關于隧道襯砌混凝土裂縫的討論

中鐵十二局集團第四工程有限公司  宋宇峰

    在當前國家工程建設當中,隧道工程所占的比例逐步增大。隧道二次襯砌施工普遍采用整體式鋼模板液壓行走臺車、泵送混凝土施工工藝。但有些工程表明，泵送混凝土強度不足、凝結異常時有發生，特別是裂縫普遍存在，不僅影響了美觀,在一定程度上還影響結構的抗滲性和耐久性，給工程質量留下了隱患。本文簡單分析了混凝土裂縫產生的原因,提出了減少裂縫產生的措施,并介紹幾種常見的裂縫處理方法。

    1、有關裂縫的一些概念

    凝土內部結構決定其產生裂縫，混凝土是粗集料、細集料、水泥石、水和氣體所組成的非均質堆聚結構�；炷�土混合料在不同溫濕度條件下凝結硬化，并同時產生體積變形。水泥石的干燥和冷卻收縮大，集料的干燥和冷卻收縮小，同時水泥石和集料之間相互粘結而約束，由于變形產生微裂縫。

    2、裂縫的類型

    2.1 按裂縫產生原因分類

    2.1.1 由外荷載(靜、動荷載)直接應力引起的裂縫和次應力引起的裂縫。

    仰拱和邊墻基礎的虛碴未清理干凈,混凝土澆筑后,基底產生不均勻沉降；模板臺車或堵頭板沒有固定牢固,以及過早脫模,或脫模時混凝土受到較大的外力撞擊等都容易產生變形裂縫。荷載變形裂縫在隧道襯砌混凝土病害中占有的比例逐年增大,已經引起了廣大工程技術人員的重視。

    2.1.2由變形變化引起的裂縫：包括結構因溫度濕度變化、收縮、膨脹、不均勻沉陷等原因引起的裂縫。其特征是結構要求變形，當受到約束和限制時產生內應力，應力超過一定數值后產生裂縫，裂縫出現后變形得到滿足，內應力松弛。這種裂縫寬度大、內應力小，對荷載的 影響小，但對耐久性損害大。主要有兩種：

    ①干縮裂縫

    混凝土在硬化過程中水分逐漸蒸發散失,使水泥石中的凝結膠體干燥收縮產生變形,由于受到圍巖和模板的約束,變形產生應力,當應力值超過混凝土的抗拉強度時,就會出現干縮裂縫。干縮裂縫多為表面性的,走向沒有規律。影響混凝土干縮裂縫的因素主要有：水泥品種、用量及水灰比,骨料的大小和級配,外加劑品種和摻量。

    ②溫度裂縫

    水泥水化過程中產生大量的熱量,在混凝土內部和表面間形成溫度梯度而產生應力,當溫度應力超過混凝土內外的約束力時,就會產生溫度裂縫。裂縫寬度冬季較寬,夏季較窄。溫度裂縫的產生與二次襯砌混凝土的厚度及水泥的品種、用量有關。

    據國內外調查資料表明，工程結構產生屬于變形變化(溫濕度、收縮與膨脹、不均勻沉降)引起的裂縫約占80%；屬于荷載引起的裂縫約占20%。

    2.1.3  施工縫處理不當引起的接茬縫

    施工過程中由于停電、機械故障等原因迫使混凝土澆筑中斷時間超過混凝土的初凝時間,繼續澆筑混凝土時,原有的混凝土基礎表面沒有進行鑿毛處理,或者鑿毛后沒有用水沖洗干凈,也沒有鋪水泥砂漿墊層,就在原混凝土表面澆筑混凝土,致使新舊混凝土接茬間出現裂縫。

    2.2 按裂縫形狀分

    裂縫按形狀可分為表面的、深入的、貫穿的、斷續的、縱向的、橫向的、斜向的、對角線的、上寬下窄、上窄下寬、外寬內窄的、囊核形的等等。

    3、裂縫形成的原因分析

    混凝土裂縫形成的原因非常復雜,往往是多種不利因素綜合作用的結果。據有關統計,施工不規范造成的混凝土裂縫占80%左右,材料質量差或配合比不合理產生的裂縫占15%左右。

    3.1 施工工藝或現場操作不規范

    a. 隧道開挖成型差,襯砌混凝土厚度嚴重不均勻；欠挖或初期支護侵入襯砌限界,造成襯砌混凝土厚度不足。個別隧道襯砌混凝土背后存在脫空現象。

    b. 未開展監控量測工作,僅憑經驗來確定二次襯砌的施作時間,安全可靠性差,造成二次襯砌超設計荷載承受圍巖壓力。

    c. 混凝土生產時原材料計量誤差大,尤其外加劑的摻加隨意性大,沒有根據砂、石料的實際含水率及時調整施工用水量,造成混凝土水灰比增大。在混凝土運輸及泵送過程中加水的現象也比較普遍。

