鐵路隧道二襯混凝土裂縫原因分析及施工控制

孫 國 棟

(中鐵三局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 晉中 030600)

鐵路隧道二襯混凝土裂縫原因分析及施工控制

孫 國 棟

(中鐵三局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 晉中 030600)

簡(jiǎn)述了隧道二襯混凝土裂縫的特點(diǎn)，從溫度裂縫、沉降裂縫、干縮裂縫等方面分析了隧道二襯裂縫形成的原因，并提出了裂縫的防治措施及處理方法，確保隧道襯砌的施工質(zhì)量，從而保證鐵路的正常運(yùn)行。

隧道，裂縫，混凝土

1 概述

隧道作為鐵路土建工程的一種重要結(jié)構(gòu)形式，在我國鐵路客運(yùn)專線及高速鐵路的建設(shè)過程中得到了廣泛的應(yīng)用，其設(shè)計(jì)理念、施工技術(shù)、工藝等在近十年的建設(shè)過程中得到了飛速的發(fā)展。但從近年來開通運(yùn)營的客運(yùn)專線及高速鐵路來看，暴露出隧道滲漏水、掉塊等問題，嚴(yán)重影響到鐵路的正常運(yùn)行，影響到隧道結(jié)構(gòu)的使用壽命，增加了運(yùn)營維護(hù)成本，而造成隧道滲漏水的主要原因就是由二襯混凝土開裂引起的。

2 裂縫特點(diǎn)

從近年來石太客運(yùn)專線、鄭西客運(yùn)專線、玉蒙鐵路等隧道二襯混凝土出現(xiàn)的裂縫來看，主要存在以下特點(diǎn)：1)裂縫多發(fā)育在距洞口200 m之內(nèi)的范圍。2)裂縫所處的二襯混凝土澆筑時(shí)間多在7月份～10月份，該段時(shí)間為高溫、少雨季節(jié)。3)裂縫多屬環(huán)向或斜向裂縫。4)裂縫發(fā)育部位自仰拱施工縫處開始的占大多數(shù)，泄水孔處也有部分產(chǎn)生裂縫。5)裂縫寬度在0.1 mm～0.5 mm之間，深度在40 mm～110 mm之間。

3 裂縫原因分析

隧道二襯裂縫形成的原因一般是多種因素共同作用的結(jié)果，下面根據(jù)隧道裂縫的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1)溫度裂縫?；炷猎谀踢^程中，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)快，產(chǎn)生的水化熱凝聚在混凝土內(nèi)難以散發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高，而外部散熱較快，內(nèi)外溫差造成混凝土收縮出現(xiàn)差異，使混凝土表層產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過混凝土強(qiáng)度抗拉極限時(shí)，表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫，這種裂縫多發(fā)生在混凝土早期。此外，環(huán)境的濕度對(duì)裂縫也有很大的影響，環(huán)境濕度不足會(huì)加速混凝土的干縮，導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。在隧道洞口200 m范圍內(nèi)出現(xiàn)的裂縫，正是溫差影響導(dǎo)致。隧道洞身內(nèi)部，氣溫較穩(wěn)定，濕度較大，比較接近混凝土的標(biāo)養(yǎng)條件。而洞口溫差變化大，特別是夏季施工襯砌混凝土溫度高于常溫，冬季施工襯砌混凝土溫度低于常溫，而且一天之內(nèi)晝夜溫度相差大，都有可能造成混凝土的開裂，因此要特別注意洞口襯砌混凝土的養(yǎng)護(hù)工作。2)沉降裂縫。隧道的基底虛碴未進(jìn)行徹底清理，二襯邊墻基礎(chǔ)鑿毛不徹底，二襯澆筑后，在重載的作用下，基礎(chǔ)底部產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致二襯裂縫自仰拱施工縫處起向上發(fā)展。由于施工進(jìn)度以及隧道施工紅線的要求，初支后圍巖沉降未完全穩(wěn)定即開始澆筑二襯，且二襯混凝土沒有達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度已開始拆模，也可導(dǎo)致沉降裂縫。3)干縮裂縫?；炷劣不S水分漸漸損失導(dǎo)致凝結(jié)膠體干燥收縮產(chǎn)生變形，在圍巖和模板的約束下，當(dāng)變形產(chǎn)生的應(yīng)力值超過混凝土的抗拉強(qiáng)度后，就會(huì)出現(xiàn)干縮裂縫。干縮裂縫必須在拆模后及時(shí)進(jìn)行處理，否則會(huì)變成永久裂縫，影響到隧道結(jié)構(gòu)的使用壽命。4)其他不利因素造成的裂縫。a.隧道圍巖結(jié)構(gòu)松散，開挖后輪廓不規(guī)則，局部超欠挖嚴(yán)重，以致襯砌會(huì)在局部出現(xiàn)過厚或厚度不足，局部應(yīng)力過大，造成襯砌混凝土開裂。b.隧道二襯底部泄水孔處由于應(yīng)力集中、振搗不密實(shí)等造成局部開裂。c.隧道襯砌混凝土拆模過早，使二襯混凝土過早受力，造成襯砌開裂。d.由于進(jìn)度的要求，設(shè)計(jì)的圍巖類型與實(shí)際圍巖不符時(shí)，初期支護(hù)不能完全平衡圍巖應(yīng)力，圍巖變形還未穩(wěn)定即澆筑二襯混凝土，造成洞身混凝土的開裂。e.隧道襯砌鋼筋部分保護(hù)層厚度不夠或過大等造成襯砌裂縫。f.軟弱圍巖中安全步距不合理，爆破部位與施工后的二襯距離不足，爆破震動(dòng)波導(dǎo)致二襯混凝土出現(xiàn)裂縫。

