铁路隧道预留室衬砌开裂成因及防治措施

李金攀

（中铁二十二局集团第四工程有限公司，天津301700）

1 工程概况

何家地隧道位于云贵高原侵蚀构造中低山区，双线隧道，设计为单面坡，起讫里程DK974+535～DK977+232，全长2 697m。隧区内地形总体为东低西高，最大埋深364m，正常涌水量14 800m3/d，雨洪期最大涌水量30 200m3/d。隧道出口段覆盖有0～2m 粉质黏土，洞门及堑坡地质条件较差，采用明挖法施工。出口端地层为含煤地层，部分瓦斯气体可能沿裂隙在洞身附近积聚，施工时应加强监测及通风。全隧Ⅲ级围岩总长1 415m，Ⅳ级围岩长度为675m，Ⅴ级围岩长度为442m，Ⅱ级围岩长165m。

施工便道数量见表1。便道断面形式见图1。

表1 何家地隧道施工便道数量表

图1 施工便道断面结构示意图

2 形成原因

2.1 混凝土温度差产生裂缝

隧道工程需要对主体及部分结构实行混凝土浇筑，混凝土在浇筑完成温度下降后产生水热化，导致混凝土表面温度远远低于内部温度，即使混凝土表面无荷载，其内部也会产生一定的应力。混凝土硬化前期强度还未达到标准，其内部产生的应力过大会造成混凝土破裂，并产生裂缝，这种裂缝的产生与温度有关。当混凝土浇筑体积过大时，也容易因温度差产生裂缝，主要原因是混凝土体积大，其内部产生的应力就大，不容易散热，混凝土表面和内部的温差也更大【1】。因温度差产生的裂缝非常普遍且没有有效的解决办法，一般情况下会通过控制表面温度，或者浇筑完成后科学养护，避免裂缝宽度过大产生其他影响。

2.2 混凝土湿度差产生干缩裂缝

混凝土浇筑之后，表面湿度会迅速下降，而内部湿度需要长时间挥发。因内外湿度差异将产生干缩裂缝，主要是因为混凝土表面收缩速度更快，而内部收缩程度偏低，混凝土表面和内部会产生抵抗拉力的应力，很容易导致混凝土表面产生裂缝。一般情况下，混凝土表面会产生干缩裂缝，且裂缝方向各有不同，错综复杂。水泥品种、砂砾质量、外加剂质量、水泥用量、水灰比例等都是导致混凝土干缩裂缝产生的因素。

2.3 养护不到位产生荷载变形裂缝

混凝土浇筑和后期养护都会影响荷载变形裂缝的产生，部分隧道工程因施工中一些其他原因导致工期延误需要在后期施工中加快施工速度，因此混凝土在浇筑完成之后缺乏充足的养护时间，影响了混凝土强度，没有足够的荷载能力从而产生裂缝。另一方面，赶工期使施工质量无法得到保证，很难避免混凝土发生沉降，从而出现裂缝。

2.4 案例分析

何家地隧道预留室衬砌开裂原因具体分析如下：

1）地质设计原因。隧道施工现场地处大山深处，其地区应力较大，最高可达21.3MPa，隧区位于华夏系构造，随区内岩层单斜、岩层节理裂隙发育。隧道进口段主要发育2 组节理，节理产状分别为N75°E/75°S、N-S75°E/75°W，较规则，呈共轭X型，以构造型为主，节理间距多数＜0.40m，多呈密闭型，部分为微张裂隙，少有充填物。节理较发育～发育，岩体被节理切成块状。隧道出口段主要节理有2 组，分别为N20°E/36°N、N50°W/90°。泥岩中节理间距0.2～0.5m，砂岩中节距0.4～0.8m。在隧道施工期间，随着围岩压力增大，围岩变形严重，二次衬砌承载能力不足，最后导致开裂。

2）线性施工因素。位于2 条间距较小的并行隧道处发生开裂，并行隧道的施工难度较大，彼此产生的影响较大。若在后续隧道开挖施工过程中，隧道围岩的承重力分布不均匀，前期施工部分很容易发生开裂。