    d. 采用整體式鋼模板臺車施工,混凝土澆筑時不振搗或漏振,混凝土均質性差。

    e. 盲目追求施工進度,隨意提前脫模時間,使低強度混凝土過量承受荷載,破壞了混凝土結構。脫模后沒有進行混凝土的潮濕養護。

    f. 夏季施工時砂、石料露天堆放,無切實有效的降溫措施,混凝土入模溫度高。冬期施工時采取的防寒保溫措施不力。

    3.2 原材料質量差、配合比設計不合理

    水泥品種選擇不當,安定性不良,不同批次的水泥混用。碎石、砂級配差,含泥量超標,碎石中石粉含量大,針、片狀物過多,影響了水泥與骨料的膠結。

    進行配合比設計時,忽視水泥用量增多對混凝土品質的影響,錯誤認為水泥用量越多,混凝土強度越高。對摻合料和外加劑的選用缺乏專業技術人員的指導,往往達不到預期的效果。

    4、混凝土裂縫的治理

    混凝土作為多組材料組成的脆性材料,裂縫的存在是客觀的。作為施工單位應加強襯砌混凝土的施工管理,避免或減少混凝土裂縫的產生。對于出現的裂縫,應認真分析原因,分清是有害裂縫還是無害裂縫,并對有害裂縫進行處理,防止裂縫繼續發展,影響襯砌結構的穩定。

    4.1 細微裂縫

    隧道襯砌混凝土表面常出現一些沒有擴展性的細微裂縫,這種裂縫是穩定的,一般可自愈,不會影響結構的使用和耐久性。從美觀考慮,可先清洗干凈裂縫表面,然后涂刷環氧樹脂漿液二至三遍,最后用刮抹料、調色料處理混凝土表面,使其顏色與周圍襯砌混凝土顏色一致。環氧樹脂漿液配比,環氧樹脂：501稀釋劑：二甲苯：乙二胺=1：0.2：0.35：0.08。刮抹料配比,水泥：細砂：水=1：2：0.35。調色料配比,水泥：白水泥：107膠=5；3：1。施工時應經試驗確定。

    4.2 貫通性裂縫

    貫通性裂縫的危害較大,必須采取有效的治理方法。沿裂縫方向鑿成寬5cm、深3cm的V形槽,在槽內騎縫每隔0.5m鉆一孔,孔深為襯砌厚度的1/2或2/3,一般不少于15cm,并不得穿透襯砌以防跑漿。用清水沖洗干凈槽內的雜物及粉塵,在孔內插入￠10的壓漿管,利用環氧樹脂水泥砂漿錨固,用灰刀將砂漿壓實抹光。環氧樹脂砂漿配比,環氧樹脂:水泥:細砂:乙二胺:二丁酯=1:1.6:3.2:0.1:0.12,其中乙二胺是固化劑,二丁酯是稀釋劑。待環氧樹脂砂漿有一定的強度后,以0.15MPa～0.2MPa壓力壓入水泥-水玻璃漿液或環氧樹脂漿液。壓漿結束后在0.2MPa壓力下壓水檢查壓漿效果。裂縫表面用刮抹料和調色料處理。

    4.3 密集裂縫

    襯砌背后有空洞或襯砌厚度不足引起的密集裂縫,必須進行防水和地層加固處理。沿裂縫兩側每隔1.2m～1.5m交錯布點,鑿成10cm×10cm大小深5cm的方槽,用風動鑿巖機鉆孔,孔深3m,安裝WDT25中空注漿錨桿,注入水泥砂漿,灰砂比1:（3～5）,水灰比1:1,施工時由下往上逐級注漿,注漿壓力以0.4MPa～0.6MPa為宜。注漿結束后,另鑿新孔在0.6MPa～1.0MPa壓力下壓入純水泥漿檢查注漿效果,當達到規定壓力而砂漿壓不進時,即認為已經注滿。注漿24h后安裝錨桿墊板,用環氧樹脂砂漿抹平方槽,表面用刮抹料和調色料處理。

    5、預防或緩解混凝土裂縫的措施

    5.1 提高設計精度

    加強工程前期地質工作,為設計提供詳盡的工程地質、水文地質勘探資料,提高設計的質量。

    5.2 把好材料進場關,嚴格控制原材料的質量和技術標準。

    5.2.1 水泥

    施工現場多使用普通硅酸鹽水泥,但應盡量減少單位水泥用量。不同品牌、不同規格、不同批次的水泥不能混用。

    5.2.2 碎石

    根據泵送管路的內徑,盡可能選用較大粒徑的碎石。嚴格控制含泥量≤1%,針、片狀物含量≤15%,粒徑以5～31.5mm為宜,最大不超過40mm。

    5.2.3 砂

    采用級配良好的中砂,細度模數應為3.0～2.3,粒徑小于0.315mm的顆粒含量所占比例宜為15～20%,嚴格控制含泥量在3%以內。為方便混凝土的運輸、泵送和澆筑,砂率取35%～45%。

