隧道混凝土衬砌常见裂缝分析和防治措施

隧道混凝土衬砌常见裂缝分析和防治措施李永德（四川公路桥梁建设集团有限公司海外分公司,四川成都610093）。引言衬砌是为防止围岩变形或坍塌而在隧道洞身周围修建的永久性支护结构，其在现代隧道工程中有着广泛应用，发挥着加强支护、优化路线防排水系统、方便设置通讯与照明设施等作用。衬砌可以根据所使用原材料的不同进行分类，如砖石、混凝土、片石混凝土、钢筋混凝土、灌注混凝土等，而现代隧道工程中通常采用混凝土衬砌。不过在隧道工程中修建和使用混凝土衬砌时，可能受到多方面因素影响导致衬砌出现裂缝，而裂缝的产生轻则影响隧道的外观，重则影响衬砌支护作用的发挥，甚至导致隧道发生坍塌事故。因此在实际施工过程中，一定要采取各种合理而有效的措施加强对隧道混凝土衬砌裂缝的预防。1隧道混凝土衬砌常见裂缝分析1剪切裂缝剪切裂缝即混凝土衬砌结构受剪切应力作用而产生的裂缝。在隧道混凝土衬砌施工中，剪切裂缝主要出现在拱腰位置，往往呈现为纵向、斜向以及X型交叉等形状。剪切裂缝的产生，通常是因为隧道混凝土衬砌施工过程中出现了偏压、围岩稳定性差、承压力偏小以及纵向沉降大等情况［1］。拉裂缝混凝土衬砌之所以容易产生拉裂缝，是因为混凝土自身抗拉强度明显低于抗压强度，故而在受到较大压应力时衬砌通常不容易产生裂缝，而较大拉应力则会导致裂缝产生。引起衬砌受到拉力的原因主要包括混凝土自身干缩、热胀冷缩等，即与水分蒸发和温度变化有关。由于水泥在水化过程中会产生大量热量，使得混凝土内部和表面之间会产生明显的温度差，进而产生相应的拉裂缝。再加上混凝土本身抗拉强度明显低于抗压强度的特性，在外界气温较低的情况下降温更容易导致混凝土衬砌产生明显的环向裂缝与纵向裂缝；在外界温度较高的情况下，温度升高给结构带来的压应力往往不容易引发混凝土裂缝，即便出现裂缝也只是宽度较小的裂缝，不会对结构外观和稳定性产生较大影响［2］。弯曲受压裂^隧道混凝土衬砌拱顶位置会承受较大的围岩压力，如果此位置衬砌背后围岩存在超挖现象，未按规范要求回填密实，很容易因应力集中而使衬砌结构承受较大压应力而产生V型弯曲受压裂缝，严重影响隧道整体的安全性和稳定性，因此在隧道开挖过程中要通过光面爆破或者预裂爆破等方式严格控制好拱顶及周边的超欠挖量。施工缝混凝土施工工艺选择不当，混凝土质量不合格或者浇筑不连续等原因易产生施工缝。在施工过程中，如果出现停电、机械故障或混凝土供应不及时等致使混凝土浇筑不连续、混凝土基础表面凿毛处理不到位、混凝土表面没有铺设水泥砂浆垫层等情况，都可能在混凝土接缝位置引发较为严重的裂缝，从而影响衬砌整体功能的发挥，减弱对围岩的支护能力。2隧道混凝土衬砌裂缝的防治措施提高设计质量科学合理的结构设计是保证隧道混凝土衬砌质量、预防衬砌裂缝发生的重要因素［3］。在隧道工程设计阶段，需要安排专人搜集详尽的工程地质资料，并深入现场进行实地勘察，做好工程前期地质调查工作,尽可能全面、准确掌握工程地质、水文地质等相关信息。在此基础上还应加强设计管理，将不同设计方案进行综合比选，确保最终选择的设计方案最大程度与工程现场实际情况相符合，避免因衬砌结构设计不当所导致的衬砌裂缝问题。此外，在衬砌结构设计时还可参考类似隧道工程的设计经验，合理确定设计参数，使结构安全可靠，经济合理。对于一些地质情况较复杂的隧道还可采用动态设计的理念，设计单位在隧道施工过程中派专人对围岩实际情况进行跟踪调查、详细记录地质信息，通过对已收集数据的整理和分析，若发现问题可针对部分设计参数进行优化，使衬砌结构受力更加合理，稳定性更高，从而可以预防和减少衬砌裂缝等质量问题的出现。