混凝土離析對隧道二次襯砌施工的影響

霍 濱 （蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730070）

目前，隧道設(shè)計施工中多采用復(fù)合式襯砌。復(fù)合式襯砌是由初期支護(hù)和二次襯砌(模筑混凝土)組成。初期支護(hù)是保證圍巖達(dá)成施工期間的初步穩(wěn)定，二次襯砌則是提供安全儲備或承受后期圍巖壓力。具體地講，二次襯砌在Ⅳ類以上圍巖時，按安全儲備進(jìn)行設(shè)計；在Ⅲ類以下圍巖時，按承載(后期圍巖壓力)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計；并均應(yīng)滿足構(gòu)造要求。由此可見隧道的二次襯砌是隧道的承載結(jié)構(gòu)(對軟弱圍巖尤其如此)，也是隧道防水工程的最后一道防線。因此，隧道混凝土襯砌質(zhì)量的好壞對隧道的長期穩(wěn)定，使用功能的正常發(fā)揮是至關(guān)重要的。

1 混凝土的離析

混凝土的離析是混凝土拌合物組成材料之間的粘聚力不足以抵抗粗集料下沉，混凝土拌合物成分相互分離，造成內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)不均勻的現(xiàn)象。通常表現(xiàn)為粗集料與砂漿相互分離，例如密度大的顆粒沉積在拌合物的底部，或者粗集料從拌合物中整體分離出來。

混凝土離析現(xiàn)象會造成混凝土結(jié)構(gòu)不均勻，出現(xiàn)孔洞、水影和蜂窩狀結(jié)構(gòu)。嚴(yán)重的離析使混凝土結(jié)構(gòu)明顯分層，大大降低了混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和使用性能。離析一般有兩種形式：一是粗集料從混合料中分離或水泥漿體從混合料中流淌出來；二是粗集料沉淀到新拌混凝土的底層。泌水是離析的一種特殊形式，是指在混凝土凝結(jié)之前表面出現(xiàn)水離析的現(xiàn)象?；炷恋拿谒苁剐掳杌炷羶?nèi)粗集料顆粒下沉而水分上升，在表面形成浮漿或浮灰，導(dǎo)致形成一種水影，影響混凝土的表面質(zhì)量。此外，水分在上升時形成“小噴口”并且集中在粗集料或鋼筋下的水囊等混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，從而降低混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

2 離析對泵送的影響

混凝土離析對泵送的影響主要表現(xiàn)在混凝土輸送過程中出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。離析堵管是指石子在水泥漿中的懸浮狀態(tài)完全喪失，在管中某一部位積聚?；炷岭x析后，部分骨料之間的孔隙得不到灰漿的補(bǔ)充，骨料間隙的空氣隨混凝土一起被吸入混凝土缸內(nèi)，隨著空氣在混凝土缸內(nèi)積聚增加，吸入效率迅速降低，最后混凝土的吸入和泵送完全停止。由于有空氣進(jìn)入輸送管，在泵送時會聽到漏氣聲。

2.1 離析堵管的原因

造成離析堵管的原因：（1）混凝土壓力脫水。配合比不良的混凝土泌水大，在管道壓力梯度較大時會出現(xiàn)脫水現(xiàn)象，即水分通過骨料的間隙滲透，使骨料聚結(jié)，引起堵管。堵管多發(fā)生在管道彎曲、變徑和管路中間布置軟管處。（2）混凝土坍落度過大。坍落度過大的混凝土拌合物容易離析，多發(fā)生于長距離水平輸送時的偏析堵管和豎直下行布管的下端離析堵管。（3）骨料級配不合理，石子的粒徑過大或級配不連續(xù)也易產(chǎn)生離析。（4）管道處于下行傾斜狀態(tài)，混凝土在斜管中自流（因自重下滑）造成離析。同時易在斜管上部形成真空段，使泵送壓力無法傳遞造成堵塞。

2.2 堵管的排除

首先查明堵管部位。發(fā)生堵管時，從泵出口到堵管處的管路震動劇烈，接頭處有脫開的傾向，而堵管處之后的管路則是靜止的。根據(jù)這種現(xiàn)象可以找到堵管的部位。也可以用鐵棒敲擊管壁，根據(jù)聲音判斷堵管的位置。找到堵管部位后，拆下這段管道，清除堵塞的混凝土，經(jīng)試泵無阻后再接管，繼續(xù)進(jìn)行泵送。

