暗挖隧道衬砌裂缝产生原因分析与预防控制研究

王颖苗

（北京百事百达工程管理有限公司，北京 100022）

1 引言

裂缝是混凝土最常见的缺陷之一，近年来，随着我国城市的高速发展，暗挖法施工被广泛运用到公路、铁路、地铁以及各种地下管线的建设中。受各种因素影响，暗挖隧道衬砌裂缝时有发生，而引起暗挖隧道衬砌裂缝的原因十分复杂，荷载、温度、收缩、地基变形、钢筋锈蚀、碱骨料反应、地基冻胀、混凝土质量差、水泥水化热温升等因素单独作用或相互作用都可能造成混凝土裂缝。

通过研究发现，裂缝对暗挖隧道混凝土建筑会产生不同的影响，除了降低建筑的稳定性之外，还容易导致钢筋锈蚀以及冻融破坏等问题，最终影响暗挖混凝土的耐久性。基于此，本文梳理了衬砌混凝土裂缝形成的根源，并提出相应的解决对策，以期为类似暗挖隧道工程衬砌裂缝的预防与控制提供参考和借鉴。

2 衬砌混凝土裂缝主要类型

针对衬砌混凝土裂缝，根据其形成原因的不同，可划分为温度裂缝、干缩裂缝以及施工裂缝等；根据深度上的差异性，可以划分为贯穿裂缝、深裂缝、浅裂缝以及表面裂缝。本文在研究过程中，主要根据形成的原因对暗挖工程中3种常见的裂缝进行分析。

2.1 温度裂缝

温度裂缝是由混凝土内、外温度变化而产生的裂缝，如图1所示。暗挖衬砌混凝土中水泥水化时形成的热量较多，这些热量会导致混凝土温度升高。如果缺少有效的降温手段，混凝土内部的温度可达到80～90℃。在温度升高过程中，热量也处于动态变化过程中，不断进行转移和扩散，进而导致混凝土各个部分的温度分布不均，由此会形成一定的温度应力，并且温差越大，温度应力越大，二者为正相关关系。裂缝的形成与过高的温度应力直接相关，如果其高于内外约束应力，则会导致温度裂缝的形成。

2.2 干缩裂缝

干缩裂缝指混凝土由于内外湿度变化不均、水分蒸发不均而产生的裂缝，如图2所示。暗挖隧道施工过程中，衬砌混凝土硬化时水分会逐步减少，导致凝结胶体干燥变形，这种变形受到模板或围岩等因素的约束而产生应力，当变形产生的应力值超过混凝土的抗拉强度后，就会形成干缩裂缝，在走向上基本没有明显的规律。

2.3 施工裂缝

施工裂缝是指在施工过程中，由于施工质量问题而导致的裂缝，如图3所示。具体包括以下几个方面。

（1）在施工过程中对混凝土捣实不足或模板支撑不佳均会降低施工质量，进而导致施工裂缝的形成。

（2）施工缝布置位置不佳极易导致施工裂缝的形成。若发生突发情况导致浇筑中断较长的时间，则在后续的浇筑中容易导致施工裂缝形成（特别是未进行凿毛处理以及处理不佳的情况下）。

（3）冬季施工中新浇筑混凝土保温防护措施不足，养护的构件降温速度太快，由于冷击均可导致混凝土开裂。

（4）暗挖隧道施工中，二次衬砌的拱形模板拼接不当，脱模时强行使用外力拆除模板，混凝土受力不均匀，则会形成变形裂缝。

3 裂缝形成的原因分析

根据前文的分析可知，温度和干缩裂缝主要是与变形有关的衬砌裂缝，是在温度、湿度以及水分变化的作用下，由于约束应力高于抗拉强度形成的；施工裂缝则主要是施工操作不当和混凝土施工质量把关不严造成的。下面就这3种裂缝形成的原因进行具体分析。

3.1 温度和干缩裂缝形成原因分析

很多学者针对裂缝形成的原因开展了分析，依据不同学者的观点，本文对温度和干缩裂缝形成的原因具体分析如下。

（1）温度改变。裂缝的形成直接受环境温度变化的影响，如果温度显著降低，则会形成更大的收缩变形，从而增大形成裂缝的概率。研究发现，在夏季隧道洞口衬砌段，由于温差较大而形成裂缝的几率较高，所以必须对此重点关注。

（2）水泥细度。如果水泥细度较高，释放的水化热量较多，更易产生温度裂缝。

（3）水泥类型。不同类型的水泥在应用中的特性不同，例如矾土水泥，制成的衬砌混凝土不存在显著的收缩变形，基本不会形成裂缝；而对于矿渣水泥，制作的衬砌容易形成显著的收缩变形，也易于形成干缩裂缝。

（4）风速。研究发现，风速较高时，水分更易于蒸发和散失，更易形成干缩裂缝。

（5）环境湿度。在环境湿度较大的情况下，收缩变形较小，因此形成裂缝的几率较低；但是湿度较小的情况下则正好相反，形成干缩裂缝的概率显著提高。

（6）骨料类型。采用不同类型的骨料制成的衬砌混凝土在收缩变形上呈现出差异性，例如采用砂岩时形成裂缝的可能性更高；而采用花岗岩骨料形成裂缝的几率较低。

（7）水灰比。研究发现，混凝土水灰比较高的情况下，容易导致更大的收缩变形，继而形成裂缝。

（8）结构尺寸以及外观。裂缝的形成还与结构尺寸以及形状等因素直接相关，可用水力半径r指标（周长L和截面面积F的比值）进行判断，如果该指标较高，则意味着存在更显著的收缩变形，更容易形成裂缝。

