综合管廊结构混凝土裂缝成因及处理工艺

陈峰，李勇，潘琳锋，闫鑫，陈良叶

（中国建筑土木建设有限公司，北京 100071）

1 引言

综合管廊建设目前被广泛应用于地下混凝土结构施工中，地下综合管廊结构的设计寿命是100 年，但是，受到混凝土裂缝渗漏等问题的影响，综合管廊结构的使用寿命有所降低。消除和减少混凝土裂缝是保证地下管廊工程质量的重要环节，对综合管廊结构混凝土裂缝的成因和后续处理也就显得尤为重要。

2 工程概况

某市政主次干路及综合管廊工程涉及主干路一条，长度约1.532 km。次干路7 条，总长度约6.968 km，综合管廊采用现浇钢筋混凝土多跨多层箱型框架结构形式，本工程主体结构安全等级为一级；设计使用年限为100 年；结构构件重要性系数取1.1，结构构件裂缝控制等级为三级，结构构件的最大裂缝限值应小于或等于0.2 mm，且不得贯通；防水等级为二级。

3 裂缝情况

1）采用木模板技术对管廊的顶板、侧墙进行混凝土浇筑，共浇筑3 节，浇筑长度分别是30 m、25 m、37 m，浇筑完成后1～2 d 内拆除木模板，拆模时未发现裂缝，7～14 d 后再次观察，发现2～6 条裂缝。

2）一个月后，采用木模板技术将管廊分3 个施工点，对顶板和侧墙进行大面积混凝土浇筑施工，此次浇筑节段共21节，2～3 d 后拆除木模板，拆除时发现，30 m 的节段在拆除模具后出现竖向微倾斜的裂缝，裂缝参数基本相似且较为明显。墙体根部进行二次浇筑的施工缝出现更为明显的裂缝，裂缝一直延伸至顶板，裂缝宽度为0.2～0.3 mm，裂缝产生部位多处在施工缝3～5 m，其余裂缝分布在节段中部。

3）后期对浇筑后墙体观察发现，管廊内侧墙体出现裂缝的时间是完成浇筑后的15～30 d，内侧墙体裂缝与外侧墙体裂缝基本对称，从墙体根部一直延伸至顶板，呈纵向微倾斜的裂缝，并且内侧墙体裂缝的数量已超出外侧墙体裂缝的数量。

经观察记录发现，30 m 的节段，位于综合管廊南侧的外墙裂缝数量为7～17 条，间距为1～6.9 m；南侧内墙裂缝数量为8～20 条，间距为0.9～2.8 m。管廊北侧的外墙裂缝数量为5～10条，间距为1～7.9 m；北侧内墙裂缝数量为6～7 条，间距为1.2～4.8 m。同时在顶板内部也发现相应裂缝，并于两侧墙体环向连接，呈环形连接的裂缝占比为60%～90%。

25 m 长度以下的节段，综合管廊南侧的外墙裂缝数量为2～6 条，间距为2.85～7.15 m；内墙裂缝数量为1～2 条，间距为1.6～3.5 m。北侧的外墙和内墙裂缝数量均为0～6 条，间距分别是2.3～3.6 m 和1.6～3.5 m。同样，在顶板内部发现相应裂缝，并与两侧墙体裂缝呈环向连接，呈环形连接的裂缝占比为0%～50%。相关数据如表1 所示。

表1 裂缝间距m

4 裂缝成因分析

4.1 混凝土自身的收缩性能

混凝土自身的收缩性能是出现混凝土裂缝的重要原因，该工程中影响混凝土收缩的因素有很多，其中最为主要的包括以下3 点。

1）水泥浆的化学收缩：出现混凝土收缩的客观因素是水泥浆的化学性收缩，经检测发现，每0.1 kg 硅酸盐水泥的收缩量约为7～9%。假设每立方米混凝土中，水泥的用量是250 kg，按照推算，水泥浆的收缩量将占混凝土总体积量的2%。

2）混凝土的失水收缩：混凝土因失水收缩是混凝土产生裂缝的主要因素[1]，虽然单个孔隙中因自由失水导致干燥收缩的体积不大，但是孔隙会最终影响混凝土的抗渗防水能力，进而形成混凝土整体的收缩。通常情况下，混凝土的失水收缩范围是0.3～0.6 mm，该收缩影响远远大于化学性收缩影响，因此要更加关注。

3）混凝土的热胀冷缩：混凝土的热胀冷缩也是混凝土出现裂缝的重要因素之一[2]，在初期进行混凝土浇筑时，水泥水化产生的热量将引起混凝土的热胀效应，随着时间的递延，水化热温度逐步下降，这时混凝土将产生冷收缩效应。当冷缩的应力超过混凝土抗拉强度后，混凝土出现裂缝现象。混凝土热胀冷缩与水泥的型号、组成、用量均有关系，水泥用量越大，产生的水化热越高，引起的胀缩效应也越大。

4.2 设计缺陷

1）混凝土中的集料的作用是增加混凝土整体稳定性和耐久性能，温度和湿度的变化对它的影响极小。因此，集料体积的变化几乎不会引起混凝土的变形。混凝土中浆量的体积则会影响混凝土的变形，进而引发混凝土收缩效应，但是为了便于泵送施工，同时保证混凝土的整体性能，具体进行混凝土浇筑时，会通过增加混凝土浆量的体积来提高施工的便利性，随着混凝土浆量体积的增加，混凝土变形量增加，相应的混凝土收缩也会增加。另外，在提高混凝土强度等级时，水泥的用量也会增加，水化热提高，因此增加了混凝土的冷缩效应，加大混凝土收缩量。

