混凝土离析对隧道二次衬砌施工的影响

霍 滨 （兰州市轨道交通有限公司，甘肃 兰州 730070）

目前，隧道设计施工中多采用复合式衬砌。复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌(模筑混凝土)组成。初期支护是保证围岩达成施工期间的初步稳定，二次衬砌则是提供安全储备或承受后期围岩压力。具体地讲，二次衬砌在Ⅳ类以上围岩时，按安全储备进行设计；在Ⅲ类以下围岩时，按承载(后期围岩压力)进行结构设计；并均应满足构造要求。由此可见隧道的二次衬砌是隧道的承载结构(对软弱围岩尤其如此)，也是隧道防水工程的最后一道防线。因此，隧道混凝土衬砌质量的好坏对隧道的长期稳定，使用功能的正常发挥是至关重要的。

1 混凝土的离析

混凝土的离析是混凝土拌合物组成材料之间的粘聚力不足以抵抗粗集料下沉，混凝土拌合物成分相互分离，造成内部组成和结构不均匀的现象。通常表现为粗集料与砂浆相互分离，例如密度大的颗粒沉积在拌合物的底部，或者粗集料从拌合物中整体分离出来。

混凝土离析现象会造成混凝土结构不均匀，出现孔洞、水影和蜂窝状结构。严重的离析使混凝土结构明显分层，大大降低了混凝土结构的强度和使用性能。离析一般有两种形式：一是粗集料从混合料中分离或水泥浆体从混合料中流淌出来；二是粗集料沉淀到新拌混凝土的底层。泌水是离析的一种特殊形式，是指在混凝土凝结之前表面出现水离析的现象。混凝土的泌水能使新拌混凝土内粗集料颗粒下沉而水分上升，在表面形成浮浆或浮灰，导致形成一种水影，影响混凝土的表面质量。此外，水分在上升时形成“小喷口”并且集中在粗集料或钢筋下的水囊等混凝土结构的薄弱环节，从而降低混凝土的强度和耐久性。

2 离析对泵送的影响

混凝土离析对泵送的影响主要表现在混凝土输送过程中出现堵管现象。离析堵管是指石子在水泥浆中的悬浮状态完全丧失，在管中某一部位积聚。混凝土离析后，部分骨料之间的孔隙得不到灰浆的补充，骨料间隙的空气随混凝土一起被吸入混凝土缸内，随着空气在混凝土缸内积聚增加，吸入效率迅速降低，最后混凝土的吸入和泵送完全停止。由于有空气进入输送管，在泵送时会听到漏气声。

2.1 离析堵管的原因

造成离析堵管的原因：（1）混凝土压力脱水。配合比不良的混凝土泌水大，在管道压力梯度较大时会出现脱水现象，即水分通过骨料的间隙渗透，使骨料聚结，引起堵管。堵管多发生在管道弯曲、变径和管路中间布置软管处。（2）混凝土坍落度过大。坍落度过大的混凝土拌合物容易离析，多发生于长距离水平输送时的偏析堵管和竖直下行布管的下端离析堵管。（3）骨料级配不合理，石子的粒径过大或级配不连续也易产生离析。（4）管道处于下行倾斜状态，混凝土在斜管中自流（因自重下滑）造成离析。同时易在斜管上部形成真空段，使泵送压力无法传递造成堵塞。

2.2 堵管的排除

首先查明堵管部位。发生堵管时，从泵出口到堵管处的管路震动剧烈，接头处有脱开的倾向，而堵管处之后的管路则是静止的。根据这种现象可以找到堵管的部位。也可以用铁棒敲击管壁，根据声音判断堵管的位置。找到堵管部位后，拆下这段管道，清除堵塞的混凝土，经试泵无阻后再接管，继续进行泵送。

2.3 减少离析造成堵管的措施

1）选择合适的原材料和配合比，并在施工中采取保证措施，使之泵送时减少混凝土离析。2）合理布置管路，少用弯管、椎管，不宜在管路中间布置软管。3）下行配管倾斜角或落差比较大时，要采取措施增加斜管部的阻力，在斜管上端的弯管上设气门。4）开泵前认真润湿管路，并检查混凝土质量。5）尽可能连续泵送，不得已停顿时，料斗中要保留足够的混凝土，每隔4～5min作正反泵操作各两个冲程，防止混凝土离析。停泵时间超过30～45 min，要清除泵和输送管内的混凝土，对小坍落度的混凝土要更加注意。

3 离析对二次衬砌的影响

3.1 二次衬砌混凝土离析的因素

1）材料因素

（1）水泥性质，用量；（2）水灰比和单位用水量；（3）集料表面性质、粒径、级配、添加剂。

2）施工因素

（1）漏振、单点振捣不充分或振捣驱动混凝土；（2）混凝土拌合物下落时自由高度过大或浇筑角度过大导致较大的额外冲击力；（3）混凝土在下落过程中撞击钢筋或者模板，造成粗集料与浆体分离；（4） 混凝土振捣时间过长或长距离运输受振等都易使混凝土发生离析分层或泌水现象；（5）施工中由于管理不到位等因素，工人现场往泵车内加生水。

3.2 二次衬砌混凝土离析的危害

二次衬砌混凝土离析将严重影响混凝土的各方面性能，离析所造成的危害主要表现在以下几个方面:

