隧道鋼筋混凝土防開裂施工技術(shù)

（吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

摘要：由于現(xiàn)有的防開裂施工技術(shù)混凝土限制膨脹率高，強(qiáng)度低，裂縫現(xiàn)象嚴(yán)重，為此，開展隧道鋼筋混凝土防開裂施工技術(shù)研究。在隧道開挖前，搭建復(fù)拱鋼架支護(hù)，運(yùn)用噴射混凝土填塞縫隙。固結(jié)注漿初支圍巖，形成環(huán)向保護(hù)殼。隧道開挖后，洞內(nèi)反向填充，防止坍塌部位變形破壞，并噴射混凝土修復(fù)施工面。運(yùn)用逐榀環(huán)形掏槽預(yù)留核心土開挖，將填充材料填入裂縫中，提升混凝土襯砌承載能力。在施工過程中，用防水砂漿整平裂縫表面，定期養(yǎng)護(hù)。隧道竣工后，對(duì)裂縫襯砌斷面進(jìn)行安全性分析和等級(jí)判定。測(cè)試結(jié)果表明，在隧道施工28 d時(shí)，混凝土強(qiáng)度為45 MPa，限制膨脹率為0.045%，符合預(yù)期施工效果，裂縫現(xiàn)象得到較好緩解。

關(guān)鍵詞：隧道；鋼筋混凝土；防開裂；施工；襯砌斷面

中圖分類號(hào)：TU755.9" " " " " " " " 文獻(xiàn)識(shí)碼：A" " " " " 文章編號(hào)：

Anti-cracking construction technology of reinforced concrete tunnel

HE Tanqing，GAO Bing*，TIAN Yong，HU Yuanhong，HOU Yongqi

（School of Civil Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130118，China）

Abstract：Due to the high limited expansion rate， low strength and serious crack phenomenon of the existing anti-crack construction technology， the research on anti-crack construction technology of reinforced concrete in tunnel is carried out. Before the tunnel excavation， the steel frame support of the compound arch was built and the gaps were filled with shotcrete. The initial surrounding rock is consolidated to form a circumferential protective shell. After the excavation of the tunnel， the hole is reversed filled to prevent the deformation and damage of the collapsed part， and the construction surface is repaired by shotcrete. The core soil is reserved for excavation by one annular cut， and the filling material is filled into the crack to improve the bearing capacity of the concrete lining. In the construction process， the crack surface is levelled with waterproof mortar and maintained regularly. After the tunnel is completed， the safety analysis and grade judgment of the fracture lining section are carried out. The test results show that the concrete strength is 45 MPa and the limited expansion rate is 0.045% at the 28th day of tunnel construction， which is in line with the expected construction effect and the crack phenomenon is well alleviated.

Keywords： tunnel; reinforced concrete; anti-cracking; construction; lining section

0 引言

隧道是現(xiàn)代交通和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中重要的組成部分，而鋼筋混凝土襯砌則是隧道建設(shè)中必不可少的一項(xiàng)工程技術(shù)。鋼筋混凝土襯砌作為隧道圍巖的保護(hù)層，在保證隧道結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定的同時(shí)，還具備防止巖體風(fēng)化和水滲透等功能[1]。然而，在襯砌施工過程中，開裂問題常會(huì)對(duì)隧道的穩(wěn)定性和使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。

因此，實(shí)施有效的襯砌施工技術(shù)防止隧道鋼筋混凝土襯砌的開裂顯得至關(guān)重要。合理的施工技術(shù)和措施可以有效降低襯砌開裂的風(fēng)險(xiǎn)，確保隧道的結(jié)構(gòu)完整性和可持續(xù)性使用。隧道襯砌在使用過程中會(huì)受到各種力的作用，包括地表載荷、地震荷載以及車輛荷載等。這些作用力會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過了材料的抗拉強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致襯砌開裂。本文以隧道鋼筋混凝土防開裂施工技術(shù)為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)試與分析。通過對(duì)隧道鋼筋混凝土襯砌防開裂施工技術(shù)的研究和應(yīng)用，可以有效提高隧道襯砌的穩(wěn)定性和耐久性，延長隧道的使用壽命，同時(shí)降低運(yùn)營和維護(hù)成本。

1 防開裂施工技術(shù)

