暗挖隧道襯砌裂縫產生原因分析與預防控制研究

王穎苗

（北京百事百達工程管理有限公司，北京 100022）

1 引言

裂縫是混凝土最常見的缺陷之一，近年來，隨著我國城市的高速發(fā)展，暗挖法施工被廣泛運用到公路、鐵路、地鐵以及各種地下管線的建設中。受各種因素影響，暗挖隧道襯砌裂縫時有發(fā)生，而引起暗挖隧道襯砌裂縫的原因十分復雜，荷載、溫度、收縮、地基變形、鋼筋銹蝕、堿骨料反應、地基凍脹、混凝土質量差、水泥水化熱溫升等因素單獨作用或相互作用都可能造成混凝土裂縫。

通過研究發(fā)現(xiàn)，裂縫對暗挖隧道混凝土建筑會產生不同的影響，除了降低建筑的穩(wěn)定性之外，還容易導致鋼筋銹蝕以及凍融破壞等問題，最終影響暗挖混凝土的耐久性?；诖耍疚氖崂砹艘r砌混凝土裂縫形成的根源，并提出相應的解決對策，以期為類似暗挖隧道工程襯砌裂縫的預防與控制提供參考和借鑒。

2 襯砌混凝土裂縫主要類型

針對襯砌混凝土裂縫，根據其形成原因的不同，可劃分為溫度裂縫、干縮裂縫以及施工裂縫等；根據深度上的差異性，可以劃分為貫穿裂縫、深裂縫、淺裂縫以及表面裂縫。本文在研究過程中，主要根據形成的原因對暗挖工程中3種常見的裂縫進行分析。

2.1 溫度裂縫

溫度裂縫是由混凝土內、外溫度變化而產生的裂縫，如圖1所示。暗挖襯砌混凝土中水泥水化時形成的熱量較多，這些熱量會導致混凝土溫度升高。如果缺少有效的降溫手段，混凝土內部的溫度可達到80～90℃。在溫度升高過程中，熱量也處于動態(tài)變化過程中，不斷進行轉移和擴散，進而導致混凝土各個部分的溫度分布不均，由此會形成一定的溫度應力，并且溫差越大，溫度應力越大，二者為正相關關系。裂縫的形成與過高的溫度應力直接相關，如果其高于內外約束應力，則會導致溫度裂縫的形成。

2.2 干縮裂縫

干縮裂縫指混凝土由于內外濕度變化不均、水分蒸發(fā)不均而產生的裂縫，如圖2所示。暗挖隧道施工過程中，襯砌混凝土硬化時水分會逐步減少，導致凝結膠體干燥變形，這種變形受到模板或圍巖等因素的約束而產生應力，當變形產生的應力值超過混凝土的抗拉強度后，就會形成干縮裂縫，在走向上基本沒有明顯的規(guī)律。

2.3 施工裂縫

施工裂縫是指在施工過程中，由于施工質量問題而導致的裂縫，如圖3所示。具體包括以下幾個方面。

（1）在施工過程中對混凝土搗實不足或模板支撐不佳均會降低施工質量，進而導致施工裂縫的形成。

（2）施工縫布置位置不佳極易導致施工裂縫的形成。若發(fā)生突發(fā)情況導致澆筑中斷較長的時間，則在后續(xù)的澆筑中容易導致施工裂縫形成（特別是未進行鑿毛處理以及處理不佳的情況下）。

（3）冬季施工中新澆筑混凝土保溫防護措施不足，養(yǎng)護的構件降溫速度太快，由于冷擊均可導致混凝土開裂。

（4）暗挖隧道施工中，二次襯砌的拱形模板拼接不當，脫模時強行使用外力拆除模板，混凝土受力不均勻，則會形成變形裂縫。

3 裂縫形成的原因分析

根據前文的分析可知，溫度和干縮裂縫主要是與變形有關的襯砌裂縫，是在溫度、濕度以及水分變化的作用下，由于約束應力高于抗拉強度形成的；施工裂縫則主要是施工操作不當和混凝土施工質量把關不嚴造成的。下面就這3種裂縫形成的原因進行具體分析。