3）原材料质量不达标。混凝土材料质量的优劣会影响裂缝的产生，材料使用不当会影响混凝土质量，从而促使裂缝的产生。因此，在原材料进场前后，一定要严格进行质量检测，避免裂缝问题的产生。

3 防治措施

3.1 勘查数据要精准

隧道工程在设计之初就要综合考虑各方面施工因素，负责地质勘查的工作人员要认真负责，克服隧道工程施工地区的地形阻碍，确保勘查数据的精确性。同时，要不断创新和发展高技术勘查手段，为隧道工程高质量设计提供支持。

3.2 原材料的选择和使用要规范化

隧道工程施工中所用到的原材料一定要保质保量，具体有以下几种。

1）水泥：水泥有多种品牌和型号，在工程施工中最常用的水泥有6 种，其中，普通硅酸盐水泥是使用率最高的水泥类型。在施工过程中，水泥按照生产批次和型号的不同要分开保存，并且同一部位施工不可以混用水泥，避免影响混凝土质量。

2）碎石：碎石的粒径一般与施工中使用的泵输送内径一致，在适当范围内，碎石粒径越大混凝土质量越好，但碎石的最大粒径要在40mm 以内【2】。在5～31.5mm 这个区间范围内，碎石粒径越大越有利于保证混凝土质量。要求碎石含泥量≤1%，片状物含量≤15%。

3）砂：通常级配越高的砂质量越好，因此，在有效控制成本的同时应选择级配最高的砂。要求粒径≤0.315mm 的砂砾占总量的15%～20%，含泥量≤3%，以利于提高混凝土的质量。

4）水：水是构成混凝土必不可少的原材料，而且用量非常大。水灰比是衡量混凝土质量的一个重要指标，其对于混凝土是否会产生裂缝起着决定性作用，所以，混凝土搅拌过程中要严格控制水的用量。饮用水是混凝土原材料的最佳选择，控制好用水量，水灰比以0.45～0.55 为最佳，可有效降低裂缝的产生。

5）掺合料：为保证混凝土的质量，还需要掺合料的加入。强度等级不足C25 的混凝土需要加入掺合料，在现代工程施工中，膨胀剂和粉煤灰是最常用的2 种掺和料。加入膨胀剂掺合料的混凝土更加密实，混凝土会有更好的防渗漏效果。通常按照水泥用量的8%～12%添加膨胀剂掺合料，具体需根据工程实际施工要求最终定量。加入粉煤灰掺和剂的混凝土可有效避免水热化和干缩性引起的温度裂缝和湿度裂缝，为混凝土性能的发挥提供帮助【3】。按照水泥用量的10%～15%添加粉煤灰掺和剂，并根据工程实际施工要求最终定量。

6）外加剂：外加剂有多种不同类型，按照水泥用量的5%添加外加剂，可有效提高混凝土性能。减水剂的使用率非常高，加入减水剂可以节省大量的水泥，有利于成本控制。但外加剂添加需要先通过实验验证方可进行，以避免发生其他不良后果。

3.3 重视混凝土施工工艺的质量

混凝土质量除了受原材料的影响，也离不开施工质量，良好的施工质量可以有效避免裂缝的产生，因此对混凝土施工质量要有足够的重视。首先，二次衬砌施工要在恰当的时间范围内进行。首次支护变形稳定便可实行二次衬砌施工，支护施工完成之后要实时掌握围岩的承载力，围岩承载力较小的情况下二次衬砌时间可以提前，这样围岩才更具稳定性，不易产生裂缝。其次，混凝土衬砌施工过程中，要重视外部应力。隧道地下室功能难免影响周围土层的应力，出现分布不均的问题，很容易发生沉降。针对这些问题要具备预测能力，一旦发生状况要在第一时间处理，混凝土衬砌结果必须具备稳定性，避免更大的裂缝和事故发生。

4 结语

综上所述，随着我国社会经济和科学技术的不断发展，再加上庞大的人口基数，地面交通的局限性对城市发展极为不利，所以地铁、隧道等交通线路应运而生，并为我国社会经济发展做出了重要贡献。而混凝土衬砌开裂成为隧道工程中的常见施工质量问题，为了有效解决这一问题，本文给出了几点可行性建议，希望有助于我国铁路隧道工程的发展。