4 裂縫的防治及措施

1)預(yù)防混凝土溫度裂縫。 a.控制水化熱的影響，不選安定性不良的水泥，不同批次的水泥不混用，盡量選用產(chǎn)生熱量較低的水泥；b.優(yōu)化配合比，降低水泥用量以使產(chǎn)生的水化熱在可控范圍；在混凝土中摻加具有減水、增塑、緩凝等作用的外加劑，改善混凝土拌合物的流動(dòng)性、保水性，降低水化熱；c.制定襯砌施工首件驗(yàn)收制度，根據(jù)實(shí)際情況獲取合理的拆模時(shí)間；d.洞口段晝夜氣溫變化大，做好二襯的保濕保溫措施；e.加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)，適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，保證混凝土表面冷卻。2)預(yù)防混凝土沉降裂縫?？刂苹炷粱旌狭系奶涠?，將混凝土振搗密實(shí)；隧道底清理干凈，不留殘?jiān)蛔龊眯屡f混凝土接觸的鑿毛工作；在襯砌內(nèi)易開裂部位，布置部分鋼筋網(wǎng)片，減少裂縫的產(chǎn)生。3)做好隧道襯砌混凝土振搗是預(yù)防裂縫的關(guān)鍵。二襯混凝土振搗效果差，會(huì)造成混凝土的空隙率增大、密實(shí)性差、防水性差、收縮大，混凝土強(qiáng)度不足，影響隧道結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，在隧道襯砌臺(tái)車上要有布局合理的附著式振搗器和插入式振搗窗口，隧道二次襯砌混凝土施工時(shí)要插入式振搗和附著式振搗相結(jié)合，確保混凝土的勻質(zhì)性和密實(shí)性，提高混凝土本身的抗裂能力，避免裂縫出現(xiàn)。4)其他預(yù)防措施。a.隧道設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)圍巖類別、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等地質(zhì)情況，合理選取襯砌支護(hù)參數(shù)，確保襯砌具有足夠的承載能力；施工過程中發(fā)現(xiàn)圍巖地質(zhì)情況與原設(shè)計(jì)不符時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)襯砌支護(hù)參數(shù)進(jìn)行變更，使襯砌符合實(shí)際圍巖條件，隧道實(shí)施弱爆破、光面爆破，避免局部超欠挖、超欠挖控制在允許范圍內(nèi)。b.隧道襯砌后及時(shí)進(jìn)行無損檢測(cè)，探測(cè)襯砌背后是否存在空洞，空洞處及時(shí)進(jìn)行注漿處理。c.二襯鋼筋應(yīng)集中加工預(yù)制，鋼筋安裝后采取定位鋼筋、墊塊等措施，確保保護(hù)層符合設(shè)計(jì)要求。d.隧道襯砌施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求在正確位置設(shè)置沉降縫、伸縮縫，并且縫隙在同一垂直面上。e.做好襯砌施工的各道工序檢查驗(yàn)收，加強(qiáng)作業(yè)人員的技術(shù)培訓(xùn)，提高其混凝土施工技術(shù)水平。f.加強(qiáng)混凝土保濕保溫養(yǎng)護(hù)，提高混凝土襯砌的工程質(zhì)量。