1.1 支護(hù)加固支撐

因?yàn)榛炷脸两颠^程速度較快，在收斂過程中容易發(fā)生形變，需要搭建復(fù)拱鋼架進(jìn)行表面支護(hù)[2]。設(shè)定固定支護(hù)緩解坍塌問題，提升穩(wěn)定性。由于拱頂沉降較小時(shí)，受力程度不同，初支護(hù)噴射混凝土發(fā)生形變，存在不同種類的形變現(xiàn)象。在復(fù)拱噴射混凝土?xí)r，如果沒有完整進(jìn)行貼合，就會(huì)出現(xiàn)縫隙。所以需要用噴射混凝土在縫隙中進(jìn)行填塞。在搭建支護(hù)完成后需要使用Φ17 mm 豎向連接鋼筋，將鋼架固定成一個(gè)整體，從而提升鋼架的承壓力度。添加一定的支路，并對(duì)其進(jìn)行焊接處理。處理樁孔平面布置如圖1所示。

對(duì)初支圍巖進(jìn)行固結(jié)注漿，形成環(huán)向保護(hù)殼。圍巖注漿能順利加固。開挖在距離標(biāo)準(zhǔn)線4.3 m處進(jìn)行注漿。注漿孔孔口選用梅花形進(jìn)行布設(shè)，兩側(cè)間距及橫向距離均設(shè)定為170 cm。孔口管材質(zhì)運(yùn)用70 cm，φ42 mm×51 mm的冷軋無縫鋼管。孔徑設(shè)計(jì)為φ50 mm，深度為370 cm，注漿孔與路基軸線夾角需要隨時(shí)調(diào)整。圍巖裂隙選用純水泥漿。注漿材料為水泥液漿，C：S=1：0.5，水泥漿水灰比0.5：1。將不同注漿段進(jìn)行劃分，并設(shè)定注漿順序，將不同的注漿施工過程進(jìn)行分割，對(duì)于同一排孔根據(jù)由上至下的順序進(jìn)行[3]。通常情況下，運(yùn)用打孔進(jìn)行注漿。當(dāng)成孔性能較弱時(shí)，應(yīng)分兩段完成。在初支開裂變形后，如果影響二襯施工時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換施工。在施工開槽前，為了防止因振動(dòng)導(dǎo)致的大量沉降，應(yīng)當(dāng)使用重力錘來鑿除鋼架兩側(cè)的噴射混凝土。預(yù)埋送漿管，選用C235混凝土完成回填，整體回填高度至拱頂6 m為止。這樣在后期開挖過程中，能夠保證施工洞結(jié)構(gòu)的安全[4]。送漿回填需要在管理施工完成后進(jìn)行，或者在二襯澆筑前進(jìn)行。由于塌方段會(huì)出現(xiàn)難以施工的情況，長度不均勻?qū)е聼o效對(duì)超前管棚進(jìn)行合理施工。需要在塌方段內(nèi)進(jìn)行超前支護(hù)。運(yùn)用108根管，在拱部選取120°的角度范圍進(jìn)行施工作業(yè)，管長度為2 m。由于存在塌方段長度問題，超前加固的長度通常為87 m，施工過程中需要進(jìn)行分段處理，運(yùn)用多層小導(dǎo)管沉淀開挖。

變形段經(jīng)常會(huì)發(fā)生支護(hù)混凝土開裂情況，使得混凝土沉降量增加，為了防止初期支護(hù)發(fā)生坍塌，需要對(duì)其進(jìn)行加固。在變形初期，選用復(fù)拱鋼架進(jìn)行支護(hù)，在圍巖外完成注漿，阻止變形發(fā)展。為確保變形換拱段施工安全，通常使用回填洞的方法，對(duì)兩側(cè)初支進(jìn)行加固，并保證施工環(huán)境的安全性。在施工過程中，不斷循環(huán)行檢查并加固。第一榀失效鋼架，寬度略大。每鑿除一單元后，需要及時(shí)對(duì)下一單元進(jìn)行施工[5]。進(jìn)行第二榀施工時(shí)，鑿除寬度需要設(shè)定在兩者范圍內(nèi)進(jìn)行。鑿除時(shí)必須使用設(shè)備在小部分分段工作，不能繼續(xù)做其他處理。直到新?lián)Q拱架完成安裝后，需要及時(shí)對(duì)底部進(jìn)行鎖定。通過橫向連接鋼筋的形式穩(wěn)定，鎖定桿選用Φ25 mm R155G2鋼筋，間隔長度為5 m，噴射混凝土采用C25的混凝土進(jìn)行處理，并使用特殊材料進(jìn)行增強(qiáng)。