2）地下综合管廊出现裂缝的另一个原因是钢筋配置和伸缩缝间距控制不合理，具体影响因素主要是：综合管廊水平、垂直方向的钢筋直径和间距配置不合理；钢筋直径太粗、间距配置大、钢筋布设密度不符合要求；不均匀的混凝土收缩等都是产生混凝土裂缝的因素，当混凝土收缩应力超过钢筋能承受的应力时，就会发生混凝土裂缝。另外，通常将综合管廊混凝土伸缩缝间距控制在30 m 内，如超过该距离，会使混凝土收缩应力达到最大，从而出现混凝土裂缝。

4.3 产生混凝土裂缝的其他因素

具体工程施工中，还有如下3 个因素会导致发生混凝土裂缝：（1）混凝土浇筑完成后，养护措施和时间不当[3]，导致混凝土失水；（2）对底板和顶板的二次浇筑时间间隔太长，导致混凝土干缩出现裂缝；（3）膨胀剂性能质量参差不齐，很难精准地将膨胀时间和混凝土干缩时间同步，最终出现混凝土裂缝。

5 裂缝处理技术

根据现场裂缝开裂勘测情况，针对裂缝的情况分别进行处理，一种是简单地对表面裂缝进行补缝处理，另一种是对贯穿性裂缝进行化学灌浆法补缝。

5.1 凿槽

在进行凿槽作业前，登记好裂缝情况，然后将裂缝部位凿出宽度为10 cm，长度是裂缝两端各10 cm 的范围，宽度控制在10 cm 左右，同时将此距离周边的混凝土表面做打毛处理。对成槽进行专业的残渣清除和松块处理，借助专业的风枪设备将所有缝隙吹干。

5.2 埋管

埋管时，需对放入的软胶管尺寸做严格把控，软胶管宽5 cm 左右的方可放入槽缝内，同时于上、下两个部位放入长度为30 cm 的灌浆管，间隔距离宜为15 cm，最后借助化学剂速凝水泥浆对软胶做固定处理。

5.3 表面封缝

软胶管埋设结束后，对于凹槽表面做环氧胶液的涂刷处理，最后用相同材质的化学剂将该槽缝封闭。

5.4 清洗与压气试验

封缝4～5 d 后，再次利用水气交换法对可见的裂缝展开二次清洗，冲洗压力控制在3.75～4.5 MPa 为最佳，为后续封缝检查工作提供一定的技术支撑。

5.5 化学灌浆

5.5.1 灌浆材料及配比操作

根据本工程的实际情况，技术人员特将弹性性能极佳的环氧浆作为此次灌浆的首选材料，该原料的化学性能参数为：起始黏度8～100 mPa·s；抗压强度30～120 MPa；黏结强度：干缝为1.5～3.2 MPa，湿缝为1.3～2.8 MPa；固化时间4～24 h。

以裂缝情况和固化时间为配合比，即弹性环氧树脂∶固化剂=100∶（12～14），得出的参数可用作裂缝的灌浆量。

5.5.2 化学灌浆作业

此次灌浆借助专业的设备辅助完成，即手摇浆机和空压机。每条裂缝在灌注前，施工人员会依据裂缝的实际水压和压气值做估算，现场完成灌浆料的配制工作。具体灌注期间，将裂缝下端的灌浆管作为进浆管，反向的上端灌浆管为出浆管。启用手摇灌浆操作时，控制好压力值，数值在0.25～0.3 MPa 为最佳。为提升此次灌浆的质量，施工人员对配比好的灌浆原料做不同级别的分类，初始浓度设定在35%～40%，依次按照每级浓度增加15%～20%，同时对灌浆压力进行规范值的控制，并将整个灌浆作业控制在10 min 内完成。最后对实际的灌浆编号及时间和压力值做具体记录和资料的留存。

6 裂缝预防对策

依据上述原因，针对裂缝的预防措施可采取以下4 种方式。

1）混凝土原料的选择：由最初的C45 型号替换为C40 型号，达到节约水泥用量的目的，减少混凝土的热胀现象。必要时，掺入一定量的粉煤灰，待混凝土浇筑2 周后发挥其二次反应，延迟水泥原料在水化时出现的高热峰值，为混凝土的养护提供条件。针对特殊部位，适当掺入15%～20%的水泥，并用高效减水剂作为降低混凝土用水量的外加剂，减少其的土灰掺比值，以达到节约8%～15%水泥用量的最终目的。

2）墙内钢筋布设：针对混凝土墙结构，内部的钢筋配置需分横、纵两个方向，二者间距调整为150 mm。依据本工程的实际情况，外墙板应配置双排分布钢筋网,并将0.25%作为钢筋率的最小配置值，水平方向横、纵间距控制在10～15 cm，直径0.1～1.4 cm，以此达到加强墙板部位钢筋混凝土的抗拉强度。

3）因管廊外墙长期暴露，受温度和湿度影响较大，故外墙变形缝之间的间距应控制在25 m 内。同时缩短底板和顶板二次浇筑时间间隔。

4）混凝土浇筑完成后，合理安排混凝土养护次数和时间，浇水养护时间至少为14 d。

7 结语

按照本文所述的裂缝处理技术施工后，该工程的裂缝数量得到了有效控制，根据该工程可得出结论：综合管廊施工时要注意3 点，一是在混凝土强度选择上，混凝土强度宜不超过C40，一般选用C35 混凝土；二是垂直布设的钢筋间距控制在15 cm 内；三是混凝土浇筑完成后，要及时进行养护并保证养护时间，以此保证施工质量，预防和减少裂缝。