（9）配筋率。收缩变形与配筋率之间表现为负相关的关系，因此在该指标增大的情况下有助于抑制裂缝的形成。

（10）外加剂。目前，在衬砌混凝土中一般会添加一定量的外加剂，例如，塑化剂的添加能够有效抑制收缩变形，继而抑制裂缝的形成。但是在添加过多的情况下也会产生不利影响，可能会形成更多的裂缝。因此，对于外加剂应该合理使用，选择合适的类型以及用量才能达到抑制裂缝的效果。

3.2 施工裂缝产生的原因

（1）施工操作。由于部分暗挖隧道二次衬砌施工所使用的模板支护形式存在缺陷，导致混凝土难以完全捣固，如果捣固质量不佳或未进行捣固，则必然导致显著的收缩变形，继而形成更多裂缝。实际工程中出现的隧道衬砌开裂现象往往与上述因素有关。

（2）混凝土质量把关不严。混凝土生产过程中存在较大的原料计量偏差，在混凝土运输过程中添加水分，外加剂类型以及用量不合理，未及时对石料含水率进行调整等，均会影响混凝土的质量，继而引发裂缝的形成。

（3）过度追求施工的进度，忽略了一些关键的施工工序。例如，脱模时间不合理或未进行潮湿养护，均会导致混凝土结构受损。

（4）浇筑过程中未进行充分振捣，影响混凝土的均匀性，进而导致施工裂缝的产生。

（5）隧道开挖成型不佳，存在超欠挖现象。该问题可能导致衬砌厚度存在显著的变化，继而影响衬砌收缩变形约束条件，从而导致裂缝的形成。如果隧道开挖成型相对较好，则形成衬砌裂缝的几率较低。

（6）养护因素。不及时对新浇筑的混凝土进行洒水养护，甚至未进行养护，则一定时间之后会出现收缩变形，导致裂缝的形成。

（7）缺乏对温度的控制。例如，冬季施工中未采用有效的保温措施；夏季施工中存在砂、石料室外肆意放置，未进行降温处理等，均会导致裂缝的形成。

4 混凝土裂缝预防控制措施

4.1 干缩和温度裂缝预防控制措施

（1）建议采用合适的衬砌材料。具体包括以下几个方面：水泥选择应该优先考虑细度较小与水化热低的水泥材料用来拌和混凝土；对于采用的砂、石料等原料，需要保持较小的含沙量，有助于抑制收缩变形；选择合适的骨料类型，例如使用花岗岩等类型的骨料，有助于抑制收缩变形；合理的采用膨胀剂，通过这种方式可以对混凝土收缩进行补偿；采用一些有助于抑制收缩变形的添加剂，例如采用双掺技术，将水泥用量控制在一定范围内；适当采用粉煤灰，可有效提升混凝土的保水性和流动性，减少收缩变形。

（2）重视混凝土试配。针对最佳配比进行研究和设计，采用科学的指标进行评价分析，包括变形量、水化热以及抗拉强度等。此外，建议尽可能降低水泥以及用水量，将坍落度控制在较低水平。

（3）科学设置后浇带。考虑具体的地质条件以及结构形式等，科学设置后浇带，从而有效抑制收缩变形。

（4）除前述几种措施之外，也可以适当采用其他措施。例如，某些位置的应力较高，可以适量配筋。

4.2 预防施工裂缝的控制措施

（1）建议针对施工方法以及工艺流程进行合理地设置，充分考虑可能导致的收缩变形问题，结合这些问题来避开容易诱发此类问题的施工方法。重视衬砌混凝土的养护工作，将湿度以及温度等环境条件保持在适宜范围内，有助于抑制早期收缩。尽可能使用机械捣固，提高捣固质量。

（2）针对开挖断面进行监测分析，采用科学的技术实时进行监控，对于可能出现的超欠挖现象进行严格约束。

（3）脱模与养护。混凝土的脱模时间必须严格进行控制，在混凝土强度未达到设计、规范及施工方案所要求的拆模周期前，不得强行拆模，在遇到模板变形等特殊情况下，要采取有针对性的措施逐一完成脱模，不得强行用外力拆模；混凝土的养护应严格按照规范和施工方案执行，洒水养护的周期和均匀程度应得到保证。必要时，可采用适量的养护液，在弥补传统养护不足的同时提高混凝土的早期强度。

（4）混凝土拌合。计量时必须依据施工配料单，针对采用的计量设备进行校验，确保准确性和稳定性，合理设置拌合水量，水量过高或者过低均会产生不利影响；科学控制入模温度，夏季施工时，浇筑工序可以在夜间或者温度不高的条件下进行，针对一些碎石原料进行适当冲洗降温，对砂石等原料以及设备设置遮阴，避免受到温度过高的影响。

（5）二次衬砌施作必须选择合适的时间，一般需要在围岩以及支护变形处于稳定状态之后实施；如果围岩存在显著的变形，则应该强化初期支护后才可够进行二次衬砌。

（6）结合温度控制的要求采取相应措施。冬季设置必要的防寒措施；夏季合理控制温度，避免温度过高影响石料等。

5 结语

暗挖隧道衬砌形成裂缝是一种常见的缺陷，采用科学的工艺和参数能够减少或延缓裂缝的形成。本文在研究裂缝产生的原因后，提出相应的措施，制定科学的预防策略，以期为类似暗挖隧道工程衬砌裂缝的预防与控制提供参考和借鉴。