為了增加施工過程中的安全性，初支護(hù)坍塌后，需要等待塌腔圍巖趨于穩(wěn)定時(shí)，才能繼續(xù)進(jìn)行施工。在洞內(nèi)反向填充過程中，需要控制坍塌點(diǎn)施工，防止發(fā)生破壞牽引，并噴射混凝土修復(fù)施工面。在施工過程中注重施工質(zhì)量，防止坍塌面不斷增加，并為施工提供相對(duì)安全的工作環(huán)境。在薄膜上鋪上一層毯子，不斷進(jìn)行濕潤處理。使得混凝土底板保持相對(duì)濕潤以提升底板的養(yǎng)護(hù)效果。考慮到施工成本，按照施工所需流程在隧洞的養(yǎng)護(hù)過程中，運(yùn)用支撐螺栓進(jìn)行支護(hù)，將使混凝土與支護(hù)之間存在一定的縫隙。向縫隙中澆水，并增加拆模時(shí)間。在模板拆除后，運(yùn)用敷貼薄膜法對(duì)其進(jìn)行定期養(yǎng)護(hù)。設(shè)定養(yǎng)護(hù)時(shí)間為30 d。

1.2 二次襯砌加固

隧道開挖過程中，需要預(yù)留30 cm，運(yùn)用逐榀環(huán)形掏槽進(jìn)行預(yù)留，并對(duì)其進(jìn)行開挖[6]。在此過程中，要對(duì)子面進(jìn)行噴射混凝土封閉，在初支護(hù)搭建完成后清掃周圍坍渣，并運(yùn)用注漿小導(dǎo)管進(jìn)行加固[7]。運(yùn)用C35抗壓混凝土，支護(hù)為117b的工字鋼，間距0.75 m/榀。預(yù)留變形的范圍要求在70 cm±0.5 cm，鋼筋混凝土二襯厚度為78 cm。由于該段填方隧洞頂部施工完成，結(jié)構(gòu)層沒有具體被影響，但是沉降產(chǎn)生的裂縫會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)形變。將該段路面瀝青混凝土表面進(jìn)行清掃，清除不同材料留下的碎石等。根據(jù)裂縫寬度，在0.87 mm處存在大量剪切錯(cuò)動(dòng)，甚至發(fā)生滲水問題。裂縫分布較多，原襯砌結(jié)構(gòu)不能及時(shí)進(jìn)行運(yùn)用[8]。需要將填充材料填入裂縫當(dāng)中，提升混凝土襯砌承載能力。使用的填充材料通常為水泥砂漿，填充時(shí)，按照裂縫走向鑿出一個(gè)內(nèi)口較大的楔形槽，寬度為5 cm，深度由裂縫深度決定。通常深度為8 cm。用清理設(shè)備對(duì)縫內(nèi)浮塵和碎石進(jìn)行清掃，使得縫內(nèi)整潔。用底膠在槽周圍及下面不斷涂抹0.75 mm厚的材料并搗固密實(shí)。在水泥材料石塊與瀝青混凝土面層中間安置兩層玻璃材質(zhì)格柵，并再次鋪筑瀝青混凝土面層[9]。同時(shí)，保證在施工現(xiàn)場中混凝土材料的平整度?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)置對(duì)應(yīng)構(gòu)件，選取長度為700 mm，寬度為1 777 mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸板材，選擇74 mm×80 mm的杉木格子固定。在拆模過程中，使用的混凝土強(qiáng)度要求在5 MPa以上?；炷恋臐仓囟瓤刂圃?℃～18℃。一次澆筑的長度為5 m，高度為5.6 m，厚度為0.35 m。選用整體性水平分層布料。從首端開始，按照相同的厚度進(jìn)行澆筑，在澆筑過程中需要不斷進(jìn)行振搗，等到頂部全部澆筑完成后，再進(jìn)行下次澆筑。由于澆筑過程中沒有產(chǎn)生上層混凝土傾斜或者坍落等情況，所以表現(xiàn)出較好的澆筑效果。在振搗過程中要注意混凝土跑漿現(xiàn)象，提升混凝土的緊密度。根據(jù)頂部厚度計(jì)算澆筑過程中需要的混凝土方量，規(guī)定布料速度，控制施工中布料厚度。用防水砂漿材料整平裂縫表面，定期完成養(yǎng)護(hù)。運(yùn)用膨脹混凝土對(duì)部分開裂處進(jìn)行防治，可加入適量的聚丙烯纖維及添加劑，以提升混凝土的防水性能，從而延緩開裂。通過對(duì)隧道的安全性評(píng)價(jià)，判定裂縫所在襯砌等級(jí)，分析得到裂縫處的襯砌混凝土彈性模量材料參數(shù)（見表1）。

