m钻一孔,孔深为衬砌厚度的1/2或2/3,一般不少于15cm,并不得穿透衬砌以防影响隧道防水和跑浆。用清水冲洗干净槽内的杂物及粉尘,在孔内插入￠10的压浆管,利用环氧树脂水泥砂浆锚固,用灰刀将砂浆压实抹光。环氧树脂砂浆配比,环氧树脂:水泥:细砂:乙二胺:二丁酯=1:1.6:3.2:0.1:0.12,其中乙二胺是固化剂,二丁酯是稀释剂。待环氧树脂砂浆有一定的强度后,以0.15MPa～0.2MPa压力压入水泥-水玻璃浆液或环氧树脂浆液。压浆结束后在0.2MPa压力下压水检查压浆效果。裂缝表面用刮抹料和调色料处理。笔者1999年在玉（溪）-元（江）高速公路小甸中隧道下行线施工当中，在渡过塌方地段K128+930~K129+000过程中，因为情况紧急，在未施工仰拱的情况下率先施工了边墙二次衬砌，结果在拆模后边墙部位出现纵向贯通裂缝，最大缝宽4毫米。在补做仰拱填充后，待边墙混凝土强度达到设计强度，经观测裂缝发展趋于稳定后，即用上法处理裂缝，原裂缝几乎不可见，周围也再无任何新发裂缝，一年后再次观测，情况稳定，效果良好。（三）密集裂缝衬砌背后有空洞或衬砌厚度不足引起的密集裂缝,必须进行防水和地层加固处理。沿裂缝两侧每隔1.2m～1.5m交错布点,凿成10cm×10cm大小深5cm的方槽,用风动凿岩机钻孔,孔深3m,安装WDT25中空注浆锚杆,注入水泥砂浆,灰砂比1:（3～5）,水灰比1:1,施工时由下往上逐级注浆,注浆压力以0.4MPa～0.6MPa为宜。注浆结束后,另凿新孔在0.6MPa～1.0MPa压力下压入纯水泥浆检查注浆效果,当达到规定压力而砂浆压不进时,即认为已经注满。注浆24h后安装锚杆垫板,用环氧树脂砂浆抹平方槽,表面用刮抹料和调色料处理。另外，对于隧道衬砌的顶部，由于施工工艺原因，会产生一定的空隙，对此空隙的往往采用回填灌浆的方法。通过在衬砌内部预埋钢管，衬砌拆模达到设计强度后，进行回填注浆，如空隙较大，可注普通水泥砂浆或细石混凝土。四、预防或缓解混凝土裂缝的措施（一）利用地质预报，如实变更加强隧道地质预报，采取地质超前雷达预报认真分析围岩变化情况,适时提出设计变更，使支护及衬砌类别参数与实际地质状况相符，保证初期支护及衬砌各参数合理可行。（二）把好材料进场关,严格控制原材料的质量和技术标准。1.水泥施工现场多使用普通硅酸盐水泥,但应尽量减少单位水泥用量。不同品牌、不同规格、不同批次的水泥不能混用。2.碎石根据泵送管路的内径,尽可能选用较大粒径的碎石。严格控制含泥量≤1%,针、片状物含量≤15%,粒径以5～31.5mm为宜,最大不超过40mm。3.砂采用级配良好的中砂,细度模数应为3.0～2.3,粒径小于0.315mm的颗粒含量所占比例宜为15～20%,严格控制含泥量在3%以内。为方便混凝土的运输、泵送和浇筑,砂率取35%～45%。4.水最好选用饮用水。当采用其他水源时,应按国家现行《砼拌合用水标准》（JGJ63）的规定进行检验,PH值应大于4。水灰比越大,混凝土的干燥收缩越大。严格控制泵送混凝土的用水量是减少裂缝的根本措施。施工中水灰比在0.45～0.55之间,混凝土入泵塌落度控制在（12±2）cm。5.掺合料推广掺加粉煤灰和膨胀剂的双掺技术,等量替代水泥,以减少水泥用量。对强度等级C25以下的混凝土,粉煤灰掺量一般为水泥用量的10%～15%,膨胀剂掺量为水泥用量的8%～12%,具体掺量需经试验确定。（1）粉煤灰比表面积小,需水量低,不仅能有效降低混凝土的干燥收缩值,还可以改善混凝土的流动性、粘聚性和保水性。在水泥中掺入原状或磨细粉煤灰后,可以降低混凝土中水泥的水化热,推迟水化热峰值的出现,减少绝热条件下的温升,有利于控制温度裂缝的产生。粉煤灰的掺加在水工大体积混凝土施工中应用比较广泛,在隧道衬砌中同样可以使用，由于改善了混凝土和易性，可代替混凝土泵送剂。（2）掺加适量的膨胀剂可以补偿混凝土的收缩,增加密实度,提高混凝土防渗抗裂能力。6.外加剂高效减水剂能够有效减少拌合用水,降低水化热,延缓水化热释放速度,从而减少温度裂缝,但掺量过多,会引起混凝土的肿胀和开裂。施工时必须慎重选择外加剂的品种和掺量。（三）严格控制混凝土施工工艺1.提高钻眼技术水平,优化钻爆参数,提高光面爆破效果,加强隧道开挖断面检测,严格控制超欠挖,初期支护表面平整，防水板铺设松弛有度，为衬砌施工创造良好的条件。2.二次衬砌施作时间,应在围岩和初期支护变形基本稳定时进行。当围岩变形较大、流变特性明显,需提前进行二次衬砌时,必须对初期支护或衬砌结构进行加强。3.混凝土的拌合（1）严格按施工配料单计量,定期检查校正计量装置。加强砂石料含水率检测,及时调整拌合用水量。（2）控制混凝土的入模温度。夏季施工时,当气温高于32℃时,砂石料、搅拌机应搭设遮阳棚,用冷水冲洗碎石降温。尽量安排在夜间浇筑混凝土。4.混凝土的灌注（1）混凝土在运输和泵送过程中严禁加水。（2）适当放慢灌注速度,两侧边墙对称分层灌注,到墙、拱交界处停1h～1.5h,待边墙混凝土下沉稳定后,再灌注拱部混凝土。（3）混凝土灌注过程中必须振捣,提高混凝土的密实度和均质性,减少内部微裂缝和气孔,提高抗裂性。5.混凝土的脱模、养护（1）混凝土拆模时的强度必须符合设计或规范要求,严禁未经试验人员同意提前脱模,脱模时不得损伤混凝土。（2）传统的混凝土洒水养护方法,浪费水，增加了隧道内积水积泥,洒水也不均匀,使混凝土早期强度不易保证。建议使用喷涂混凝土养护液的方法进行养护。五、结束语混凝土衬砌裂缝作为一种施工通病，它的出现有各方面的原因，有时是多种因素的综合作用，因此，进行过程的各种控制可以减少裂缝的产生，对已经出现裂缝认真分析原因，然后采取合理有效的措施进行处理，确保隧道衬砌的工程质量。参考文献富文权，韩素芳.混凝土工程裂缝分析与控制[M].北京：中国铁道出版社，2003.作者简介（姬拥军，男，33岁，1996年参加工作，大专学历，毕业以来一直从事基层具体隧道技术管理工作。电话：[phone]，emil:[e-mail]）