做好施工组织和管理为了保障衬砌质量，首先需要做好组织工作，项目部应成立质量管理小组。由项目经理担任组长，项目总工担任副组长，副经理、工程部长、质检工程师、技术主管等担任组员，共同落实质量管控工作。制定质量管理制度和质量管理手册，划分岗位职责，确保各小组成员的工作能够落实到位。施工前应由项目总工组织全体技术人员对施工图纸及相关技术标准和规范进行学习和交底，提高管理和技术人员的质量意识，促进质量目标的达成。另外，在开工前还应编制隧道衬砌专项施工方案，并由总工批准签字后方可执行。施工过程中质量管理小组应做好现场技术管理、质量管理，开展地质调查、收集相关数据,并对方案实施效果进行反馈，及时发现问题，不定期进行施工方案的改进和优化，确保混凝土衬砌施工质量符合设计要求。加强原材料控制隧道混凝土衬砌的施工需要使用大量原材料，如水泥、碎石、砂、水、外加剂等。如果这些原材料的选择不合理或者质量不达标，会严重影响混凝土衬砌质量，进而导致衬砌裂缝的产生。施工企业需要全面加强原材料控制，务必要确保所有进入现场的原材料在规格、质量等方面完全符合设计及相关规范要求。首先是水泥，优先选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，具体根据施工需要进行合理选择，使用的水泥要确保品牌、规格与批次相一致，不得进行随意混用，质量不合格的水泥严禁入场［3］。其次是碎石，碎石的选择主要考虑粒径、含泥量以及针、片状物含量，其中粒径需要以满足混凝土泵送要求为前提，尽可能选择粒径在夕31.5mm范围内的碎石；含泥量则通常不应超过1%；针、片状物含量则通常不超过15沆砂的选用应当优先考虑级配良好的中砂，而且细度模数应控制在3.0以内，含泥量不大于3%,另外粒径不超过0.315mm的颗粒含量比例应处于15%〜20%范围内。混凝土拌和用水优先选择饮用水，如果选用其他水源则需要确保pH值不低于4,用水量需要以水灰比控制在0.45〜0.55之间为重要基准。外加剂的选择则需要根据实际施工情况，通过试验选择最合适的品种以及掺量，如选用适量高效减水剂可以降低混凝土水化热进而减少因温差过大而引发的裂缝。强化混凝土施工管理保证隧道混凝土衬砌施工质量的重要基础是科学合理的配合比设计。只有合理确定水灰比、水泥用量、砂率等，并在施工过程中严格按照既定配合比进行操作，才能有效保障施工所需的混凝土质量符合设计及规范要求。以实验室签发的配料单作为标准，现场进行合理配料,严格控制水泥、碎石、砂、水等的重量，并且要对拌和程序、拌和时间进行严格控制，确保拌和料的最终成品质量符合相关技术标准和要求。为了避免出现温度裂缝，需要对混凝土的入模温度进行有效控制,可以通过预冷骨料、设置遮阳物、洒水、加冰拌和等方式使混凝土温度保持在合理的范围内。另外，在施工过程中需要加强浇筑仓面的控制，严禁于仓内加水，而且每层浇筑层收仓都要保障足够平整，以免出现台阶并在温度较低的情况下产生裂缝。加强振捣管理，以免出现漏振、过振等现象，防止因为振捣不到位导致混凝土不密实而产生裂缝。在振捣混凝土时要遵循“快插慢提”的原则并进行全过程观察,直到混凝土表面不再出现气泡且开始泛浆为止。如果在浇筑过程中因为停电、机械设备等原因中断，那么需要对间断时间进行记录，尽量在允许间断时间范围内恢复浇筑。如果超过了允许间断时间，则需要采取措施加以处理，防止施工缝的产生。在隧道混凝土衬砌浇筑完毕后，需要通过抹压处理来保障混凝土表面平整并成型。