通過對(duì)裂縫進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)襯砌斷面進(jìn)行安全性分析，判斷施工裂縫的安全狀態(tài)，并調(diào)整結(jié)構(gòu)受力需求。將測(cè)量裂縫進(jìn)行相關(guān)等級(jí)判定。對(duì)于評(píng)定等級(jí)為A類的裂縫，寬度較小時(shí)，不做任何處理，運(yùn)用涂抹添加劑完成防治。等級(jí)為B類的裂縫，用鑿槽填充法完成防治[10]。等級(jí)為C類，寬度為7 mm的裂縫，通常用碳纖加固。評(píng)定為D類，寬度為10 mm的裂縫，運(yùn)用套襯加固法進(jìn)行注漿后實(shí)施防治[11]。如果襯砌開裂程度大，甚至影響結(jié)構(gòu)正常使用時(shí)，可以進(jìn)行拆除重新加固。

2 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證混凝土防開裂技術(shù)的應(yīng)用效果，對(duì)施工試驗(yàn)段進(jìn)行檢測(cè)。在施工過程中，預(yù)埋應(yīng)變測(cè)量儀和傳感器，使用接收裝置對(duì)測(cè)量儀傳輸?shù)臏y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并做相應(yīng)處理。在拱頂混凝土中安裝檢測(cè)裝置后，對(duì)應(yīng)變參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，計(jì)算得到其混凝土的抗壓強(qiáng)度。預(yù)期目標(biāo)為施工28 d時(shí)，混凝土強(qiáng)度在50 MPa以內(nèi)，限制膨脹率lt;0.050%。

2.1 工程概況

某高速隧道K430+12+250～K430+123為施工路段。該施工區(qū)域地面標(biāo)高為5.0 m～6.0 m，施工區(qū)域內(nèi)地勢(shì)相對(duì)平坦，沒有明顯的高低起伏，隧道區(qū)間線路整體為南北走向。該隧道是一條上下行分離的雙洞隧道，由山嶺重丘區(qū)高速公路的一部分組成。隧道的左右洞室凈距大部分在25 m左右。左線隧道長為1 345 m，右線隧道長為1 622 m。設(shè)計(jì)的行車速度為80 km/h。隧道的凈開挖面積范圍為84.6 ㎡～102.57 ㎡。隧道的平面位于直線、圓曲線的組合曲線上。隧道所處地形為構(gòu)造侵蝕、溶蝕峰叢槽谷、峽谷及峰叢洼地中山地貌區(qū)。沿線地勢(shì)陡峻，地形起伏較大，沖溝發(fā)育。需要注意的是，該隧道的進(jìn)出口地形陡峻，與橋梁相連，施工場地狹窄。工程的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，存在巖溶發(fā)育的情況，局部地段可能會(huì)產(chǎn)生突水、突泥、坍塌等不良地質(zhì)災(zāi)害。

在混凝土的運(yùn)輸過程中，應(yīng)按照運(yùn)輸距離和所應(yīng)用的設(shè)備情況，根據(jù)攪拌過程中提供的環(huán)境做到調(diào)度規(guī)劃。要嚴(yán)格遵守混凝土工程澆筑的要求。在運(yùn)輸時(shí)需使用專用的混凝土攪拌設(shè)備，運(yùn)輸?shù)能囕v需要增設(shè)必要措施，防止出現(xiàn)輪胎打滑現(xiàn)象。在施工過程中，混凝土的溫度為8 ℃，在地表溫度較高時(shí)，需要明確施工時(shí)間。將具體施工時(shí)間安排在晚上。對(duì)混凝土進(jìn)行澆筑過程中要加設(shè)大量照明設(shè)備。在混凝土運(yùn)輸時(shí)，坍落度要有實(shí)際設(shè)置。防止因損失嚴(yán)重而無法完成澆筑的情況發(fā)生。在不影響混凝土強(qiáng)度的條件下，在混凝土攪拌時(shí)要加入適量的強(qiáng)度的緩凝劑。同時(shí)，不能對(duì)混凝土進(jìn)行注水混合?；炷翝仓r(shí)，要進(jìn)行貼膜養(yǎng)護(hù)。在大體積混凝土拆模后，向混凝土表面灑水，保證混凝土表面能夠長期濕潤。在表面敷貼塑料薄膜，使得水分能在塑料薄膜中存儲(chǔ)，當(dāng)薄膜內(nèi)混凝土的水分干燥后再進(jìn)行補(bǔ)水。對(duì)于水平混凝土構(gòu)件運(yùn)用灑水方式，對(duì)于垂直構(gòu)件則配合噴射涂養(yǎng)護(hù)液進(jìn)行。運(yùn)用二維平面應(yīng)變模型對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體單元模擬。添加頂部上下兩端的約束，得到隨著溫度升高，隧洞頂部混凝土發(fā)生應(yīng)變程度結(jié)果。