（1）影响混凝土的泵送施工性能，造成粘罐、堵管、影响工期等，降低经济效益。

（2）致使混凝土结构部位出现砂纹、骨料外露、钢筋外露等现象，破坏混凝土钢筋保护层，影响混凝土的表现效果。

（3）混凝土的匀质性差，致使混凝土各部位的收缩不一致，易产生混凝土收缩裂缝。特别是在施工混凝土楼板时，由于混凝土离析使表层的水泥浆层增厚，收缩急剧增大，出现严重龟裂现象。

（4）使混凝土强度大幅度下降，严重影响混凝土结构承载能力，破坏结构的安全性能，严重的将造成返工，造成巨大的经济损失。也极大地降低了抗渗、抗冻等混凝土的耐久性能。

3.3 二次衬砌混凝土离析的预防

如果选择较大的水灰比或增加单位用水量，混凝土中多余的水分将以较厚的水膜包裹水泥颗粒表面，将颗粒分开，一方面起到润滑作用降低了颗粒之间的剪应力屈服值；另一方面降低了水泥浆体的粘度，从而降低了混凝土的塑性粘度。这样在重力作用下，粗颗粒很容易克服粘聚力和屈服阻力而下沉，细颗粒浆体上浮发生离析或泌水现象。故在满足混凝土对工作性的要求时，水灰比较越小混凝土的抗离析能力越强。如果选用粘结性较强、保水性好且水化较快较细水泥（如粉煤灰水泥），可以大幅度提高水泥浆体的粘结力，增强水泥浆体与石料之间的粘结，提高塑性粘度，有效预防离析的发生。且由于混凝土的保水性能增强，可以防止泌水的发生。相应的如果水泥用量越高，混凝土的塑性粘度越大，对预防离析和泌水有利。若水泥用量不足，水泥浆体将不足以包裹集料混凝土，显得干硬且结力低也易发生离析。

混凝土中若集料粒径过大，畸形且细集料用量少或使用间断级配等，虽然可以增加颗粒之间的机械咬合力对提高屈服应力有利，但由于集料的总体表面积大幅度降低，水泥浆体集料之间的粘结力降低，粗集粒悬浮在水泥浆体中，混合料不易密实，也可能加重离析的发生。选用表面粗糙的集料能增加水泥浆体与其的粘结力和物理吸附，增加塑性粘度和屈服应力，对预防离析有利。

在混凝土中掺加引气剂或减水剂等表面活性剂，一方面通过双电层和氢键的作用使水泥和集料的结合增强且减少了用水量，增加了水泥浆体的粘度。特别是气泡的引入大大增加了水泥浆体的有效体积和表面体积，这些都使水泥混凝土的塑性粘度增加；另一方面表面活性剂所起的润滑作用使混凝土的屈服应力值降低，但塑性粘度的增加起主导作用，故掺加引气剂或减水剂等表面活性总体上对预防离析有利。在混凝土中同时使用减水剂能显著提高混凝土混合物的塑性粘度，有效地预防离析的发生。

在施工过程中，应正确布料，比如使用布料机布料或架高输送管，用串桶、溜槽布料，不能以振动驱动混凝土；掌握振捣速度，即要充分振捣又不能过度振捣引起离析；控制浇筑速度，合理安排浇筑顺序，使混凝土能在浇筑过程中逐渐沉实；加强施工管理，杜绝随意添水，改变混凝土的配合比。

3.4 二次衬砌质量检测方法

混凝土衬砌内在质量的检测主要包括混凝土强度、混凝土厚度、衬砌背部是否存在空洞等内容。对混凝土强度采用超声波法进行检测，对混凝土厚度以及衬砌背部是否存在空洞采用探地雷达法进行检测。

3.5 二次衬砌病害处治

对于因离析造成结构缺陷的情况，如结构背后有很大的空洞、粗骨料外露、钢筋外露或二次衬砌接缝有明显缺陷等，因构造承载力小，只要病害有很小的发展，就会导致隧道衬砌拱部失稳，因此在任何荷载形式下都应采用补强措施。

对于隧道衬砌病害的处治方式主要有以下三种：（1）采用高压注浆，用注浆法填注结构背后的空洞、粗骨料间存在的间隙；（2）二次衬砌内表面补强，用抗拉材料碳纤维、玻璃纤维或钢板等板材，粘着在衬砌内表面，控制裂缝的发展和衬砌的变形，防止衬砌掉块、剥落、剥离；（3）内衬、拱架补强，内衬采用模筑混凝土和喷混凝土，当病害等级较高时，可将内衬与补强拱架并用，以达到加强二次衬砌，改善衬砌刚度的目的。

4 结 语

泵送混凝土具有输送能力大、效率高、节省人力、连续作业等特点，现今在隧道二次衬砌混凝土施工过程中被广泛采用。但是泵送混凝土容易出现因混凝土离析和泌水过快等问题而导致管道堵塞，影响二次衬砌施工的连续性浇筑，造成二次衬砌不必要的施工缝，如果施工缝正好处在起拱线以上位置，将会影响隧道二次衬砌的安全性和可靠性。因此，要达到顺利输送泵送混凝土的目的，混凝土拌合物须具有良好的可泵性，混凝土具有一定的流动性、不离析，确保施工的顺利进行。而在浇筑二次衬砌的过程中，离析形成混凝土结构不均匀，出现孔洞、水影和蜂窝状结构，在边墙下部也经常出现大片石子裸露的情况，直接影响隧道二次衬砌的强度和耐久性。通过对二者研究分析，对材料和施工措施的合理选择与应用，可以大大提高施工效率和质量，从而保障隧道二次衬砌的安全性和耐久性。

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