隧道衬砌砼裂缝成因分析及防治

　　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。但在砼施工中，伸缩缝、施工缝的渗水及温度应力裂缝的处理是一个世界性难题。为了最大可能减少砼施工过程中各种裂缝的发生，在现在砼施工过程中，我们尽管在其原材料的选用、施工工艺方面都进行了不断的研究和改进，然而并不能完全得到避免，如在笔者参建的千秋关及方家岭隧道中，虽然采用了各种不同的施工工艺，有严格的质量保证体系和控制措施，但在砼施工中都不同程度的发现有各种裂缝的产生。砼中产生的各种裂缝，不仅对其结构产生了不良的影响，还可能对整个建筑物产生直接的危害，施工中必须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。本文分析了混凝土裂缝产生的原因,提出了预防裂缝产生的措施,并介绍了几种常见的裂缝治理方法。

　　第一章 隧道衬砌混凝土裂缝的类型

　　第一节 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。

　　一、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。

　　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。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。

　　温度裂缝的走向通常无一定规律，大面积结构裂缝常纵横交错;深入和贯穿性的温度裂缝一般与短边方向平行或接近平行，裂缝沿着长边分段出现，中间较密。裂缝宽度大小不一，受温度变化影响较为明显，冬季较宽，夏季较窄。高温膨胀引起的混凝土温度裂缝是通常中间粗两端细，而冷缩裂缝的粗细变化不太明显。此种裂缝的出现会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低混凝土的抗冻融、抗疲劳及抗渗能力等。

　　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。此类裂缝多为深进或贯穿性裂缝，其走向与荷载情况有关，一般沿与地面垂直或呈30°~45°角方向发展，较大的荷载裂缝，往往有一定的错位，裂缝宽度往往与沉降量成正比关系。裂缝宽度受温度变化的影响较小。地基变形稳定之后，荷载裂缝也基本趋于稳定。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(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。

　　第二章 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，建设、监理单位工作随意性大

　　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,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。个别建设单位限于自身管理和专业技术水平的欠缺,任意变更原设计。少数工程由业主的内部人员组成监理机构,监理工作失去了独立性。随着建筑市场的规范,在近几年的隧道施工中这些问题得到了一定的解决。

　　二、施工工艺或者现场操作不规范

　　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。个别隧道衬砌混凝土背后存在脱空现象。

　　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,造成二次衬砌超设计荷载承受围岩压力。笔者目前参建的千秋关隧道监控量测工作由业主委托同济大学专业监测队伍开展工作，在施工过程中及时准确的对围岩变形情况作出分析预测，对施工进行正确指导，目前隧道二衬已施作完毕，未出现裂缝现象，总体效果较好。

　　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。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,混凝土浇筑时不振捣或漏振,混凝土均质性差，此现象在隧道衬砌施工中较为普遍，多数作业队伍对砼振捣工作重视不够，以经验判断砼的密实及均匀程度。

　　5、多数在建隧道由于各种原因业主要求工期且施工单位因报价低等原因，造成施工单位紧盲目追求施工进度,随意提前脱模时间,使低强度混凝土过量承受荷载,破坏了混凝土结构。

　　6、冬期施工时采取的防寒保温措施不力。

　　7、原材料质量差、配合比设计不合理

　　第三章 混凝土裂缝的预防

　　第一节 干缩裂缝的预防

　　混凝土干缩裂缝的成因在前文已有叙述，主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性质和用量、外加剂的用量等有关。预防措施如下：

