山嶺隧道襯砌混凝土裂縫產(chǎn)生原因和防治措施

郝新寶

近幾年來，隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，尤其在山西省，新建和擬建的高速公路工程項目多數(shù)處在山嶺重丘區(qū)，隧道工程占有很大比例。山嶺隧道的二次襯砌施工普遍采用液壓整體式鋼模板臺車、泵送混凝土的施工工藝，但混凝土硬化過程中不可避免產(chǎn)生的收縮裂縫不僅影響了整體美觀，還給工程安全、質(zhì)量留下了較大隱患。在施工過程中必須采取有效的工藝措施和養(yǎng)護措施來控制和減少混凝土中裂縫的數(shù)量和寬度。本文結(jié)合忻保高速公路的南長房分離式隧道二襯混凝土的施工過程，分析了襯砌混凝土裂縫的原因，提出了預(yù)防裂縫產(chǎn)生的措施和治理方法。

1 南長房隧道工程概況

1.1 工程簡介

忻保高速L6合同段南長房隧道為分離式隧道，單幅總長498 m:其中左線隧道長253 m，處在 R=1 450曲線上，進口樁號LK33+090，設(shè)計標高1 280.72 m，出口樁號LK33+343，設(shè)計標高 1 285.53 m，路面縱坡1.9%;右線隧道長245 m，處在 R=1 350曲線上，進口樁號K33+085，設(shè)計標高1 277.48 m，出口樁號K33+330，設(shè)計標高1 283.57 m，路面縱坡2.488%。隧道進口洞門為端墻式洞門，左線出口為削竹式洞門、右線出口為端墻式洞門，進、出端襯砌按明洞、Ⅴ級淺埋加強、Ⅴ級淺埋設(shè)計，中間襯砌按Ⅳ級，Ⅲ級設(shè)計。

1.2 工程氣象、水文、地質(zhì)情況

本隧道位于云中山隆起區(qū)，隧址區(qū)屬半干旱大陸季風(fēng)性氣候區(qū)。夏短冬長，四季分明，1月平均氣溫-15.1℃，7月平均氣溫23℃，年平均氣溫8℃，極端最低氣溫-31℃，極端最高氣溫39℃。年均降水量 462.5 mm，降水多集中在 7月～9月，區(qū)凍結(jié)期始于 11月上旬，解凍期為 3月中旬，最大凍土深度150 cm，地下水主要為基巖裂隙水，水量貧乏。該隧道隧址區(qū)地表均基巖裸露，坡腳處為全風(fēng)化的褐黃色花崗巖，其余部分多為灰白色的強風(fēng)化花崗巖。進口坡度 27°～ 28°，坡面產(chǎn)狀 130°∠28°，主要發(fā)育兩組節(jié)理，坡體主要為花崗巖;出口坡度 25°～ 35°，坡面產(chǎn)狀 310°∠30°，主要發(fā)育兩組節(jié)理，坡體主要為花崗巖。地形起伏較大，表層覆有全風(fēng)化、強風(fēng)化花崗巖，自然斜坡穩(wěn)定?；鶐r巖性為太古界花崗巖，花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要成分為石英、長石及云母等;洞口段圍巖較破碎，為全風(fēng)化、強風(fēng)化花崗巖，圍巖穩(wěn)定性差，側(cè)壁易小坍塌，主要為Ⅳ級，Ⅴ級圍巖;洞內(nèi)為弱風(fēng)化花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較好，主要為Ⅲ級圍巖。

2 混凝土裂縫的類型

1)施工縫(接槎縫)。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(xù)澆筑混凝土?xí)r，因施工人員沒有經(jīng)驗，原有的混凝土表面沒有進行鑿毛處理，或者鑿毛后沒有用水沖洗干凈，就在原混凝土表面澆筑混凝土，致使新舊混凝土接槎間出現(xiàn)裂縫。2)溫度裂縫。水泥水化過程中產(chǎn)生大量的熱量，在混凝土內(nèi)部和表面間形成溫度梯度而產(chǎn)生應(yīng)力，當溫度應(yīng)力超過混凝土內(nèi)外的約束力時，就會產(chǎn)生溫度裂縫。裂縫寬度冬季較寬，夏季較窄。溫度裂縫的產(chǎn)生與二次襯砌混凝土的厚度及水泥的品種、用量有關(guān)。3)干縮裂縫?；炷猎谟不^程中水分逐漸蒸發(fā)散失，沒有及時灑水養(yǎng)生，混凝土中的膠結(jié)體因干燥收縮產(chǎn)生變形，變形產(chǎn)生應(yīng)力，當應(yīng)力值超過混凝土的極限抗拉強度時，就會出現(xiàn)干縮裂縫。干縮裂縫表現(xiàn)為表面性的，走向沒有規(guī)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。