    5.2.4 水

    最好選用飲用水。當采用其他水源時,應按國家現行《砼拌合用水標準》（JGJ63）的規定進行檢驗,PH值應大于4。水灰比越大,混凝土的干燥收縮越大。嚴格控制泵送混凝土的用水量是減少裂縫的根本措施。施工中水灰比在0.45～0.55之間,混凝土入泵塌落度控制在（12±2）cm。

    5.2.5摻合料

    推廣摻加粉煤灰和膨脹劑的雙摻技術,等量替代水泥,以減少水泥用量。對強度等級C25以下的混凝土,粉煤灰摻量一般為水泥用量的10%～15%,膨脹劑摻量為水泥用量的8%～12%,具體摻量需經試驗確定。

    a．粉煤灰比表面積小,需水量低,不僅能有效降低混凝土的干燥收縮值,還可以改善混凝土的流動性、粘聚性和保水性。在水泥中摻入原狀或磨細粉煤灰后,可以降低混凝土中水泥的水化熱,推遲水化熱峰值的出現,減少絕熱條件下的溫升,有利于控制溫度裂縫的產生。粉煤灰的摻加在水工大體積混凝土施工中應用比較廣泛,由于認識、技術上的原因,目前在山嶺隧道施工中應用較少。

    b. 摻加適量的膨脹劑可以補償混凝土的收縮,增加密實度,提高混凝土防滲抗裂能力。

    5.2.6外加劑

    高效減水劑能夠有效減少拌合用水,降低水化熱,延緩水化熱釋放速度,從而減少溫度裂縫,但摻量過多,會引起混凝土的腫脹和開裂。施工時必須慎重選擇外加劑的品種和摻量。

    5.3 嚴格混凝土施工工藝

    5.3.1 控制混凝土出機溫度和澆筑溫度

    為了降低混凝土的總溫升，減少大體積工程結構的內外溫差，控制混凝土的出機溫度和澆筑溫度也是一個重要措施。我國《水工混凝土施工規范》(SDJ207-82)中規定：高溫季節施工時，混凝土最高澆筑溫度，不得超過28℃。為求得統一，《混凝土結構工程施工及驗收規范》(GB50204-92)也規定了這個溫度值。

    為了降低混凝土的出機溫度和澆筑溫度。最有效的方法是降低原料溫度，混凝土中石子比熱較小，但每m3混凝土中石子所占重量最大，所以最有效的辦法是降低石子溫度。在氣溫較高時，為了防止太陽直接照射，可以在砂石堆場搭設簡易遮陽棚，必要時可向集料噴淋霧狀水，或者在使用前用冷水沖洗集料。國外也有的攪拌混凝土時加冰塊冷卻。除此之外，攪拌運輸車罐體、泵送管道保溫、冷卻也是必要的措施。

    5.3.2 改進施工工藝

    a.攪拌工藝

    采用二次投料的凈漿裹石或砂漿裹石工藝，可以有效地防止水分聚集在水泥砂漿和石子的界面上，使硬化后界面過渡層結構致密、粘結力增大，從而提高混凝土強度10%或節約水泥5%，并進一步減少水化熱和裂縫。

    b.振動工藝

    對已澆筑的混凝土，在終凝前進行二次振動，可排除混凝土因泌水，在石子、水平鋼筋下部形成的空隙和水分，提高粘結力和抗拉強度，并減少內部裂縫與氣孔，提高抗裂性。

    c.養護工藝

    為了嚴格控制大體積混凝土的內外溫差，確�；炷�土質量，減少裂縫，養護是一個十分重要和關鍵的工序，必須切實做好。

    混凝土養護主要是保持適當的溫度和濕度條件。保溫能減少混凝土表面的熱擴散，降低混凝土表層的溫差，防止表面裂縫。由于散熱時間延長，混凝土強度和松弛作用得到充分發揮， 使混凝土總溫差產生的拉應力小于混凝土的抗拉強度，防止了貫穿裂縫的產生。澆筑時間不 長的混凝土，仍然處于凝結、硬化過程，水泥水化速度較快，適宜的潮濕條件可防止混凝土表面脫水而產生收縮裂縫。同時在潮濕條件下，可使水泥的水化充分、完全，從而提高混凝土的抗拉強度。

    6、結束語

    以上針對隧道二襯混凝土裂縫產生的原因、預防和治理進行了簡單的討論，雖然學術界對于混凝土裂縫的成因和計算方法有不同的理論，但對于具體的預防和改善措施意見還是比較統一，同時在實踐中的應用效果也比較好，具體施工中要靠我們多觀察、多比較，出現問題后多分析、多總結，結合多種預防處理措施，混凝土的裂縫是完全可以避免的。

 (本文來源：陜西省土木建筑學會   文徑網絡工程項目投資中心：雷丹 尹維維 編輯  劉真 文徑 審核)