隧道混凝土襯砌常見裂縫分析和防治措施

李永德

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司海外分公司，四川 成都 610093）

0 引言

襯砌是為防止圍巖變形或坍塌而在隧道洞身周圍修建的永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)，其在現(xiàn)代隧道工程中有著廣泛應(yīng)用，發(fā)揮著加強(qiáng)支護(hù)、優(yōu)化路線防排水系統(tǒng)、方便設(shè)置通訊與照明設(shè)施等作用。襯砌可以根據(jù)所使用原材料的不同進(jìn)行分類，如磚石、混凝土、片石混凝土、鋼筋混凝土、灌注混凝土等，而現(xiàn)代隧道工程中通常采用混凝土襯砌。不過在隧道工程中修建和使用混凝土襯砌時，可能受到多方面因素影響導(dǎo)致襯砌出現(xiàn)裂縫，而裂縫的產(chǎn)生輕則影響隧道的外觀，重則影響襯砌支護(hù)作用的發(fā)揮，甚至導(dǎo)致隧道發(fā)生坍塌事故。因此在實(shí)際施工過程中，一定要采取各種合理而有效的措施加強(qiáng)對隧道混凝土襯砌裂縫的預(yù)防。

1 隧道混凝土襯砌常見裂縫分析

1.1 剪切裂縫

剪切裂縫即混凝土襯砌結(jié)構(gòu)受剪切應(yīng)力作用而產(chǎn)生的裂縫。在隧道混凝土襯砌施工中，剪切裂縫主要出現(xiàn)在拱腰位置，往往呈現(xiàn)為縱向、斜向以及X型交叉等形狀。剪切裂縫的產(chǎn)生，通常是因?yàn)樗淼阑炷烈r砌施工過程中出現(xiàn)了偏壓、圍巖穩(wěn)定性差、承壓力偏小以及縱向沉降大等情況[1]。

1.2 拉裂縫

混凝土襯砌之所以容易產(chǎn)生拉裂縫，是因?yàn)榛炷磷陨砜估瓘?qiáng)度明顯低于抗壓強(qiáng)度，故而在受到較大壓應(yīng)力時襯砌通常不容易產(chǎn)生裂縫，而較大拉應(yīng)力則會導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。引起襯砌受到拉力的原因主要包括混凝土自身干縮、熱脹冷縮等，即與水分蒸發(fā)和溫度變化有關(guān)。由于水泥在水化過程中會產(chǎn)生大量熱量，使得混凝土內(nèi)部和表面之間會產(chǎn)生明顯的溫度差，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的拉裂縫。再加上混凝土本身抗拉強(qiáng)度明顯低于抗壓強(qiáng)度的特性，在外界氣溫較低的情況下降溫更容易導(dǎo)致混凝土襯砌產(chǎn)生明顯的環(huán)向裂縫與縱向裂縫；在外界溫度較高的情況下，溫度升高給結(jié)構(gòu)帶來的壓應(yīng)力往往不容易引發(fā)混凝土裂縫，即便出現(xiàn)裂縫也只是寬度較小的裂縫，不會對結(jié)構(gòu)外觀和穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響[2]。

1.3 彎曲受壓裂縫

隧道混凝土襯砌拱頂位置會承受較大的圍巖壓力，如果此位置襯砌背后圍巖存在超挖現(xiàn)象，未按規(guī)范要求回填密實(shí)，很容易因應(yīng)力集中而使襯砌結(jié)構(gòu)承受較大壓應(yīng)力而產(chǎn)生V型彎曲受壓裂縫，嚴(yán)重影響隧道整體的安全性和穩(wěn)定性，因此在隧道開挖過程中要通過光面爆破或者預(yù)裂爆破等方式嚴(yán)格控制好拱頂及周邊的超欠挖量。

1.4 施工縫

混凝土施工工藝選擇不當(dāng)，混凝土質(zhì)量不合格或者澆筑不連續(xù)等原因易產(chǎn)生施工縫。在施工過程中，如果出現(xiàn)停電、機(jī)械故障或混凝土供應(yīng)不及時等致使混凝土澆筑不連續(xù)、混凝土基礎(chǔ)表面鑿毛處理不到位、混凝土表面沒有鋪設(shè)水泥砂漿墊層等情況，都可能在混凝土接縫位置引發(fā)較為嚴(yán)重的裂縫，從而影響襯砌整體功能的發(fā)揮，減弱對圍巖的支護(hù)能力。