3.1 溫度和干縮裂縫形成原因分析

很多學者針對裂縫形成的原因開展了分析，依據不同學者的觀點，本文對溫度和干縮裂縫形成的原因具體分析如下。

（1）溫度改變。裂縫的形成直接受環(huán)境溫度變化的影響，如果溫度顯著降低，則會形成更大的收縮變形，從而增大形成裂縫的概率。研究發(fā)現(xiàn)，在夏季隧道洞口襯砌段，由于溫差較大而形成裂縫的幾率較高，所以必須對此重點關注。

（2）水泥細度。如果水泥細度較高，釋放的水化熱量較多，更易產生溫度裂縫。

（3）水泥類型。不同類型的水泥在應用中的特性不同，例如礬土水泥，制成的襯砌混凝土不存在顯著的收縮變形，基本不會形成裂縫；而對于礦渣水泥，制作的襯砌容易形成顯著的收縮變形，也易于形成干縮裂縫。

（4）風速。研究發(fā)現(xiàn)，風速較高時，水分更易于蒸發(fā)和散失，更易形成干縮裂縫。

（5）環(huán)境濕度。在環(huán)境濕度較大的情況下，收縮變形較小，因此形成裂縫的幾率較低；但是濕度較小的情況下則正好相反，形成干縮裂縫的概率顯著提高。

（6）骨料類型。采用不同類型的骨料制成的襯砌混凝土在收縮變形上呈現(xiàn)出差異性，例如采用砂巖時形成裂縫的可能性更高；而采用花崗巖骨料形成裂縫的幾率較低。

（7）水灰比。研究發(fā)現(xiàn)，混凝土水灰比較高的情況下，容易導致更大的收縮變形，繼而形成裂縫。

（8）結構尺寸以及外觀。裂縫的形成還與結構尺寸以及形狀等因素直接相關，可用水力半徑r指標（周長L和截面面積F的比值）進行判斷，如果該指標較高，則意味著存在更顯著的收縮變形，更容易形成裂縫。

（9）配筋率。收縮變形與配筋率之間表現(xiàn)為負相關的關系，因此在該指標增大的情況下有助于抑制裂縫的形成。

（10）外加劑。目前，在襯砌混凝土中一般會添加一定量的外加劑，例如，塑化劑的添加能夠有效抑制收縮變形，繼而抑制裂縫的形成。但是在添加過多的情況下也會產生不利影響，可能會形成更多的裂縫。因此，對于外加劑應該合理使用，選擇合適的類型以及用量才能達到抑制裂縫的效果。

3.2 施工裂縫產生的原因

（1）施工操作。由于部分暗挖隧道二次襯砌施工所使用的模板支護形式存在缺陷，導致混凝土難以完全搗固，如果搗固質量不佳或未進行搗固，則必然導致顯著的收縮變形，繼而形成更多裂縫。實際工程中出現(xiàn)的隧道襯砌開裂現(xiàn)象往往與上述因素有關。

（2）混凝土質量把關不嚴?；炷辽a過程中存在較大的原料計量偏差，在混凝土運輸過程中添加水分，外加劑類型以及用量不合理，未及時對石料含水率進行調整等，均會影響混凝土的質量，繼而引發(fā)裂縫的形成。

（3）過度追求施工的進度，忽略了一些關鍵的施工工序。例如，脫模時間不合理或未進行潮濕養(yǎng)護，均會導致混凝土結構受損。

（4）澆筑過程中未進行充分振搗，影響混凝土的均勻性，進而導致施工裂縫的產生。

（5）隧道開挖成型不佳，存在超欠挖現(xiàn)象。該問題可能導致襯砌厚度存在顯著的變化，繼而影響襯砌收縮變形約束條件，從而導致裂縫的形成。如果隧道開挖成型相對較好，則形成襯砌裂縫的幾率較低。

（6）養(yǎng)護因素。不及時對新澆筑的混凝土進行灑水養(yǎng)護，甚至未進行養(yǎng)護，則一定時間之后會出現(xiàn)收縮變形，導致裂縫的形成。

