山岭隧道衬砌混凝土裂缝产生原因和防治措施

郝新宝

近几年来，随着中国经济的高速发展，尤其在山西省，新建和拟建的高速公路工程项目多数处在山岭重丘区，隧道工程占有很大比例。山岭隧道的二次衬砌施工普遍采用液压整体式钢模板台车、泵送混凝土的施工工艺，但混凝土硬化过程中不可避免产生的收缩裂缝不仅影响了整体美观，还给工程安全、质量留下了较大隐患。在施工过程中必须采取有效的工艺措施和养护措施来控制和减少混凝土中裂缝的数量和宽度。本文结合忻保高速公路的南长房分离式隧道二衬混凝土的施工过程，分析了衬砌混凝土裂缝的原因，提出了预防裂缝产生的措施和治理方法。

1 南长房隧道工程概况

1.1 工程简介

忻保高速L6合同段南长房隧道为分离式隧道，单幅总长498 m:其中左线隧道长253 m，处在 R=1 450曲线上，进口桩号LK33+090，设计标高1 280.72 m，出口桩号LK33+343，设计标高 1 285.53 m，路面纵坡1.9%;右线隧道长245 m，处在 R=1 350曲线上，进口桩号K33+085，设计标高1 277.48 m，出口桩号K33+330，设计标高1 283.57 m，路面纵坡2.488%。隧道进口洞门为端墙式洞门，左线出口为削竹式洞门、右线出口为端墙式洞门，进、出端衬砌按明洞、Ⅴ级浅埋加强、Ⅴ级浅埋设计，中间衬砌按Ⅳ级，Ⅲ级设计。

1.2 工程气象、水文、地质情况

本隧道位于云中山隆起区，隧址区属半干旱大陆季风性气候区。夏短冬长，四季分明，1月平均气温-15.1℃，7月平均气温23℃，年平均气温8℃，极端最低气温-31℃，极端最高气温39℃。年均降水量 462.5 mm，降水多集中在 7月～9月，区冻结期始于 11月上旬，解冻期为 3月中旬，最大冻土深度150 cm，地下水主要为基岩裂隙水，水量贫乏。该隧道隧址区地表均基岩裸露，坡脚处为全风化的褐黄色花岗岩，其余部分多为灰白色的强风化花岗岩。进口坡度 27°～ 28°，坡面产状 130°∠28°，主要发育两组节理，坡体主要为花岗岩;出口坡度 25°～ 35°，坡面产状 310°∠30°，主要发育两组节理，坡体主要为花岗岩。地形起伏较大，表层覆有全风化、强风化花岗岩，自然斜坡稳定。基岩岩性为太古界花岗岩，花岗结构，块状构造，主要成分为石英、长石及云母等;洞口段围岩较破碎，为全风化、强风化花岗岩，围岩稳定性差，侧壁易小坍塌，主要为Ⅳ级，Ⅴ级围岩;洞内为弱风化花岗岩，节理裂隙较发育，围岩稳定性较好，主要为Ⅲ级围岩。

2 混凝土裂缝的类型

1)施工缝(接槎缝)。施工过程中由于停电、机械故障等原因迫使混凝土浇筑中断时间超过混凝土的初凝时间，继续浇筑混凝土时，因施工人员没有经验，原有的混凝土表面没有进行凿毛处理，或者凿毛后没有用水冲洗干净，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。2)温度裂缝。水泥水化过程中产生大量的热量，在混凝土内部和表面间形成温度梯度而产生应力，当温度应力超过混凝土内外的约束力时，就会产生温度裂缝。裂缝宽度冬季较宽，夏季较窄。温度裂缝的产生与二次衬砌混凝土的厚度及水泥的品种、用量有关。3)干缩裂缝。混凝土在硬化过程中水分逐渐蒸发散失，没有及时洒水养生，混凝土中的胶结体因干燥收缩产生变形，变形产生应力，当应力值超过混凝土的极限抗拉强度时，就会出现干缩裂缝。干缩裂缝表现为表面性的，走向没有规律。影响混凝土干缩裂缝的因素主要有:水泥品种、用量及水灰比，骨料的大小和级配，外加剂品种和掺量。

3 裂缝形成的原因分析

1)设计粗糙，建设、监理单位工作随意性大。由于客观和主观方面的原因，勘察设计单位无法提供详细的地质勘探资料，隧道围岩级别评价及支护结构设计缺乏可靠的科学数据分析，带有很大的片面性。且在隧道施工过程中，由于围岩的多变性，不能准确地评价围岩级别，提供合理的支护结构，随着建筑市场的不断规范和技术人员技术水平的不断提高，这些问题会逐步得到解决。