3 裂縫形成的原因分析

1)設(shè)計粗糙，建設(shè)、監(jiān)理單位工作隨意性大。由于客觀和主觀方面的原因，勘察設(shè)計單位無法提供詳細的地質(zhì)勘探資料，隧道圍巖級別評價及支護結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)分析，帶有很大的片面性。且在隧道施工過程中，由于圍巖的多變性，不能準確地評價圍巖級別，提供合理的支護結(jié)構(gòu)，隨著建筑市場的不斷規(guī)范和技術(shù)人員技術(shù)水平的不斷提高，這些問題會逐步得到解決。

2)施工工藝或現(xiàn)場操作不規(guī)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界限，造成襯砌混凝土厚度不足。個別隧道襯砌混凝土背后存在空洞現(xiàn)象。b.未及時開展監(jiān)控量測工作，僅憑施工經(jīng)驗來確定二次襯砌的施作時間，安全可靠性差，造成二次襯砌承受圍巖的壓力超過設(shè)計荷載。c.混凝土拌和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(jù)砂、石料的實際含水率及時調(diào)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存在加水的現(xiàn)象。d.采用液壓整體式鋼模板臺車施工，混凝土澆筑時振搗不及時或局部漏振，造成混凝土均質(zhì)性差。e.施工過程中追求進度，不按規(guī)范要求時間提前脫模，使低強度混凝土過量承受荷載，破壞了混凝土結(jié)構(gòu)。脫模后沒有及時進行混凝土的養(yǎng)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。冬季施工時采取的防寒保溫措施不能滿足冬季施工要求。

3)原材料質(zhì)量差、配合比設(shè)計不合理。不同品種的水泥，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(jié)。進行配合比設(shè)計時，忽視水泥用量增多對混凝土品質(zhì)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(yè)技術(shù)人員的指導(dǎo)，往往達不到預(yù)期的效果。

4 混凝土裂縫的治理

1)細微裂縫。從美觀考慮，可先清洗干凈裂縫表面，然后涂刷環(huán)氧樹脂漿液2遍～3遍，最后用刮抹料、調(diào)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(huán)氧樹脂漿液配比:環(huán)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(diào)色料配比:水泥∶白水泥∶107膠=5∶3∶1。施工時應(yīng)經(jīng)試驗確定。2)貫通性裂縫。沿裂縫方向鑿成寬5 cm、深3 cm的V形槽，在槽內(nèi)騎縫每隔0.5 m鉆一孔，孔深為襯砌厚度的1/2或2/3，一般不少于15 cm，并不得穿透襯砌以防跑漿。用清水沖洗干凈槽內(nèi)的雜物及粉塵，在孔內(nèi)插入φ 10的壓漿管，利用環(huán)氧樹脂水泥砂漿錨固，用灰刀將砂漿壓實抹光。環(huán)氧樹脂砂漿配比:環(huán)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(huán)氧樹脂砂漿有一定的強度后，以0.15 MPa～0.2 MPa壓力壓入水泥—水玻璃漿液或環(huán)氧樹脂漿液。壓漿結(jié)束后在0.2 MPa壓力下壓水檢查壓漿效果。裂縫表面用刮抹料和調(diào)色料處理。3)密集裂縫。沿裂縫兩側(cè)每隔1.2 m～1.5 m交錯布點，鑿成10 cm×10 cm大小、深5 cm的方槽，用風(fēng)動鑿巖機鉆孔，孔深 3 m，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0.4 MPa～0.6 MPa為宜。注漿結(jié)束后，另鑿新孔在0.6 MPa～1.0 MPa壓力下壓入純水泥漿檢查注漿效果，當達到規(guī)定壓力而砂漿壓不進時，即認為已經(jīng)注滿。注漿24 h后安裝錨桿墊板，用環(huán)氧樹脂砂漿抹平方槽，表面用刮抹料和調(diào)色料處理。