2 隧道混凝土襯砌裂縫的防治措施

2.1 提高設(shè)計質(zhì)量

科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計是保證隧道混凝土襯砌質(zhì)量、預(yù)防襯砌裂縫發(fā)生的重要因素[3]。在隧道工程設(shè)計階段，需要安排專人搜集詳盡的工程地質(zhì)資料，并深入現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地勘察，做好工程前期地質(zhì)調(diào)查工作，盡可能全面、準(zhǔn)確掌握工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等相關(guān)信息。在此基礎(chǔ)上還應(yīng)加強(qiáng)設(shè)計管理，將不同設(shè)計方案進(jìn)行綜合比選，確保最終選擇的設(shè)計方案最大程度與工程現(xiàn)場實(shí)際情況相符合，避免因襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)所導(dǎo)致的襯砌裂縫問題。此外，在襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計時還可參考類似隧道工程的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，合理確定設(shè)計參數(shù)，使結(jié)構(gòu)安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。對于一些地質(zhì)情況較復(fù)雜的隧道還可采用動態(tài)設(shè)計的理念，設(shè)計單位在隧道施工過程中派專人對圍巖實(shí)際情況進(jìn)行跟蹤調(diào)查、詳細(xì)記錄地質(zhì)信息，通過對已收集數(shù)據(jù)的整理和分析，若發(fā)現(xiàn)問題可針對部分設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使襯砌結(jié)構(gòu)受力更加合理，穩(wěn)定性更高，從而可以預(yù)防和減少襯砌裂縫等質(zhì)量問題的出現(xiàn)。

2.2 做好施工組織和管理

為了保障襯砌質(zhì)量，首先需要做好組織工作，項(xiàng)目部應(yīng)成立質(zhì)量管理小組。由項(xiàng)目經(jīng)理擔(dān)任組長，項(xiàng)目總工擔(dān)任副組長，副經(jīng)理、工程部長、質(zhì)檢工程師、技術(shù)主管等擔(dān)任組員，共同落實(shí)質(zhì)量管控工作。制定質(zhì)量管理制度和質(zhì)量管理手冊，劃分崗位職責(zé)，確保各小組成員的工作能夠落實(shí)到位。施工前應(yīng)由項(xiàng)目總工組織全體技術(shù)人員對施工圖紙及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行學(xué)習(xí)和交底，提高管理和技術(shù)人員的質(zhì)量意識，促進(jìn)質(zhì)量目標(biāo)的達(dá)成。另外，在開工前還應(yīng)編制隧道襯砌專項(xiàng)施工方案，并由總工批準(zhǔn)簽字后方可執(zhí)行。施工過程中質(zhì)量管理小組應(yīng)做好現(xiàn)場技術(shù)管理、質(zhì)量管理，開展地質(zhì)調(diào)查、收集相關(guān)數(shù)據(jù)，并對方案實(shí)施效果進(jìn)行反饋，及時發(fā)現(xiàn)問題，不定期進(jìn)行施工方案的改進(jìn)和優(yōu)化，確?；炷烈r砌施工質(zhì)量符合設(shè)計要求。

2.3 加強(qiáng)原材料控制

隧道混凝土襯砌的施工需要使用大量原材料，如水泥、碎石、砂、水、外加劑等。如果這些原材料的選擇不合理或者質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，會嚴(yán)重影響混凝土襯砌質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致襯砌裂縫的產(chǎn)生。施工企業(yè)需要全面加強(qiáng)原材料控制，務(wù)必要確保所有進(jìn)入現(xiàn)場的原材料在規(guī)格、質(zhì)量等方面完全符合設(shè)計及相關(guān)規(guī)范要求。首先是水泥，優(yōu)先選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，具體根據(jù)施工需要進(jìn)行合理選擇，使用的水泥要確保品牌、規(guī)格與批次相一致，不得進(jìn)行隨意混用，質(zhì)量不合格的水泥嚴(yán)禁入場[3]。其次是碎石，碎石的選擇主要考慮粒徑、含泥量以及針、片狀物含量，其中粒徑需要以滿足混凝土泵送要求為前提，盡可能選擇粒徑在5~31.5mm范圍內(nèi)的碎石；含泥量則通常不應(yīng)超過1%；針、片狀物含量則通常不超過15%。砂的選用應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮級配良好的中砂，而且細(xì)度模數(shù)應(yīng)控制在3.0以內(nèi)，含泥量不大于3%，另外粒徑不超過0.315mm的顆粒含量比例應(yīng)處于15%~20%范圍內(nèi)?；炷涟韬陀盟畠?yōu)先選擇飲用水，如果選用其他水源則需要確保pH值不低于4，用水量需要以水灰比控制在0.45~0.55之間為重要基準(zhǔn)。外加劑的選擇則需要根據(jù)實(shí)際施工情況，通過試驗(yàn)選擇最合適的品種以及摻量，如選用適量高效減水劑可以降低混凝土水化熱進(jìn)而減少因溫差過大而引發(fā)的裂縫。