二次抹压需要在混凝土初凝之前，这样能够有效避免混凝土由于干缩、塑性收缩等原因而产生的裂缝，对表面裂缝的预防效果良好。另外，混凝土浇筑完毕后还需要做好养护工作。一般在浇筑结束12h后便可以开展养护工作，具体养护时间需要充分考虑气温、结构部位等因素的影响，合理制定养护方案，利用覆盖保水材料、喷洒养护剂等方式进行有效养护，以免养护不足而引起混凝土干缩裂缝的产生。另外隧道混凝土衬砌施工应当合理控制拆模时间，拆模时间过早，混凝土强度达不到设计要求，若承受的围岩压力过大，会使衬砌结构遭到破坏而产生拉裂缝，拆模时间过晚可能导致因混凝土表面水分缺失过多而产生收缩裂缝。如果外界气温较低，拆模后需要立即采取覆盖等措施对混凝土进行保温，避免混凝土表面温度骤降而产生裂缝。衬砌裂缝自检与治理为了有效预防和治理隧道混凝土衬砌裂缝，应对已施工完成和正在施工的隧道衬砌进行全面自检，及时发现存在的裂缝并进行处理，对处理好的裂缝应分析其形成原因、总结经验，为后续衬砌施工发挥指导作用，避免再次出现类似裂缝问题。(1)对隧道衬砌进行全面排查后应对所有衬砌裂缝的具体位置、宽度、长度、深度以及走向等信息进行详细记录并配以一定的文字描述,以便于后期处理工作的开展。（2）聘请专业处理混凝土裂缝的施工队伍，根据不同的裂缝类型，采用不同的方法逐条进行处理。（3）对处理后的衬砌裂缝进行跟踪观测，若发现裂缝还在继续发展则应及时进行二次处理，直至裂缝稳定不再继续发展延伸。混凝土衬砌裂缝的处理通常可以采取以下三种方法：一一表面覆盖法。该方法主要适用于因混凝土内外温差过大、养护时间不足、拆模过早、混凝土水灰比过大等原因引起的微细裂缝（宽度小于0.2mm）0表面覆盖法通常采用弹性涂膜防水材料如聚合物水泥膏、聚合物薄膜等进行处理。治理时先用钢丝刷将混凝土表面打毛，清除表面附着物，再用水冲洗干净后充分干燥，然后用树脂充填混凝士表面的气孔，最后用修补材料涂覆表面。这种方法的缺点是修补工作无法深入到裂缝内部，后期很难对裂缝的发展和延伸进行跟踪观察。一一低压注浆法。该方法主要适用于因变形缝未设置、施工缝处理不好、爆破振动、应力集中等原因引起的宽度为0.2〜0.3mm的衬砌混凝土裂缝修补。该方法的施工顺序为清理裂缝、试机、配置注浆液、压力注浆、二次注浆和清理表面。如果裂缝数量较多，需要先在裂缝位置上贴医用白胶布，再用窄毛刷沾浆液沿裂缝来回涂刷封缝，直至裂缝完全封闭。大约lOmin后，揭去胶布条，露出小缝，粘贴注浆嘴并将其周围包严。浆液固化后注浆嘴周边可能有裂口，此时必须反复用浆液补刷，以免注浆时出现漏浆。注浆操作一般在注浆嘴粘好后的第二天进行，若外界气温较高注浆嘴周围的浆液强度形成较快，可在12h后开始注浆。操作时先用补缝器吸取注浆液并插入注浆嘴，然后用手推动补缝器活塞，使浆液通过注浆嘴压入裂缝，当相邻的嘴中连续流出浆液时，就可拔出补缝器，用铝钾钉将注浆嘴堵上。纵向裂缝一般从上端往下端注浆，水平裂缝一般从一端到另一端依次注浆。为了保证浆液填充满裂缝，在注浆0.5h后可对每个注浆嘴再次补浆。一一开槽修补法。该方法主要适用于因围岩条件差、施工进度过快而支护不及时等原因导致衬砌结构承受应力过大而引起的较宽裂舞（宽度超过0.5mm）。此类型裂缝的处理可采用10：3：12.5：28的比例将环氧树脂、聚硫橡胶、水泥、砂等拌匀，然后用少量丙酮将已拌好的砂浆稀释到适中稠度，再将已拌好的改性环氧树脂砂浆倒入已凿好且洗净吹干后的混凝土凿槽内进行嵌入。从砂浆开始拌和到嵌入混凝土缝内，一组砂浆的施工时间需30min左右。砂浆嵌入缝槽内处理好后2h内及