（7）缺乏對溫度的控制。例如，冬季施工中未采用有效的保溫措施；夏季施工中存在砂、石料室外肆意放置，未進行降溫處理等，均會導致裂縫的形成。

4 混凝土裂縫預防控制措施

4.1 干縮和溫度裂縫預防控制措施

（1）建議采用合適的襯砌材料。具體包括以下幾個方面：水泥選擇應該優(yōu)先考慮細度較小與水化熱低的水泥材料用來拌和混凝土；對于采用的砂、石料等原料，需要保持較小的含沙量，有助于抑制收縮變形；選擇合適的骨料類型，例如使用花崗巖等類型的骨料，有助于抑制收縮變形；合理的采用膨脹劑，通過這種方式可以對混凝土收縮進行補償；采用一些有助于抑制收縮變形的添加劑，例如采用雙摻技術，將水泥用量控制在一定范圍內；適當采用粉煤灰，可有效提升混凝土的保水性和流動性，減少收縮變形。

（2）重視混凝土試配。針對最佳配比進行研究和設計，采用科學的指標進行評價分析，包括變形量、水化熱以及抗拉強度等。此外，建議盡可能降低水泥以及用水量，將坍落度控制在較低水平。

（3）科學設置后澆帶?？紤]具體的地質條件以及結構形式等，科學設置后澆帶，從而有效抑制收縮變形。

（4）除前述幾種措施之外，也可以適當采用其他措施。例如，某些位置的應力較高，可以適量配筋。

4.2 預防施工裂縫的控制措施

（1）建議針對施工方法以及工藝流程進行合理地設置，充分考慮可能導致的收縮變形問題，結合這些問題來避開容易誘發(fā)此類問題的施工方法。重視襯砌混凝土的養(yǎng)護工作，將濕度以及溫度等環(huán)境條件保持在適宜范圍內，有助于抑制早期收縮。盡可能使用機械搗固，提高搗固質量。

（2）針對開挖斷面進行監(jiān)測分析，采用科學的技術實時進行監(jiān)控，對于可能出現(xiàn)的超欠挖現(xiàn)象進行嚴格約束。

（3）脫模與養(yǎng)護。混凝土的脫模時間必須嚴格進行控制，在混凝土強度未達到設計、規(guī)范及施工方案所要求的拆模周期前，不得強行拆模，在遇到模板變形等特殊情況下，要采取有針對性的措施逐一完成脫模，不得強行用外力拆模；混凝土的養(yǎng)護應嚴格按照規(guī)范和施工方案執(zhí)行，灑水養(yǎng)護的周期和均勻程度應得到保證。必要時，可采用適量的養(yǎng)護液，在彌補傳統(tǒng)養(yǎng)護不足的同時提高混凝土的早期強度。

（4）混凝土拌合。計量時必須依據施工配料單，針對采用的計量設備進行校驗，確保準確性和穩(wěn)定性，合理設置拌合水量，水量過高或者過低均會產生不利影響；科學控制入模溫度，夏季施工時，澆筑工序可以在夜間或者溫度不高的條件下進行，針對一些碎石原料進行適當沖洗降溫，對砂石等原料以及設備設置遮陰，避免受到溫度過高的影響。

（5）二次襯砌施作必須選擇合適的時間，一般需要在圍巖以及支護變形處于穩(wěn)定狀態(tài)之后實施；如果圍巖存在顯著的變形，則應該強化初期支護后才可夠進行二次襯砌。

（6）結合溫度控制的要求采取相應措施。冬季設置必要的防寒措施；夏季合理控制溫度，避免溫度過高影響石料等。

5 結語

暗挖隧道襯砌形成裂縫是一種常見的缺陷，采用科學的工藝和參數能夠減少或延緩裂縫的形成。本文在研究裂縫產生的原因后，提出相應的措施，制定科學的預防策略，以期為類似暗挖隧道工程襯砌裂縫的預防與控制提供參考和借鑒。