2.4 強(qiáng)化混凝土施工管理

保證隧道混凝土襯砌施工質(zhì)量的重要基礎(chǔ)是科學(xué)合理的配合比設(shè)計。只有合理確定水灰比、水泥用量、砂率等，并在施工過程中嚴(yán)格按照既定配合比進(jìn)行操作，才能有效保障施工所需的混凝土質(zhì)量符合設(shè)計及規(guī)范要求。以實(shí)驗(yàn)室簽發(fā)的配料單作為標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場進(jìn)行合理配料，嚴(yán)格控制水泥、碎石、砂、水等的重量，并且要對拌和程序、拌和時間進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保拌和料的最終成品質(zhì)量符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求。為了避免出現(xiàn)溫度裂縫，需要對混凝土的入模溫度進(jìn)行有效控制，可以通過預(yù)冷骨料、設(shè)置遮陽物、灑水、加冰拌和等方式使混凝土溫度保持在合理的范圍內(nèi)。另外，在施工過程中需要加強(qiáng)澆筑倉面的控制，嚴(yán)禁于倉內(nèi)加水，而且每層澆筑層收倉都要保障足夠平整，以免出現(xiàn)臺階并在溫度較低的情況下產(chǎn)生裂縫。加強(qiáng)振搗管理，以免出現(xiàn)漏振、過振等現(xiàn)象，防止因?yàn)檎駬v不到位導(dǎo)致混凝土不密實(shí)而產(chǎn)生裂縫。在振搗混凝土?xí)r要遵循“快插慢提”的原則并進(jìn)行全過程觀察，直到混凝土表面不再出現(xiàn)氣泡且開始泛漿為止。如果在澆筑過程中因?yàn)橥ｋ?、機(jī)械設(shè)備等原因中斷，那么需要對間斷時間進(jìn)行記錄，盡量在允許間斷時間范圍內(nèi)恢復(fù)澆筑。如果超過了允許間斷時間，則需要采取措施加以處理，防止施工縫的產(chǎn)生。

在隧道混凝土襯砌澆筑完畢后，需要通過抹壓處理來保障混凝土表面平整并成型。二次抹壓需要在混凝土初凝之前，這樣能夠有效避免混凝土由于干縮、塑性收縮等原因而產(chǎn)生的裂縫，對表面裂縫的預(yù)防效果良好。另外，混凝土澆筑完畢后還需要做好養(yǎng)護(hù)工作。一般在澆筑結(jié)束12h后便可以開展養(yǎng)護(hù)工作，具體養(yǎng)護(hù)時間需要充分考慮氣溫、結(jié)構(gòu)部位等因素的影響，合理制定養(yǎng)護(hù)方案，利用覆蓋保水材料、噴灑養(yǎng)護(hù)劑等方式進(jìn)行有效養(yǎng)護(hù)，以免養(yǎng)護(hù)不足而引起混凝土干縮裂縫的產(chǎn)生。另外隧道混凝土襯砌施工應(yīng)當(dāng)合理控制拆模時間，拆模時間過早，混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計要求，若承受的圍巖壓力過大，會使襯砌結(jié)構(gòu)遭到破壞而產(chǎn)生拉裂縫，拆模時間過晚可能導(dǎo)致因混凝土表面水分缺失過多而產(chǎn)生收縮裂縫。如果外界氣溫較低，拆模后需要立即采取覆蓋等措施對混凝土進(jìn)行保溫，避免混凝土表面溫度驟降而產(chǎn)生裂縫。

2.5 襯砌裂縫自檢與治理

為了有效預(yù)防和治理隧道混凝土襯砌裂縫，應(yīng)對已施工完成和正在施工的隧道襯砌進(jìn)行全面自檢，及時發(fā)現(xiàn)存在的裂縫并進(jìn)行處理，對處理好的裂縫應(yīng)分析其形成原因、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)襯砌施工發(fā)揮指導(dǎo)作用，避免再次出現(xiàn)類似裂縫問題。

（1）對隧道襯砌進(jìn)行全面排查后應(yīng)對所有襯砌裂縫的具體位置、寬度、長度、深度以及走向等信息進(jìn)行詳細(xì)記錄并配以一定的文字描述，以便于后期處理工作的開展。

