隧道衬砌混凝土裂缝的成因与治理

２００８年第８期　西部探矿工程　１７７　隧道衬砌混凝土裂缝的成因与治理　李　毛　（交通第二总队，乌鲁木齐８３００２３）　摘要：分析了隧道衬砌混凝土裂缝产生的原因，提出了裂缝的预防和治理方法，对提高混凝土衬砌　施工水平有积极意义。　关键词：隧道施工；混凝土裂缝；原因分析；防治　中图分类号：Ｕ４５５文献标识码：Ｂ文章编号：１Ｏ０４—５７１６（２Ｏ０８）０８—０１７７—０３　近几年，山岭地区新建公（铁）路越来越多，隧道工　程所占的比例也逐步增大。隧道施工的整体水平得到　了很大的提高，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，但混凝土凝结过程中由于很　多原因产生了裂缝，不仅影响了美观，还给工程质量留　下了隐患。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。分析了混凝土裂　缝产生的原因，提出了缓解裂缝产生的措施，并介绍了　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　混凝土在硬化期间会释放出大量水化热，由于混凝土的　散热性能差，外部的水化热量散失的较快，积聚在内部　的水化热不易散失，温度不断上升，造成混凝土各部位　之间的温度差和温度应力，引起拉应力。在降温过程　中，由于受到基础或老混凝土的约束，又会在混凝土内　部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很　大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，　即会出现裂缝。　因温度应力而形成温度裂缝的过程大致分为以下　裂缝、外荷载作用变形产生的荷载裂缝、施工处理不当　引起的施工裂缝、冻融裂缝、化学裂缝等。　ｌ＿１干缩裂缝　三个阶段。（１）早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基　本结束，一般约３０ｄ。这个阶段的基本特征，一是水泥　放出大量的水化热，二是混凝土弹性模量的急剧变化。　由于弹性模量的变化，这一时期在混凝土内形成残余应　力。（２）中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土　干缩裂缝一般多出现在混凝土的养护期结束后一段　冷却到稳定温度时止，这个时期，温度应力主要是由于　时间或是混凝土浇筑完毕后一周左右。混凝土干缩主要　混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期　原因和混凝士水泥的成分、水灰比、水泥的用量、材料的性　形成的残余应力相叠加，在此期间混凝上的弹性模量变　质、）ｌｑＪｎ剂的用量等有关。混凝土终凝前后由于水分蒸发　化不大。（３）晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。　会引起干燥收缩，混凝土干燥收缩主要是水泥浆体的收　温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两　缩，收缩过程主要是由外向内。干缩裂缝多为表面性的平　种的残余应力相迭加。　行线状或网状浅细裂缝。如不及时处理，会变成永久裂　引起温度应力的原因可分为两类：　缝，会引起钢筋锈蚀，混凝土碳化而影响耐久性。　（１）自生应力：边界上没有任何约束或完全静止的　水泥干缩率的大小直接影响裂缝的形成，由大到小　结构，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身互　排列顺序是：矿渣硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、中低热　相约束而出现的温度应力。例如，桥梁墩身，结构尺寸　水泥、粉煤灰水泥。　相对较大，混凝土冷却时表面温度低，内部温度高，在表　不同的骨料对混凝土干缩的影响是不同的，粗骨料　对混凝土干缩影响从大到小顺序是：碎石、砾石；细骨料　对混凝土干缩的影响从大到小顺序是：河砂、陆砂、海　砂、山砂。　表面张力越小的水，其干缩值越小。　１．２　温度裂缝　面出现拉应力，在中间出现压应力。　（２）约束应力：结构的全部或部分边界受到外界的　混凝土的温度裂缝一般出现在大体积的混凝土中，　约束，不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土　．和护栏混凝土。　１．３荷载裂缝　仰拱和边墙基础的碴屑未清理干净，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　维普资讯 http://www.cqvip.com

１７８　西部探矿工程　２００８年第８期　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。　１．４施工裂缝　（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。　（５）盲目追求施工进度，随意提前脱模时间，使低　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　强度混凝土过量承受荷载，破坏了混凝土结构。脱模后　没有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，混凝土人模温度高。冬期施工时采取的防寒　保温措施不力。　２．３　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，含碱量大，含泥量超标，碎石中石　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。　１．５冻融裂缝　冬季施工，气温较低，防冻措施跟不上，产生细微裂　缝，致使表层剥落。　１．６化学反应引起的裂缝　碱骨料反应裂缝和钢筋锈蚀引起的裂缝是钢筋混　凝土结构中最常见的由于化学反应而引起的裂缝。　混凝土拌和后会产生一些碱性离子，这些离子与某　些活性骨料产生化学反应并吸收周围环境中的水而体　积增大，造成混凝土酥松、膨胀开裂。这种裂缝一般出　现在混凝土结构使用期间，一旦出现很难补救，因此应　在施工中采取有效措施进行预防。　２　裂缝形成的原因分析　粉含量大，针、片状物过多，影响了水泥与骨料的胶结。　