2.2 結(jié)果與分析

將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)繪制成隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)變-時(shí)間曲線（見圖2）。

由圖2得出，混凝土在22 h達(dá)到最大應(yīng)變，此時(shí)混凝土中心溫度為50 ℃，經(jīng)過傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)每隔1 h溫度就會(huì)增加3 ℃。由于在300 h時(shí)，應(yīng)變程度較之前變低，說明此時(shí)混凝土內(nèi)部降溫速度變快，在一定程度上緩解了溫度下降速度慢的問題?；炷恋呐蛎泟?shì)能得到應(yīng)用，能在一定范圍內(nèi)縮小混凝土發(fā)生開裂的可能。當(dāng)?shù)鹊?0 h時(shí)，混凝土應(yīng)變下降至270.5 μ，70 h應(yīng)變的速度逐漸趨于平穩(wěn)，勢(shì)能繼續(xù)發(fā)揮中。

測(cè)試現(xiàn)場混凝土抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算得到限制膨脹率，與正常施工技術(shù)進(jìn)行對(duì)比情況見表2。

由表中結(jié)果可知，在第28 d時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度為45 MPa，限制膨脹率在0.045%，符合預(yù)期效果，使得抗壓強(qiáng)度能達(dá)到C30。同時(shí)，混凝土處于收縮補(bǔ)償態(tài)勢(shì)，減輕了混凝土產(chǎn)生裂縫的情況。較正常施工技術(shù)下的抗壓強(qiáng)度38 MPa和限制膨脹率0.048%，具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，從混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果可知，測(cè)試段拱頂出現(xiàn)裂縫的情況能夠得到有效緩解。在施工過程中，混凝土開裂后，由于鋼筋沒有混凝土的保護(hù)，在空氣中會(huì)發(fā)生腐蝕等問題，這樣就會(huì)使得裂縫越來越大。混凝土出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致作用截面較小，抗拉強(qiáng)度降低。結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞后，運(yùn)用本文方法可以防止隧道工程中混凝土產(chǎn)生裂縫。通過對(duì)混凝土的澆筑與養(yǎng)護(hù)，加強(qiáng)對(duì)鋼筋防腐能力的提升，增強(qiáng)混凝土的耐久力。運(yùn)用抗裂防水方式提升混凝土內(nèi)部的緊密程度，達(dá)到較好的施工效果。

3 結(jié)語

通過對(duì)混凝土防開裂施工技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新，提高了鋼筋混凝土材料的利用率，保證了成型后混凝土的質(zhì)量。同時(shí)提升了施工速度，保證了隧道工程的安全施工。但該設(shè)計(jì)還存在不足之處，如工期分配不合理、節(jié)約施工成本等。今后在研究中，為保證工程項(xiàng)目施工質(zhì)量，應(yīng)在不同方向的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行防開裂施工技術(shù)應(yīng)用，對(duì)提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性加以要求，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。在施工過程中通過減少施工誤差，加強(qiáng)施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)更高效、安全的隧道鋼筋混凝土防開裂施工技術(shù)施工。

參 考 文 獻(xiàn)

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編輯：楊洋

作者簡介：賀榃清，男，1997，漢族，重慶市，在讀碩士，在讀研究生，研究方向：防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程

通訊作者：高兵，1971年，男，漢，吉林省長春市，博士，副教授，研究方向：建筑施工技術(shù)、工程項(xiàng)目管理等

聯(lián)系方式：吉林長春市南關(guān)區(qū)永興街道新城大街5088號(hào)吉林建筑大學(xué)，13883413550

作者簡介：賀榃清（1997～），男，重慶市人，碩士研究生，研究方向：防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程。

*通信作者：高 兵（1971～），男，吉林省長春市人，副教授，博士，研究方向：建筑施工技術(shù)、工程項(xiàng)目管理等。