隧道二衬混凝土裂缝的成因分析和修补及预防

孟江峰

1 工程概况

子长环城西路强家梁隧道设计为双线两车道,全长1 765 m,里程K 0+380～K2+145,本隧道位于子长县西部,纵坡为2.5%,隧道主洞衬砌内轮廓为净宽10.0 m,拱高7.0 m的同心圆曲边墙结构。

2 隧道衬砌裂缝产生的原因

2.1 因环境、材料引起的裂缝

温度和湿度的变化、混凝土的脆性和不均匀性以及原材料的不合格(如碱骨料反应),酸、碱、盐等对构筑物的侵蚀都是造成衬砌混凝土产生裂缝的原因。混凝土硬化期间水泥放出大量水化热,内部温度不断上升,在表面引起拉应力。后期在降温过程中,由于受到基础或旧混凝土的约束,又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时,即会出现裂缝。另外温度裂缝的产生与二次衬砌混凝土的厚度及水泥的品种、用量及水灰比,骨料的大小和级配,外加剂品种和掺量有关。

2.2 因施工操作不规范引起的裂缝

隧道测量不精确,造成开挖断面净空不符合设计要求,出现超欠挖,造成初期支护喷射混凝土厚度不均匀或初期支护侵入衬砌限界以及衬砌混凝土背后存在空洞都是产生裂缝的直接原因。输送泵操作人员在泵送施工中精力不集中,没有时刻注意泵送压力表的读数,泵送混凝土速度选择很关键,操作人员不能一味地图快,有时欲速则不达。采用整体式钢模板台车施工,在泵送混凝土浇筑过程中,没有先两边窗口再中间窗口,而是先从中间窗口泵送混凝土且没有及时振捣,振捣或插入不当,漏振、过振或振捣棒抽撤过快,均会影响混凝土的密实性和均匀性,诱导裂缝的产生。泵送时,操作人员须随时观察料斗中的余料,严禁出现中途断料。对于停机时间过长已初凝的混凝土,继续浇筑混凝土时,原有的混凝土基础表面没有进行凿毛处理,或者凿毛后没有用水冲洗干净,也没有铺水泥砂浆垫层就在原混凝土表面浇筑混凝土,致使新旧混凝土接槎间出现裂缝。上次泵送完毕,管道未清洗干净,会造成下一次泵送时堵管及对混凝土强度带来影响以至于开裂。

2.3 因配合比不当引起的裂缝

配合比不当产生裂缝的主要原因有:1)粗细集料含泥量过大,造成混凝土收缩增大,诱导裂缝的产生。2)骨料粒径越细、针片含量越大,混凝土单方用灰量、用水量增多,收缩量增大。3)混凝土外加剂、掺合料选择不当,或掺量不当,对掺合料和外加剂的选用缺乏专业技术人员的指导。4)错误认为水泥用量越多,混凝土强度越高,水泥品种选择不当,安定性不良,不同批次的水泥混用。5)水泥等级及混凝土强度等级原因:水泥等级越高、细度越细、早强越高对混凝土开裂影响越大。混凝土设计强度等级越高,混凝土脆性越大、越易开裂。

3 隧道衬砌混凝土裂缝的修补方法

3.1 表面修补法

表面修补法是一种简单、常见的修补方法,它主要适用于稳定和对结构承载能力没有影响的表面裂缝以及深进裂缝的处理,表面修补法包括表面涂抹法和表面贴补法。表面涂抹法适用范围是浆液难以灌入的细而浅的不漏水不伸缩的裂缝以及不再活动的裂缝。通常的处理措施是在裂缝的表面涂抹水泥浆、环氧胶泥或在混凝土表面涂刷油漆、沥青等防腐材料。表面贴补法适用于大面积漏水(蜂窝麻面等或不易确定具体漏水位置、变形缝)的防渗堵漏,通常可以采用在裂缝的表面粘贴玻璃纤维布等措施。