5 裂縫的處理方法

隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫采用水泥、環(huán)氧樹脂等進(jìn)行嵌縫和注漿補(bǔ)強(qiáng)，根據(jù)裂縫寬度、深度不同，采取表面封閉法、灌漿法等方法，以寬度在0.1 mm～0.5 mm、深度在30 mm～80 mm的隧道裂縫為例，通常采用環(huán)氧樹脂高壓灌漿法，完成后進(jìn)行取芯，發(fā)現(xiàn)注漿飽滿，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。1)灌漿材料。環(huán)氧樹脂具有良好的物理性能，配制后漿液灌漿效果好，分子結(jié)構(gòu)致密，固化收縮率小，飽滿無氣泡，抗?jié)B性好。具有很強(qiáng)的內(nèi)聚力，且附著力強(qiáng)，漿液固化后抗壓、抗拉強(qiáng)度都能滿足要求。漿液的固化時(shí)間可以調(diào)節(jié)，灌漿工藝簡(jiǎn)便，屬環(huán)保型材料。2)修補(bǔ)工藝程序。施工準(zhǔn)備→裂縫處理→埋設(shè)灌漿孔→裂縫封堵→封堵檢查→漿液配制→高壓灌漿→外觀處理。用毛刷蘸酒精有機(jī)溶液，把沿裂縫兩側(cè)擦洗干凈并保持干燥。使用抹刀將封縫膠均勻抹在裂縫上，邊抹邊壓，刮平整以防止產(chǎn)生小孔和氣泡。用沖擊鉆沿裂縫兩側(cè)進(jìn)行鉆孔，孔徑20 mm，孔深度約10 cm，鉆孔必須穿過裂縫，孔與裂縫間距約3 cm～5 cm。鉆孔間距約為40 cm。灌漿前先對(duì)灌漿機(jī)具、灌漿材料等進(jìn)行檢查，準(zhǔn)備工作就緒后開始灌漿。灌漿時(shí)，注漿壓力保持在0.2 MPa～0.4 MPa，每個(gè)灌漿應(yīng)持續(xù)壓注5 min左右，待相鄰注漿孔冒漿后，停止注漿。灌漿結(jié)束后，對(duì)外觀進(jìn)行打磨處理。在修補(bǔ)前，對(duì)環(huán)氧樹脂砂漿制取一組70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試件，檢查結(jié)果為38.2 MPa(大于設(shè)計(jì)35 MPa)，滿足要求。在襯砌裂縫修補(bǔ)處取芯進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，抗壓結(jié)果為37.5 MPa(大于設(shè)計(jì)35 MPa),滿足要求。

6 結(jié)語

由于混凝土是一種脆性材料，其抗拉強(qiáng)度低，盡管在施工中采取各種措施，但裂縫仍普遍存在，裂縫會(huì)導(dǎo)致隧道的抗?jié)B能力降低，結(jié)構(gòu)存在隱患，影響隧道的使用壽命。總之，隧道襯砌的裂縫與隧道施工的每一個(gè)環(huán)節(jié)都有密切的關(guān)系，在隧道施工中要了解裂縫發(fā)生的原因，加強(qiáng)對(duì)混凝土施工前的各種防范措施來預(yù)防裂縫的出現(xiàn)，出現(xiàn)裂縫后要及時(shí)進(jìn)行有效的補(bǔ)救措施降低裂縫帶來的危害。同時(shí)隧道施工人員要提高防范和規(guī)避混凝土裂縫的意識(shí)，認(rèn)真負(fù)責(zé)，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，方能保證隧道襯砌施工質(zhì)量。

[1] 杜永昌,黃直久.高速與客運(yùn)專線鐵路施工工藝手冊(cè)[M].北京:科技技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2006.

[2] 中鐵三局集團(tuán)有限公司.鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南[M].北京：中國鐵道出版社,2011.

[3] 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1997.

Causes analysis and construction control of second lining concrete cracks of railway tunnel

Sun Guodong

(ChinaRailway3rdBureauGroup5thEngineeringCo.,Ltd,Jinzhong030600,China)

The paper briefly illustrates tunnel second lining concrete cracking features,analyzes tunnel second lining concrete cracking causes form aspects of temperature cracks,subsidence cracks and shrinkage cracks,and puts forward cracks preventing measures and treatment methods,so as to guarantee tunnel lining construction quality and to ensure normal railway operation as well.

tunnel,cracks,concrete

2015-10-15

孫國棟(1981- )，男，工程師

1009-6825(2015)36-0182-02

U457 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A