浅谈隧道二次衬砌裂缝的成因与防治

浅谈隧道二次衬砌裂缝的成因与防治
窦仁科
摘要：隧道二次衬砌施工普遍采用整体式钢模板台车、泵送混凝土施工工艺，但混凝土硬化过程中产生的裂缝不仅影响了美观，还给工程质量留下了隐患。
关键词：隧道二次衬砌裂缝成因防治
随着国民经济的发展，山岭地区新建公（铁）路越来越多，隧道工程所占的比例逐步增大。隧道二次衬砌施工普遍采用整体式钢模板台车、泵送混凝土施工工艺，但混凝土硬化过程中产生的裂缝不仅影响了美观，还给工程质量留下了隐患。本人曾参加了神朔线、朔黄线等数座公（铁）路隧道的施工，分析了混凝土裂缝产生的原因，总结出了下面几种常见的裂缝治理方法。
1、裂缝的类型
隧道衬砌混凝土裂缝类型主要有：干缩裂缝、温度裂缝、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等。
1）干缩裂缝
混凝土在硬化过程中水分逐渐蒸发散失，使水泥石中的凝结胶体干燥收缩产生变形，由于受到围岩和模板的约束，变形产生应力，当应力值超过混凝土的抗拉强度时，就会出现干缩裂缝。干缩裂缝多为表面性的，走向没有规律。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。
2）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。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。
3）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。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。
4）施工缝（接茬缝）
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，也没有铺水泥砂浆垫层，就在原混凝土表面浇筑混凝土，致使新旧混凝土接茬间出现裂缝。
2、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%。
1）施工工艺或现场操作不规范
a.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。个别隧道衬砌混凝土背后存在脱空现象。
b.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，造成二次衬砌超设计荷载承受围岩压力。
c.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。在混凝土运输及泵送过程中加水的现象也比较普遍。
2）原材料质量差、配合比设计不合理
①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，影响了水泥与骨料的胶结。
②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。
3、混凝土裂缝的治理
1）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。
2）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跑浆。用清水冲洗干净槽内的杂物及粉尘，在孔内插入Φ10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。
3）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。
4、预防或缓解混凝土裂缝的措施
1）提高设计精度
加强工程前期地质工作，为设计提供详尽的工程地质、水文地质勘探资料，提高设计的质量。
2）把好材料进场关，严格控制原材料的质量和技术标准。
a.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。
b.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。
c.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%。
d.水
最好选用饮用水。当采用其他水源时， PH值应大于4。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。
e.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。
f.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。
3)严格混凝土施工工艺
a.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，为衬砌施工创造良好的条件。
b.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。
c.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。
d.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。
e.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，增加了隧道内的文明施工难度，洒水也不均匀，使混凝土早期强度得不到保证。建议使用喷涂混凝土养护液的方法进行养护。
综上所述，在隧道衬砌施工中应采取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，以达到内实外美，从而提高衬砌质量。