3.2 填充法

填充法用修补材料直接填充裂缝,一般用来修补较宽的裂缝,作业简单,费用低。宽度小于0.3 mm,深度较浅的裂缝或是裂缝中有充填物,用灌浆法很难达到效果的裂缝以及小规模裂缝的简易处理可采取开V形槽,然后作填充处理。

3.3 灌浆、嵌缝封堵法

灌浆法应用范围广,从细微裂缝到大裂缝均可适用,处理效果好。利用压送设备(压力0.2 MPa～0.4 MPa)将胶结材料压入混凝土的裂缝中,胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体,从而起到封堵加固的目的。常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化学材料。该方法属传统方法,效果很好。也可利用弹性补缝器将注缝胶注入裂缝,不用电力,十分方便,效果好。嵌缝法通常是沿裂缝凿槽,在槽中嵌填塑性或刚性止水材料,以达到封闭裂缝的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡胶等等;常用的刚性止水材料为聚合物水泥砂浆。

4 隧道衬砌混凝土裂缝的预防控制

4.1 把好材料进场关,严格控制原材料的质量和技术标准

1)水泥。不同品牌、不同规格、不同批次的水泥不能混用。施工现场多使用普通硅酸盐水泥,但应尽量减少单位水泥用量。2)碎石。根据泵送管路的内径,尽可能选用较大粒径的碎石。严格控制含泥量不大于1%,针、片状物含量不大于15%,粒径以5 mm～31.5 mm为宜,最大不超过40 mm。3)砂。采用级配良好的中砂,细度模数应为2.3～3.0,粒径小于0.315 mm的颗粒含量所占比例宜为15%～20%,严格控制含泥量在3%以内。为方便混凝土的运输、泵送和浇筑,砂率取35%～45%。4)水。最好选用饮用水。5)外加剂。施工时必须慎重选择外加剂的品种和掺量,高效减水剂能够有效减少拌合用水,降低水化热,延缓水化热释放速度,从而减少温度裂缝,但掺量过多会引起混凝土的肿胀和开裂。

4.2 严格控制隧道各道施工操作,提高施工质量

1)加强隧道开挖断面检测,严格控制超欠挖,为后期衬砌施工创造良好的条件。2)在保证开挖断面成型满足设计要求的前提下,严把初期支护,不能让其喷射混凝土侵占二次衬砌净空,造成衬砌厚度不满足设计要求。3)仰拱及矮边墙施工前一定要把基底虚渣、杂物、积水清理干净,以避免成型后的混凝土出现不同程度的下沉及变形而影响后期二次衬砌的质量。4)二次衬砌施作时间,应在围岩和初期支护变形基本稳定时进行。当围岩变形较大、流变特性明显,需提前进行二次衬砌时,必须对初期支护或衬砌结构进行加强。5)二次衬砌混凝土灌注,全过程应有技术人员进行旁站,且严禁在运输和泵送过程中给混凝土加水。

4.3 混凝土配合比的控制及选用

1)严格按施工配料单计量,定期检查校正计量装置。加强砂石料含水率检测,及时调整拌和用水量。2)改善骨料级配,掺加粉煤灰或高效减水剂等来减少水泥用量,降低水化热。3)混凝土中掺加一定量的具有减水、增塑、缓凝等作用的外加剂,改善混凝土拌合物的流动性、保水性,降低水化热,推迟热峰的出现时间。4)控制混凝土的入模温度。夏季施工时,当气温高于32℃时,砂石料、搅拌机应搭设遮阳棚,用冷水冲洗碎石降温。尽量安排在夜间浇筑混凝土。

5 结语

裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象,它的出现不仅会降低隧道的抗渗能力及其使用功能,而且会引起钢筋的锈蚀,混凝土的碳化,降低材料的耐久性,影响隧道的承载能力,因此要对隧道衬砌混凝土裂缝进行认真研究,采用合理的方法进行处理。对混凝土使用中的裂缝及其耐久修补问题,我们要了解发生的机理,通过事前预防控制来减少隧道衬砌混凝土的裂缝发生,通过有效的事后补救来保持结构正常使用功能,并在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展;同时施工人员要认真负责,严格按规定要求施工,严把质量关,方能保证隧道安全、稳定地工作。

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