2)施工工艺或现场操作不规范。a.隧道开挖成型差，衬砌混凝土厚度严重不均匀;欠挖或初期支护侵入衬砌界限，造成衬砌混凝土厚度不足。个别隧道衬砌混凝土背后存在空洞现象。b.未及时开展监控量测工作，仅凭施工经验来确定二次衬砌的施作时间，安全可靠性差，造成二次衬砌承受围岩的压力超过设计荷载。c.混凝土拌和时原材料计量误差大，尤其外加剂的掺加随意性大，没有根据砂、石料的实际含水率及时调整施工用水量，造成混凝土水灰比增大。在混凝土运输及泵送过程中存在加水的现象。d.采用液压整体式钢模板台车施工，混凝土浇筑时振捣不及时或局部漏振，造成混凝土均质性差。e.施工过程中追求进度，不按规范要求时间提前脱模，使低强度混凝土过量承受荷载，破坏了混凝土结构。脱模后没有及时进行混凝土的养护。f.夏季施工时砂、石料露天堆放，无切实有效的降温措施，混凝土入模温度高。冬季施工时采取的防寒保温措施不能满足冬季施工要求。

3)原材料质量差、配合比设计不合理。不同品种的水泥，不同批次的水泥混用。碎石、砂级配差，含泥量超标，碎石中石粉含量大，针、片状物过多，影响了水泥与骨料的胶结。进行配合比设计时，忽视水泥用量增多对混凝土品质的影响，错误认为水泥用量越多，混凝土强度越高。对掺合料和外加剂的选用缺乏专业技术人员的指导，往往达不到预期的效果。

4 混凝土裂缝的治理

1)细微裂缝。从美观考虑，可先清洗干净裂缝表面，然后涂刷环氧树脂浆液2遍～3遍，最后用刮抹料、调色料处理混凝土表面，使其颜色与周围衬砌混凝土颜色一致。环氧树脂浆液配比:环氧树脂∶501稀释剂∶二甲苯∶乙二胺=1∶0.2∶0.35∶0.08。刮抹料配比:水泥∶细砂∶水=1∶2∶0.35。调色料配比:水泥∶白水泥∶107胶=5∶3∶1。施工时应经试验确定。2)贯通性裂缝。沿裂缝方向凿成宽5 cm、深3 cm的V形槽，在槽内骑缝每隔0.5 m钻一孔，孔深为衬砌厚度的1/2或2/3，一般不少于15 cm，并不得穿透衬砌以防跑浆。用清水冲洗干净槽内的杂物及粉尘，在孔内插入φ 10的压浆管，利用环氧树脂水泥砂浆锚固，用灰刀将砂浆压实抹光。环氧树脂砂浆配比:环氧树脂∶水泥∶细砂∶乙二胺∶二丁酯=1∶1.6∶3.2∶0.1∶0.12，其中乙二胺是固化剂，二丁酯是稀释剂。待环氧树脂砂浆有一定的强度后，以0.15 MPa～0.2 MPa压力压入水泥—水玻璃浆液或环氧树脂浆液。压浆结束后在0.2 MPa压力下压水检查压浆效果。裂缝表面用刮抹料和调色料处理。3)密集裂缝。沿裂缝两侧每隔1.2 m～1.5 m交错布点，凿成10 cm×10 cm大小、深5 cm的方槽，用风动凿岩机钻孔，孔深 3 m，安装WDT25中空注浆锚杆，注入水泥砂浆，灰砂比1∶(3～5)，水灰比1∶1，施工时由下往上逐级注浆，注浆压力以0.4 MPa～0.6 MPa为宜。注浆结束后，另凿新孔在0.6 MPa～1.0 MPa压力下压入纯水泥浆检查注浆效果，当达到规定压力而砂浆压不进时，即认为已经注满。注浆24 h后安装锚杆垫板，用环氧树脂砂浆抹平方槽，表面用刮抹料和调色料处理。

5 预防或缓解混凝土裂缝的措施

5.1 提高设计精度

加强工程前期地质工作，为设计提供详尽的工程地质、水文地质勘探资料，提高设计的质量。

5.2 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。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。当采用其他水源时，应按国家现行JGJ 63混凝土拌合用水标准的规定进行检验，pH值应大于4。5)掺合料。二衬混凝土采用高性能混凝土浇筑，掺加粉煤灰、硅粉膨胀剂等量替代水泥，以减少水泥用量。6)外加剂。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。

5.3 严格混凝土施工工艺

1)提高钻眼技术水平，优化钻爆参数，提高光面爆破效果，加强隧道开挖断面检测，严格控制超欠挖，为衬砌施工创造良好的条件。2)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。3)混凝土的拌和。a.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。b.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。4)混凝土的灌注。a.混凝土在运输和泵送过程中严禁加水。b.适当放慢灌注速度，两侧边墙对称分层灌注，到墙、拱交界处停1 h～1.5 h，待边墙混凝土下沉稳定后，再灌注拱部混凝土。c.混凝土灌注过程中必须振捣，提高混凝土的密实度和均质性，减少内部微裂缝和气孔，提高抗裂性。5)混凝土的脱模、养护。a.混凝土拆模时的强度必须符合设计或规范要求，严禁未经试验人员同意提前脱模，脱模时不得损伤混凝土。b.传统的混凝土洒水养护方法，增加了隧道内的文明施工难度，洒水也不均匀，使混凝土早期强度得不到保证。建议使用喷涂混凝土养护液的方法进行养护。

6 结语

混凝土结构应针对裂缝产生的主要原因，贯彻预防为主的原则，加强设计施工及使用等方面的管理，确保结构安全和避免不必要的损失。一旦产生裂缝，应查明原因，分析裂缝的类型，选择最合理的修补方法，使施工方便，经济高效。

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