　　1、选用收缩量较小的水泥，一般采用中低热水泥和粉煤灰水泥，降低水泥的用

　　2、混凝土的干缩受水灰比的影响较大，水灰比越大,干缩越大，因此在混凝土配合比设计中应尽量控制好水灰比的选用，同时掺加合适的减水剂。

　　3、严格控制混凝土搅拌和施工中的配合比，混凝土的用水量绝对不能大于配合比设计所给定的用水量。

　　4、加强混凝土的早期养护，并适当延长混凝土的养护时间。冬季施工时要适当延长混凝土保温覆盖时间，并涂刷养护剂养护。

　　5、在混凝土结构中设置合适的收缩缝。

　　第二节 温度裂缝的预防

　　温度裂缝的预防措施如下：

　　1、尽量选用低热或中热水泥，如矿渣水泥、粉煤灰水泥等。

　　2、减少水泥用量,将水泥用量尽量控制在450kg/m3以下。

　　3、降低水灰比，一般混凝土的水灰比控制在0.6以下。

　　4、改善骨料级配，掺加粉煤灰或高效减水剂等来减少水泥用量,降低水化热。

　　5、改善混凝土的搅拌加工工艺，在传统的三冷技术的基础上采用二次风冷新工艺，降低混凝土的浇筑温度。

　　6、在混凝土中掺加一定量的具有减水、增塑、缓凝等作用的外加剂，改善混凝土拌合物的流动性、保水性，降低水化热，推迟热峰的出现时间。

　　7、预留温度收缩缝。

　　8、混凝土中配置少量的钢筋或者掺入纤维材料将混凝土的温度裂缝控制在一定的范围之内。

　　第三节 荷载变形裂缝的预防

　　荷载变形裂缝预防措施如下：

　　1、对松软地基在上部结构施工前应进行必要的加固。

　　2、保证模板有足够的强度和刚度，且支撑牢固，并使地基受力均匀。

　　3、 防止混凝土浇灌过程中地基被水浸泡。

　　4、模板拆除的时间不能太早，且要注意拆模的先后次序。

　　第四节 其他预防措施

　　一、 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。

　　二、 原材料控制

　　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。笔者参建的千秋关隧道二衬施工就采用了双掺技术，取得了较好的施工效果。

　　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、 混凝土施工工艺控制

　　1、 提高开挖钻眼技术水平,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。

　　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

　　a、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，采用商品砼的因定期对厂家进行监督检查。

　　b、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

　　a、混凝土在运输和泵送过程中严禁加水，此现象在施工中应坚决杜绝。

　　b、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。在实际施工中，由于衬砌施工耗时较长且洞内作业环境比较压抑，作业人员在长时间作业后容易产生松懈及不满情绪，影响施工质量，在施工前施工单位应多好对作业人员的安全、质量及施工技术交底工作，选用责任心较强的作业人员。

　　c、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

　　a、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。

　　b、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。

　　第四章 混凝土裂缝的处理措施

　　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。

　　第一节 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。

　　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。施工时应经试验确定。

　　第二节 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。在此介绍一种处理方法：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￠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。

　　第三节 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。

　　第四节 其他处理措施

　　一、结构加固法

　　当裂缝影响到混凝土结构的性能时，就要考虑采取加固法对混凝土结构进行处理。结构加固中常用的主要有以下几种方法：加大混凝土结构的截面面积，在构件的角部外包型钢、采用预应力法加固、粘贴钢板加固、增设支点加固以及喷射混凝土补强加固。

　　二、混凝土置换法

　　混凝土置换法是处理严重损坏混凝土的一种有效方法，此方法是先将损坏的混凝土剔除，然后再置换入新的混凝土或其他材料。常用的置换材料有：普通混凝土或水泥砂浆、聚合物或改性聚合物混凝土或砂浆。

　　三、电化学防护法

　　电化学防腐是利用施加电场在介质中的电化学作用，改变混凝土或钢筋混凝土所处的环境状态，钝化钢筋，以达到防腐的目的。阴极防护法、氯盐提取法、碱性复原法是化学防护法中常用而有效的三种方法。这种方法的优点是防护方法受环境因素的影响较小，适用钢筋、混凝土的长期防腐，既可用于已裂结构也可用于新建结构。

　　四、仿生自愈合法

　　仿生自愈合法是一种新的裂缝处理方法，它模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土的传统组分中加入某些特殊组分(如含粘结剂的液芯纤维或胶囊)，在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，当混凝土出现裂缝时分泌出部分液芯纤维可使裂缝重新愈合。

　　第五章 结 论

　　裂缝是隧道衬砌混凝土结构中普遍存在的一种现象，它的出现不仅会降低隧道的抗渗能力，影响隧道的使用功能，而且会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影响隧道的承载能力，因此要对混凝土裂缝进行认真研究、区别对待，采用合理的方法进行处理，并在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展，保证建筑物和构件安全、稳定地工作。

　　参考文献

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　　8、《隧道建设》2007年第27卷第A01期

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文章名称： 隧道衬砌砼裂缝成因分析及防治

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