隧洞衬砌混凝土裂缝的成因与防治

王少波

（怀化市水利电力勘测设计研究院 怀化市418000）

随着国民经济的发展，国家对水利事业大量资金的投入，隧洞工程所占的比例逐步增大。但混凝土硬化过程中产生的裂缝不仅影响了美观，还给工程质量留下了隐患。施工中必须采取合理的工程技术措施，控制和减少混凝土裂缝的数量和宽度。

1 裂缝的类型

隧洞衬砌混凝土裂缝类型主要有：干缩裂缝、温度裂缝、外荷载作用产生的变形裂缝、施工缝处理不当引起的接茬缝等。

（1）干缩裂缝。

混凝土在硬化过程中水分逐渐蒸发散失，使水泥石中的凝结胶体干燥收缩产生变形，由于受到围岩和模板的约束，变形产生应力，当应力值超过混凝土的抗拉强度时，就会出现干缩裂缝。干缩裂缝多为表面性的，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。

（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）荷载变形裂缝

仰拱和边墙基础的虚碴未清理干净，混凝土浇筑后，基底产生不均匀沉降；模板台车或堵头板没有固定牢固，以及过早脱模，或脱模时混凝土受到较大的外力撞击等都容易产生变形裂缝。荷载变形裂缝在隧洞衬砌混凝土病害中占有的比例逐年增大，已经引起了广大工程技术人员的重视。

（4）施工缝（接茬缝）。

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，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，致使新旧混凝土接茬间出现裂缝。

2 裂缝形成的原因分析

混凝土裂缝形成的原因非常复杂，往往是多种不利因素综合作用的结果。据有关统计，施工不规范造成的混凝土裂缝占80%左右,材料质量差或配合比不合理产生的裂缝占15%左右,设计不当引起的裂缝可能占5%。

（1）设计粗糙，建设、监理单位工作随意性大。

由于多方面的原因，勘察设计单位无法深入地开展地质勘探工作，隧洞围岩类别评价及支护结构设计缺乏科学依据，带有一定的盲目性。个别建设单位限于自身管理和专业技术水平的欠缺，任意变更原设计。少数工程由业主的内部人员组成监理机构，监理工作失去了独立性。随着建筑市场的规范，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、隧洞开挖成型差，衬砌混凝土厚度严重不均匀；欠挖或初期支护侵入衬砌限界，造成衬砌混凝土厚度不足。个别隧洞衬砌混凝土背后存在脱空现象。

b、未开展监控量测工作，仅凭经验来确定二次衬砌的施作时间，安全可靠性差，造成二次衬砌超设计荷载承受围岩压力。

c、混凝土生产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加水的现象也比较普遍。

d、采用整体式钢模板台车施工，混凝土浇筑时不振捣或漏振，混凝土均质性差。

e、盲目追求施工进度，随意提前脱模时间，使低强度混凝土过量承受荷载，破坏了混凝土结构。脱模后没有进行混凝土的潮湿养护。

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。冬期施工时采取的防寒保温措施不力。

（3）原材料质量差、配合比设计不合理。

水泥品种选择不当，安定性不良，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。

3 混凝土裂缝的治理

混凝土作为多组材料组成的脆性材料，裂缝的存在是客观的。作为施工单位应加强衬砌混凝土的施工管理，避免或减少混凝土裂缝的产生。对于出现的裂缝，应认真分析原因，分清是有害裂缝还是无害裂缝，并对有害裂缝进行处理，防止裂缝继续发展，影响衬砌结构的稳定。

3.1 细微裂缝

隧洞衬砌混凝土表面常出现一些没有扩展性的细微裂缝，这种裂缝是稳定的，一般可自愈，不会影响结构的使用和耐久性。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2～3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。

3.2 贯通性裂缝

贯通性裂缝的危害较大，必须采取有效的治理方法。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Φ10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（0.15～0.2）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。

3.3 密集裂缝

衬砌背后有空洞或衬砌厚度不足引起的密集裂缝,必须进行防水和地层加固处理。沿裂缝两侧每隔（1.2～1.5）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（0.4～0.6）MPa为宜。注浆结束后，另凿新孔在（0.6～1.0）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。

4 预防或缓解混凝土裂缝的措施

（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。

（2）把好材料进场关，严格控制原材料的质量和技术标准。

a、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。不同品牌、不同规格、不同批次的水泥不能混用。

b、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≤1%，针、片状物含量≤15%，粒径以（5～31.5）mm为宜，最大不超过40 mm。

c、砂：采用级配良好的中砂，细度模数应为3.0～2.3，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%。

d、水：最好选用饮用水。当采用其他水源时，应按国家现行《砼拌合用水标准》（JGJ 63）的规定进行检验，pH值应大于4。水灰比越大，混凝土的干燥收缩越大。严格控制泵送混凝土的用水量是减少裂缝的根本措施。施工中水灰比在（0.45～0.55）之间，混凝土入泵塌落度控制在（12±2）cm。

e、掺合料：推广掺加粉煤灰和膨胀剂的双掺技术，等量替代水泥，以减少水泥用量。对强度等级C25以下的混凝土，粉煤灰掺量一般为水泥用量的10%～15%，膨胀剂掺量为水泥用量的8%～12%，具体掺量需经试验确定：

●粉煤灰比表面积小，需水量低，不仅能有效降低混凝土的干燥收缩值，还可以改善混凝土的流动性、粘聚性和保水性。在水泥中掺入原状或磨细粉煤灰后，可以降低混凝土中水泥的水化热，推迟水化热峰值的出现，减少绝热条件下的温升，有利于控制温度裂缝的产生。粉煤灰的掺加在水工大体积混凝土施工中应用比较广泛，由于认识、技术上的原因，目前在山岭隧洞施工中应用较少。

●掺加适量的膨胀剂可以补偿混凝土的收缩，增加密实度，提高混凝土防渗抗裂能力。

f、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。施工时必须慎重选择外加剂的品种和掺量。

（3）严格混凝土施工工艺。

a、提高钻眼技术水平，优化钻爆参数，提高光面爆破效果，加强隧洞开挖断面检测，严格控制超欠挖，为衬砌施工创造良好的条件。

b、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。

c、混凝土的拌合：

●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，及时调整拌合用水量。

●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。

d、混凝土的灌注：

●混凝土在运输和泵送过程中严禁加水。

●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（1～1.5）h，待边墙混凝土下沉稳定后，再灌注拱部混凝土。

●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。

e、混凝土的脱模、养护：

●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。

●传统的混凝土洒水养护方法，增加了隧洞内文明施工的难度，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。