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。　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　。　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　混凝土作为多种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。　３．１　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　２．１　设计粗疏，业主、监理单位不按程序工作　由于多方面的原因，勘察设计单位无法全面深入地　开展地质勘探工作，隧道围岩类别评价及支护结构设计　虽有科学依据，但带有一定的片面性。个别建设单位限　于自身管理和专业技术水平不够高，对原设计的变更很　随意。少数工程的监理工作失去了性，受业主摆　布。随着建筑市场的规范，这些问题会逐步会得到解　决。　２．２　施工工艺或现场操作不规范　面，然后涂刷环氧树脂浆液２～３遍，最后用刮抹料、凋　色料处理混凝土表面，使其颜色与周围衬砌混凝土颜色　致。环氧树脂浆液配比，环氧树脂：５０１稀释剂；二　甲苯：乙二胺一１：０．２：０．３５：０．０８。刮抹料配比为　水泥：细砂：水一１：２：０．３５。调色料配比为水泥：　一白水泥：１０７胶一５：３：１。施工时应经试验确定。　３．２贯通性裂缝　（１）隧道开挖成型差，衬砌混凝土厚度严重不均　匀；欠挖或初期支护侵人衬砌限界，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。　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，　般不少于１５ｃｍ，并不得穿透衬砌以防跑浆。用清水　（２）未开展监控测量工作，仅凭经验来确定二次衬　冲洗干净槽内的杂物及粉尘，在孔内插人ｊ２『１０的压浆　砌的施工作业时间，安全可靠性差，造成二次衬砌超设　管，利用环氧树脂水泥砂浆锚固，用灰刀将砂浆压实抹　计荷载承受围岩压力。　光。环氧树脂砂浆配比为环氧树脂：水泥：细砂：乙　（３）混凝土生产时原材料计量误差大，尤其外加齐ＩＪ｜　二胺：二丁酯＝１：１．６：３．２：０．１：０．１２，其中乙二胺　的掺加随意性大，没有根据砂、石料的实际含水率及时　是固化剂，二丁酯是稀释剂。待环氧树脂砂浆有一定的　调整施工用水量，造成混凝土水灰比增大。在混凝土运　强度后，以０．１５～０．２ＭＰａ压力压人水泥一水玻璃浆液　输及泵送过程中随意加水的现象也比较普遍。　或环氧棚旨浆液。压浆结束后在０．２ＭＰａ压力下压水　一维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第８期　西部探矿工程　１７９　检查压浆效果。裂缝表面用刮抹料和调色料处理。　３．３　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１．２　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Ｏ．４～　～粉煤灰的掺加在水工大体积混凝土施工中应用比较广　泛，由于认识、技术上的原因，目前在山岭隧道施工中应　用较少。　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　０．６ＭＰａ为宜。注浆结束后，另凿新孔在０．６～１．０ＭＰａ　压力下压人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　预防混凝土裂缝的措施　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。　严格混凝土施工工艺：　（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，为　衬砌施工创造良好的条件。　（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。　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　９／５。　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》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，混凝土人泵坍落度控制　在（１２±２）ｃｍ。　（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）混凝土的拌和：　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控制混凝土的人模温度。夏季施工气温较高时，　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１～１．５ｈ，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。　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　９／５～　１５　，膨胀剂掺量为水泥用量的８　～１２　，具体掺量　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。　５结束语　裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象，它的出　需经试验确定。　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。在水泥中掺人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。　现不仅会降低建筑物的抗渗能力，影响建筑物的使用功　能，而且会弓ｌ起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低材料的　耐久性，影响建筑物的承载能力，因此要对混凝土裂缝　的原因要进行认真研究，区别对待，重视设计和施工中　各个环节，采用合理有效的方法进行处理，保证混凝土　安全、稳定地工作。