（2）聘請專業(yè)處理混凝土裂縫的施工隊(duì)伍，根據(jù)不同的裂縫類型，采用不同的方法逐條進(jìn)行處理。

（3）對處理后的襯砌裂縫進(jìn)行跟蹤觀測，若發(fā)現(xiàn)裂縫還在繼續(xù)發(fā)展則應(yīng)及時進(jìn)行二次處理，直至裂縫穩(wěn)定不再繼續(xù)發(fā)展延伸。混凝土襯砌裂縫的處理通?？梢圆扇∫韵氯N方法：

——表面覆蓋法。該方法主要適用于因混凝土內(nèi)外溫差過大、養(yǎng)護(hù)時間不足、拆模過早、混凝土水灰比過大等原因引起的微細(xì)裂縫（寬度小于0.2mm）。表面覆蓋法通常采用彈性涂膜防水材料如聚合物水泥膏、聚合物薄膜等進(jìn)行處理。治理時先用鋼絲刷將混凝土表面打毛，清除表面附著物，再用水沖洗干凈后充分干燥，然后用樹脂充填混凝土表面的氣孔，最后用修補(bǔ)材料涂覆表面。這種方法的缺點(diǎn)是修補(bǔ)工作無法深入到裂縫內(nèi)部，后期很難對裂縫的發(fā)展和延伸進(jìn)行跟蹤觀察。

——低壓注漿法。該方法主要適用于因變形縫未設(shè)置、施工縫處理不好、爆破振動、應(yīng)力集中等原因引起的寬度為0.2~0.3mm的襯砌混凝土裂縫修補(bǔ)。該方法的施工順序?yàn)榍謇砹芽p、試機(jī)、配置注漿液、壓力注漿、二次注漿和清理表面。如果裂縫數(shù)量較多，需要先在裂縫位置上貼醫(yī)用白膠布，再用窄毛刷沾漿液沿裂縫來回涂刷封縫，直至裂縫完全封閉。大約10min后，揭去膠布條，露出小縫，粘貼注漿嘴并將其周圍包嚴(yán)。漿液固化后注漿嘴周邊可能有裂口，此時必須反復(fù)用漿液補(bǔ)刷，以免注漿時出現(xiàn)漏漿。注漿操作一般在注漿嘴粘好后的第二天進(jìn)行，若外界氣溫較高注漿嘴周圍的漿液強(qiáng)度形成較快，可在12h后開始注漿。操作時先用補(bǔ)縫器吸取注漿液并插入注漿嘴，然后用手推動補(bǔ)縫器活塞，使?jié){液通過注漿嘴壓入裂縫，當(dāng)相鄰的嘴中連續(xù)流出漿液時，就可拔出補(bǔ)縫器，用鋁鉚釘將注漿嘴堵上。縱向裂縫一般從上端往下端注漿，水平裂縫一般從一端到另一端依次注漿。為了保證漿液填充滿裂縫，在注漿0.5h后可對每個注漿嘴再次補(bǔ)漿。

——開槽修補(bǔ)法。該方法主要適用于因圍巖條件差、施工進(jìn)度過快而支護(hù)不及時等原因?qū)е乱r砌結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力過大而引起的較寬裂縫（寬度超過0.5mm）。此類型裂縫的處理可采用10∶3∶12.5∶28的比例將環(huán)氧樹脂、聚硫橡膠、水泥、砂等拌勻，然后用少量丙酮將已拌好的砂漿稀釋到適中稠度，再將已拌好的改性環(huán)氧樹脂砂漿倒入已鑿好且洗凈吹干后的混凝土鑿槽內(nèi)進(jìn)行嵌入。從砂漿開始拌和到嵌入混凝土縫內(nèi)，一組砂漿的施工時間需30min左右。砂漿嵌入縫槽內(nèi)處理好后2h內(nèi)及時用毛氈、麻袋將改性環(huán)氧樹脂砂漿覆蓋，待完全初凝后開始噴水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不少于7d。

3 結(jié)束語

綜上可知，為了預(yù)防隧道混凝土襯砌產(chǎn)生裂縫，從工程設(shè)計階段開始，到施工準(zhǔn)備階段再到施工階段，都需要全面采取合理而有效的方法對各種混凝土襯砌裂縫進(jìn)行綜合化預(yù)防，盡量避免和減少裂縫產(chǎn)生，并在裂縫產(chǎn)生后及時采取科學(xué)合理的措施進(jìn)行處理，以免襯砌本身的質(zhì)量乃至隧道整體的質(zhì)量與安全受到影響。做好混凝土襯砌的裂縫預(yù)防工作可以促進(jìn)現(xiàn)代隧道工程質(zhì)量提升，為我國交通工程高質(zhì)量發(fā)展提供有力支持。