2.3 減少離析造成堵管的措施

1）選擇合適的原材料和配合比，并在施工中采取保證措施，使之泵送時減少混凝土離析。2）合理布置管路，少用彎管、椎管，不宜在管路中間布置軟管。3）下行配管傾斜角或落差比較大時，要采取措施增加斜管部的阻力，在斜管上端的彎管上設(shè)氣門。4）開泵前認(rèn)真潤濕管路，并檢查混凝土質(zhì)量。5）盡可能連續(xù)泵送，不得已停頓時，料斗中要保留足夠的混凝土，每隔4～5min作正反泵操作各兩個沖程，防止混凝土離析。停泵時間超過30～45 min，要清除泵和輸送管內(nèi)的混凝土，對小坍落度的混凝土要更加注意。

3 離析對二次襯砌的影響

3.1 二次襯砌混凝土離析的因素

1）材料因素

（1）水泥性質(zhì)，用量；（2）水灰比和單位用水量；（3）集料表面性質(zhì)、粒徑、級配、添加劑。

2）施工因素

（1）漏振、單點(diǎn)振搗不充分或振搗驅(qū)動混凝土；（2）混凝土拌合物下落時自由高度過大或澆筑角度過大導(dǎo)致較大的額外沖擊力；（3）混凝土在下落過程中撞擊鋼筋或者模板，造成粗集料與漿體分離；（4） 混凝土振搗時間過長或長距離運(yùn)輸受振等都易使混凝土發(fā)生離析分層或泌水現(xiàn)象；（5）施工中由于管理不到位等因素，工人現(xiàn)場往泵車內(nèi)加生水。

3.2 二次襯砌混凝土離析的危害

二次襯砌混凝土離析將嚴(yán)重影響混凝土的各方面性能，離析所造成的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

（1）影響混凝土的泵送施工性能，造成粘罐、堵管、影響工期等，降低經(jīng)濟(jì)效益。

（2）致使混凝土結(jié)構(gòu)部位出現(xiàn)砂紋、骨料外露、鋼筋外露等現(xiàn)象，破壞混凝土鋼筋保護(hù)層，影響混凝土的表現(xiàn)效果。

（3）混凝土的勻質(zhì)性差，致使混凝土各部位的收縮不一致，易產(chǎn)生混凝土收縮裂縫。特別是在施工混凝土樓板時，由于混凝土離析使表層的水泥漿層增厚，收縮急劇增大，出現(xiàn)嚴(yán)重龜裂現(xiàn)象。

（4）使混凝土強(qiáng)度大幅度下降，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)承載能力，破壞結(jié)構(gòu)的安全性能，嚴(yán)重的將造成返工，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。也極大地降低了抗?jié)B、抗凍等混凝土的耐久性能。

3.3 二次襯砌混凝土離析的預(yù)防

如果選擇較大的水灰比或增加單位用水量，混凝土中多余的水分將以較厚的水膜包裹水泥顆粒表面，將顆粒分開，一方面起到潤滑作用降低了顆粒之間的剪應(yīng)力屈服值；另一方面降低了水泥漿體的粘度，從而降低了混凝土的塑性粘度。這樣在重力作用下，粗顆粒很容易克服粘聚力和屈服阻力而下沉，細(xì)顆粒漿體上浮發(fā)生離析或泌水現(xiàn)象。故在滿足混凝土對工作性的要求時，水灰比較越小混凝土的抗離析能力越強(qiáng)。如果選用粘結(jié)性較強(qiáng)、保水性好且水化較快較細(xì)水泥（如粉煤灰水泥），可以大幅度提高水泥漿體的粘結(jié)力，增強(qiáng)水泥漿體與石料之間的粘結(jié)，提高塑性粘度，有效預(yù)防離析的發(fā)生。且由于混凝土的保水性能增強(qiáng)，可以防止泌水的發(fā)生。相應(yīng)的如果水泥用量越高，混凝土的塑性粘度越大，對預(yù)防離析和泌水有利。若水泥用量不足，水泥漿體將不足以包裹集料混凝土，顯得干硬且結(jié)力低也易發(fā)生離析。

混凝土中若集料粒徑過大，畸形且細(xì)集料用量少或使用間斷級配等，雖然可以增加顆粒之間的機(jī)械咬合力對提高屈服應(yīng)力有利，但由于集料的總體表面積大幅度降低，水泥漿體集料之間的粘結(jié)力降低，粗集粒懸浮在水泥漿體中，混合料不易密實，也可能加重離析的發(fā)生。選用表面粗糙的集料能增加水泥漿體與其的粘結(jié)力和物理吸附，增加塑性粘度和屈服應(yīng)力，對預(yù)防離析有利。

