铁路隧道二衬混凝土裂缝原因分析及施工控制

孙 国 栋

(中铁三局集团第五工程有限公司，山西 晋中 030600)

铁路隧道二衬混凝土裂缝原因分析及施工控制

孙 国 栋

(中铁三局集团第五工程有限公司，山西 晋中 030600)

简述了隧道二衬混凝土裂缝的特点，从温度裂缝、沉降裂缝、干缩裂缝等方面分析了隧道二衬裂缝形成的原因，并提出了裂缝的防治措施及处理方法，确保隧道衬砌的施工质量，从而保证铁路的正常运行。

隧道，裂缝，混凝土

1 概述

隧道作为铁路土建工程的一种重要结构形式，在我国铁路客运专线及高速铁路的建设过程中得到了广泛的应用，其设计理念、施工技术、工艺等在近十年的建设过程中得到了飞速的发展。但从近年来开通运营的客运专线及高速铁路来看，暴露出隧道渗漏水、掉块等问题，严重影响到铁路的正常运行，影响到隧道结构的使用寿命，增加了运营维护成本，而造成隧道渗漏水的主要原因就是由二衬混凝土开裂引起的。

2 裂缝特点

从近年来石太客运专线、郑西客运专线、玉蒙铁路等隧道二衬混凝土出现的裂缝来看，主要存在以下特点：1)裂缝多发育在距洞口200 m之内的范围。2)裂缝所处的二衬混凝土浇筑时间多在7月份～10月份，该段时间为高温、少雨季节。3)裂缝多属环向或斜向裂缝。4)裂缝发育部位自仰拱施工缝处开始的占大多数，泄水孔处也有部分产生裂缝。5)裂缝宽度在0.1 mm～0.5 mm之间，深度在40 mm～110 mm之间。

3 裂缝原因分析

隧道二衬裂缝形成的原因一般是多种因素共同作用的结果，下面根据隧道裂缝的特点进行分析。

1)温度裂缝。混凝土在凝固过程中，早期强度增长快，产生的水化热凝聚在混凝土内难以散发，导致内部温度升高，而外部散热较快，内外温差造成混凝土收缩出现差异，使混凝土表层产生一定的拉应力。当应力超过混凝土强度抗拉极限时，表面就会产生裂缝，这种裂缝多发生在混凝土早期。此外，环境的湿度对裂缝也有很大的影响，环境湿度不足会加速混凝土的干缩，导致混凝土裂缝的产生。在隧道洞口200 m范围内出现的裂缝，正是温差影响导致。隧道洞身内部，气温较稳定，湿度较大，比较接近混凝土的标养条件。而洞口温差变化大，特别是夏季施工衬砌混凝土温度高于常温，冬季施工衬砌混凝土温度低于常温，而且一天之内昼夜温度相差大，都有可能造成混凝土的开裂，因此要特别注意洞口衬砌混凝土的养护工作。2)沉降裂缝。隧道的基底虚碴未进行彻底清理，二衬边墙基础凿毛不彻底，二衬浇筑后，在重载的作用下，基础底部产生不均匀沉降，导致二衬裂缝自仰拱施工缝处起向上发展。由于施工进度以及隧道施工红线的要求，初支后围岩沉降未完全稳定即开始浇筑二衬，且二衬混凝土没有达到设计强度已开始拆模，也可导致沉降裂缝。3)干缩裂缝。混凝土硬化随水分渐渐损失导致凝结胶体干燥收缩产生变形，在围岩和模板的约束下，当变形产生的应力值超过混凝土的抗拉强度后，就会出现干缩裂缝。干缩裂缝必须在拆模后及时进行处理，否则会变成永久裂缝，影响到隧道结构的使用寿命。4)其他不利因素造成的裂缝。a.隧道围岩结构松散，开挖后轮廓不规则，局部超欠挖严重，以致衬砌会在局部出现过厚或厚度不足，局部应力过大，造成衬砌混凝土开裂。b.隧道二衬底部泄水孔处由于应力集中、振捣不密实等造成局部开裂。c.隧道衬砌混凝土拆模过早，使二衬混凝土过早受力，造成衬砌开裂。d.由于进度的要求，设计的围岩类型与实际围岩不符时，初期支护不能完全平衡围岩应力，围岩变形还未稳定即浇筑二衬混凝土，造成洞身混凝土的开裂。e.隧道衬砌钢筋部分保护层厚度不够或过大等造成衬砌裂缝。f.软弱围岩中安全步距不合理，爆破部位与施工后的二衬距离不足，爆破震动波导致二衬混凝土出现裂缝。