5 預(yù)防或緩解混凝土裂縫的措施

5.1 提高設(shè)計精度

加強工程前期地質(zhì)工作，為設(shè)計提供詳盡的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探資料，提高設(shè)計的質(zhì)量。

5.2 把好材料進場關(guān)，嚴格控制原材料的質(zhì)量和技術(shù)標準

1)水泥。施工現(xiàn)場多使用普通硅酸鹽水泥，但應(yīng)盡量減少單位水泥用量。2)碎石。根據(jù)泵送管路的內(nèi)徑，盡可能選用較大粒徑的碎石。嚴格控制含泥量不大于1%，針、片狀物含量不大于15%，粒徑以5 mm～31.5 mm為宜，最大不超過40 mm。3)砂。采用級配良好的中砂，細度模數(shù)應(yīng)為2.3～3.0，粒徑小于0.315 mm的顆粒含量所占比例宜為15%～20%，嚴格控制含泥量在3%以內(nèi)。為方便混凝土的運輸、泵送和澆筑，砂率取35%～45%。4)水。最好選用飲用水。當采用其他水源時，應(yīng)按國家現(xiàn)行JGJ 63混凝土拌合用水標準的規(guī)定進行檢驗，pH值應(yīng)大于4。5)摻合料。二襯混凝土采用高性能混凝土澆筑，摻加粉煤灰、硅粉膨脹劑等量替代水泥，以減少水泥用量。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。

5.3 嚴格混凝土施工工藝

1)提高鉆眼技術(shù)水平，優(yōu)化鉆爆參數(shù)，提高光面爆破效果，加強隧道開挖斷面檢測，嚴格控制超欠挖，為襯砌施工創(chuàng)造良好的條件。2)二次襯砌施作時間，應(yīng)在圍巖和初期支護變形基本穩(wěn)定時進行。當圍巖變形較大、流變特性明顯，需提前進行二次襯砌時，必須對初期支護或襯砌結(jié)構(gòu)進行加強。3)混凝土的拌和。a.嚴格按施工配料單計量，定期檢查校正計量裝置。加強砂石料含水率檢測，及時調(diào)整拌和用水量。b.控制混凝土的入模溫度。夏季施工時，當氣溫高于32℃時，砂石料、攪拌機應(yīng)搭設(shè)遮陽棚，用冷水沖洗碎石降溫。盡量安排在夜間澆筑混凝土。4)混凝土的灌注。a.混凝土在運輸和泵送過程中嚴禁加水。b.適當放慢灌注速度，兩側(cè)邊墻對稱分層灌注，到墻、拱交界處停1 h～1.5 h，待邊墻混凝土下沉穩(wěn)定后，再灌注拱部混凝土。c.混凝土灌注過程中必須振搗，提高混凝土的密實度和均質(zhì)性，減少內(nèi)部微裂縫和氣孔，提高抗裂性。5)混凝土的脫模、養(yǎng)護。a.混凝土拆模時的強度必須符合設(shè)計或規(guī)范要求，嚴禁未經(jīng)試驗人員同意提前脫模，脫模時不得損傷混凝土。b.傳統(tǒng)的混凝土灑水養(yǎng)護方法，增加了隧道內(nèi)的文明施工難度，灑水也不均勻，使混凝土早期強度得不到保證。建議使用噴涂混凝土養(yǎng)護液的方法進行養(yǎng)護。

6 結(jié)語

混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)針對裂縫產(chǎn)生的主要原因，貫徹預(yù)防為主的原則，加強設(shè)計施工及使用等方面的管理，確保結(jié)構(gòu)安全和避免不必要的損失。一旦產(chǎn)生裂縫，應(yīng)查明原因，分析裂縫的類型，選擇最合理的修補方法，使施工方便，經(jīng)濟高效。

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