在混凝土中摻加引氣劑或減水劑等表面活性劑，一方面通過雙電層和氫鍵的作用使水泥和集料的結(jié)合增強(qiáng)且減少了用水量，增加了水泥漿體的粘度。特別是氣泡的引入大大增加了水泥漿體的有效體積和表面體積，這些都使水泥混凝土的塑性粘度增加；另一方面表面活性劑所起的潤滑作用使混凝土的屈服應(yīng)力值降低，但塑性粘度的增加起主導(dǎo)作用，故摻加引氣劑或減水劑等表面活性總體上對預(yù)防離析有利。在混凝土中同時使用減水劑能顯著提高混凝土混合物的塑性粘度，有效地預(yù)防離析的發(fā)生。

在施工過程中，應(yīng)正確布料，比如使用布料機(jī)布料或架高輸送管，用串桶、溜槽布料，不能以振動驅(qū)動混凝土；掌握振搗速度，即要充分振搗又不能過度振搗引起離析；控制澆筑速度，合理安排澆筑順序，使混凝土能在澆筑過程中逐漸沉實；加強(qiáng)施工管理，杜絕隨意添水，改變混凝土的配合比。

3.4 二次襯砌質(zhì)量檢測方法

混凝土襯砌內(nèi)在質(zhì)量的檢測主要包括混凝土強(qiáng)度、混凝土厚度、襯砌背部是否存在空洞等內(nèi)容。對混凝土強(qiáng)度采用超聲波法進(jìn)行檢測，對混凝土厚度以及襯砌背部是否存在空洞采用探地雷達(dá)法進(jìn)行檢測。

3.5 二次襯砌病害處治

對于因離析造成結(jié)構(gòu)缺陷的情況，如結(jié)構(gòu)背后有很大的空洞、粗骨料外露、鋼筋外露或二次襯砌接縫有明顯缺陷等，因構(gòu)造承載力小，只要病害有很小的發(fā)展，就會導(dǎo)致隧道襯砌拱部失穩(wěn)，因此在任何荷載形式下都應(yīng)采用補(bǔ)強(qiáng)措施。

對于隧道襯砌病害的處治方式主要有以下三種：（1）采用高壓注漿，用注漿法填注結(jié)構(gòu)背后的空洞、粗骨料間存在的間隙；（2）二次襯砌內(nèi)表面補(bǔ)強(qiáng)，用抗拉材料碳纖維、玻璃纖維或鋼板等板材，粘著在襯砌內(nèi)表面，控制裂縫的發(fā)展和襯砌的變形，防止襯砌掉塊、剝落、剝離；（3）內(nèi)襯、拱架補(bǔ)強(qiáng)，內(nèi)襯采用模筑混凝土和噴混凝土，當(dāng)病害等級較高時，可將內(nèi)襯與補(bǔ)強(qiáng)拱架并用，以達(dá)到加強(qiáng)二次襯砌，改善襯砌剛度的目的。

4 結(jié) 語

泵送混凝土具有輸送能力大、效率高、節(jié)省人力、連續(xù)作業(yè)等特點(diǎn)，現(xiàn)今在隧道二次襯砌混凝土施工過程中被廣泛采用。但是泵送混凝土容易出現(xiàn)因混凝土離析和泌水過快等問題而導(dǎo)致管道堵塞，影響二次襯砌施工的連續(xù)性澆筑，造成二次襯砌不必要的施工縫，如果施工縫正好處在起拱線以上位置，將會影響隧道二次襯砌的安全性和可靠性。因此，要達(dá)到順利輸送泵送混凝土的目的，混凝土拌合物須具有良好的可泵性，混凝土具有一定的流動性、不離析，確保施工的順利進(jìn)行。而在澆筑二次襯砌的過程中，離析形成混凝土結(jié)構(gòu)不均勻，出現(xiàn)孔洞、水影和蜂窩狀結(jié)構(gòu)，在邊墻下部也經(jīng)常出現(xiàn)大片石子裸露的情況，直接影響隧道二次襯砌的強(qiáng)度和耐久性。通過對二者研究分析，對材料和施工措施的合理選擇與應(yīng)用，可以大大提高施工效率和質(zhì)量，從而保障隧道二次襯砌的安全性和耐久性。

[1] 鄭國龍.泵送混凝土施工通病成因分析與預(yù)防措施[J].混凝土，2010,9.

[2] 梁國柱.影響泵送混凝土離析的因素及應(yīng)對措施[J].廣東建材，2006,10.

[3] 劉鵬清.公路橋梁施工中混凝土離析現(xiàn)象分析[J].中國水運(yùn)，2009,9(8).

[4] 陳建勛.隧道混凝土襯砌質(zhì)量檢測方法[J].長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2002,22(3).

[5] 佘健等.隧道二次襯砌病害通用處治方法研究[J].中國鐵道科學(xué)，2005,26(1).