4 裂缝的防治及措施

1)预防混凝土温度裂缝。 a.控制水化热的影响，不选安定性不良的水泥，不同批次的水泥不混用，尽量选用产生热量较低的水泥；b.优化配合比，降低水泥用量以使产生的水化热在可控范围；在混凝土中掺加具有减水、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；c.制定衬砌施工首件验收制度，根据实际情况获取合理的拆模时间；d.洞口段昼夜气温变化大，做好二衬的保湿保温措施；e.加强混凝土养护，适当延长养护时间，保证混凝土表面冷却。2)预防混凝土沉降裂缝。控制混凝土混合料的坍落度，将混凝土振捣密实；隧道底清理干净，不留残渣；做好新旧混凝土接触的凿毛工作；在衬砌内易开裂部位，布置部分钢筋网片，减少裂缝的产生。3)做好隧道衬砌混凝土振捣是预防裂缝的关键。二衬混凝土振捣效果差，会造成混凝土的空隙率增大、密实性差、防水性差、收缩大，混凝土强度不足，影响隧道结构的使用寿命。因此，在隧道衬砌台车上要有布局合理的附着式振捣器和插入式振捣窗口，隧道二次衬砌混凝土施工时要插入式振捣和附着式振捣相结合，确保混凝土的匀质性和密实性，提高混凝土本身的抗裂能力，避免裂缝出现。4)其他预防措施。a.隧道设计时根据围岩类别、性质、结构等地质情况，合理选取衬砌支护参数，确保衬砌具有足够的承载能力；施工过程中发现围岩地质情况与原设计不符时，应及时对衬砌支护参数进行变更，使衬砌符合实际围岩条件，隧道实施弱爆破、光面爆破，避免局部超欠挖、超欠挖控制在允许范围内。b.隧道衬砌后及时进行无损检测，探测衬砌背后是否存在空洞，空洞处及时进行注浆处理。c.二衬钢筋应集中加工预制，钢筋安装后采取定位钢筋、垫块等措施，确保保护层符合设计要求。d.隧道衬砌施工时应严格按照设计要求在正确位置设置沉降缝、伸缩缝，并且缝隙在同一垂直面上。e.做好衬砌施工的各道工序检查验收，加强作业人员的技术培训，提高其混凝土施工技术水平。f.加强混凝土保湿保温养护，提高混凝土衬砌的工程质量。

5 裂缝的处理方法

隧道衬砌结构裂缝采用水泥、环氧树脂等进行嵌缝和注浆补强，根据裂缝宽度、深度不同，采取表面封闭法、灌浆法等方法，以宽度在0.1 mm～0.5 mm、深度在30 mm～80 mm的隧道裂缝为例，通常采用环氧树脂高压灌浆法，完成后进行取芯，发现注浆饱满，强度满足设计要求。1)灌浆材料。环氧树脂具有良好的物理性能，配制后浆液灌浆效果好，分子结构致密，固化收缩率小，饱满无气泡，抗渗性好。具有很强的内聚力，且附着力强，浆液固化后抗压、抗拉强度都能满足要求。浆液的固化时间可以调节，灌浆工艺简便，属环保型材料。2)修补工艺程序。施工准备→裂缝处理→埋设灌浆孔→裂缝封堵→封堵检查→浆液配制→高压灌浆→外观处理。用毛刷蘸酒精有机溶液，把沿裂缝两侧擦洗干净并保持干燥。使用抹刀将封缝胶均匀抹在裂缝上，边抹边压，刮平整以防止产生小孔和气泡。用冲击钻沿裂缝两侧进行钻孔，孔径20 mm，孔深度约10 cm，钻孔必须穿过裂缝，孔与裂缝间距约3 cm～5 cm。钻孔间距约为40 cm。灌浆前先对灌浆机具、灌浆材料等进行检查，准备工作就绪后开始灌浆。灌浆时，注浆压力保持在0.2 MPa～0.4 MPa，每个灌浆应持续压注5 min左右，待相邻注浆孔冒浆后，停止注浆。灌浆结束后，对外观进行打磨处理。在修补前，对环氧树脂砂浆制取一组70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的试件，检查结果为38.2 MPa(大于设计35 MPa)，满足要求。在衬砌裂缝修补处取芯进行抗压试验，抗压结果为37.5 MPa(大于设计35 MPa),满足要求。

6 结语

由于混凝土是一种脆性材料，其抗拉强度低，尽管在施工中采取各种措施，但裂缝仍普遍存在，裂缝会导致隧道的抗渗能力降低，结构存在隐患，影响隧道的使用寿命。总之，隧道衬砌的裂缝与隧道施工的每一个环节都有密切的关系，在隧道施工中要了解裂缝发生的原因，加强对混凝土施工前的各种防范措施来预防裂缝的出现，出现裂缝后要及时进行有效的补救措施降低裂缝带来的危害。同时隧道施工人员要提高防范和规避混凝土裂缝的意识，认真负责，严把质量关，方能保证隧道衬砌施工质量。

[1] 杜永昌,黄直久.高速与客运专线铁路施工工艺手册[M].北京:科技技术文献出版社,2006.

[2] 中铁三局集团有限公司.铁路混凝土工程施工技术指南[M].北京：中国铁道出版社,2011.

[3] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社,1997.

Causes analysis and construction control of second lining concrete cracks of railway tunnel

Sun Guodong

(ChinaRailway3rdBureauGroup5thEngineeringCo.,Ltd,Jinzhong030600,China)

The paper briefly illustrates tunnel second lining concrete cracking features,analyzes tunnel second lining concrete cracking causes form aspects of temperature cracks,subsidence cracks and shrinkage cracks,and puts forward cracks preventing measures and treatment methods,so as to guarantee tunnel lining construction quality and to ensure normal railway operation as well.

tunnel,cracks,concrete

2015-10-15

孙国栋(1981- )，男，工程师

1009-6825(2015)36-0182-02

U457 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A