隧道钢筋混凝土防开裂施工技术

（吉林建筑大学土木工程学院，吉林 长春 130118）

摘要：由于现有的防开裂施工技术混凝土限制膨胀率高，强度低，裂缝现象严重，为此，开展隧道钢筋混凝土防开裂施工技术研究。在隧道开挖前，搭建复拱钢架支护，运用喷射混凝土填塞缝隙。固结注浆初支围岩，形成环向保护壳。隧道开挖后，洞内反向填充，防止坍塌部位变形破坏，并喷射混凝土修复施工面。运用逐榀环形掏槽预留核心土开挖，将填充材料填入裂缝中，提升混凝土衬砌承载能力。在施工过程中，用防水砂浆整平裂缝表面，定期养护。隧道竣工后，对裂缝衬砌断面进行安全性分析和等级判定。测试结果表明，在隧道施工28 d时，混凝土强度为45 MPa，限制膨胀率为0.045%，符合预期施工效果，裂缝现象得到较好缓解。

关键词：隧道；钢筋混凝土；防开裂；施工；衬砌断面

中图分类号：TU755.9" " " " " " " " 文献识码：A" " " " " 文章编号：

Anti-cracking construction technology of reinforced concrete tunnel

HE Tanqing，GAO Bing*，TIAN Yong，HU Yuanhong，HOU Yongqi

（School of Civil Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130118，China）

Abstract：Due to the high limited expansion rate， low strength and serious crack phenomenon of the existing anti-crack construction technology， the research on anti-crack construction technology of reinforced concrete in tunnel is carried out. Before the tunnel excavation， the steel frame support of the compound arch was built and the gaps were filled with shotcrete. The initial surrounding rock is consolidated to form a circumferential protective shell. After the excavation of the tunnel， the hole is reversed filled to prevent the deformation and damage of the collapsed part， and the construction surface is repaired by shotcrete. The core soil is reserved for excavation by one annular cut， and the filling material is filled into the crack to improve the bearing capacity of the concrete lining. In the construction process， the crack surface is levelled with waterproof mortar and maintained regularly. After the tunnel is completed， the safety analysis and grade judgment of the fracture lining section are carried out. The test results show that the concrete strength is 45 MPa and the limited expansion rate is 0.045% at the 28th day of tunnel construction， which is in line with the expected construction effect and the crack phenomenon is well alleviated.

Keywords： tunnel; reinforced concrete; anti-cracking; construction; lining section

0 引言

隧道是现代交通和基础设施建设中重要的组成部分，而钢筋混凝土衬砌则是隧道建设中必不可少的一项工程技术。钢筋混凝土衬砌作为隧道围岩的保护层，在保证隧道结构安全和稳定的同时，还具备防止岩体风化和水渗透等功能[1]。然而，在衬砌施工过程中，开裂问题常会对隧道的稳定性和使用寿命产生负面影响。

因此，实施有效的衬砌施工技术防止隧道钢筋混凝土衬砌的开裂显得至关重要。合理的施工技术和措施可以有效降低衬砌开裂的风险，确保隧道的结构完整性和可持续性使用。隧道衬砌在使用过程中会受到各种力的作用，包括地表载荷、地震荷载以及车辆荷载等。这些作用力会产生内部应力，当应力超过了材料的抗拉强度或抗剪强度时，就会导致衬砌开裂。本文以隧道钢筋混凝土防开裂施工技术为研究对象，结合实际情况进行测试与分析。通过对隧道钢筋混凝土衬砌防开裂施工技术的研究和应用，可以有效提高隧道衬砌的稳定性和耐久性，延长隧道的使用寿命，同时降低运营和维护成本。

1 防开裂施工技术

1.1 支护加固支撑

因为混凝土沉降过程速度较快，在收敛过程中容易发生形变，需要搭建复拱钢架进行表面支护[2]。设定固定支护缓解坍塌问题，提升稳定性。由于拱顶沉降较小时，受力程度不同，初支护喷射混凝土发生形变，存在不同种类的形变现象。在复拱喷射混凝土时，如果没有完整进行贴合，就会出现缝隙。所以需要用喷射混凝土在缝隙中进行填塞。在搭建支护完成后需要使用Φ17 mm 竖向连接钢筋，将钢架固定成一个整体，从而提升钢架的承压力度。添加一定的支路，并对其进行焊接处理。处理桩孔平面布置如图1所示。

对初支围岩进行固结注浆，形成环向保护壳。围岩注浆能顺利加固。开挖在距离标准线4.3 m处进行注浆。注浆孔孔口选用梅花形进行布设，两侧间距及横向距离均设定为170 cm。孔口管材质运用70 cm，φ42 mm×51 mm的冷轧无缝钢管。孔径设计为φ50 mm，深度为370 cm，注浆孔与路基轴线夹角需要随时调整。围岩裂隙选用纯水泥浆。注浆材料为水泥液浆，C：S=1：0.5，水泥浆水灰比0.5：1。将不同注浆段进行划分，并设定注浆顺序，将不同的注浆施工过程进行分割，对于同一排孔根据由上至下的顺序进行[3]。通常情况下，运用打孔进行注浆。当成孔性能较弱时，应分两段完成。在初支开裂变形后，如果影响二衬施工时，需要对其进行转换施工。在施工开槽前，为了防止因振动导致的大量沉降，应当使用重力锤来凿除钢架两侧的喷射混凝土。预埋送浆管，选用C235混凝土完成回填，整体回填高度至拱顶6 m为止。这样在后期开挖过程中，能够保证施工洞结构的安全[4]。送浆回填需要在管理施工完成后进行，或者在二衬浇筑前进行。由于塌方段会出现难以施工的情况，长度不均匀导致无效对超前管棚进行合理施工。需要在塌方段内进行超前支护。运用108根管，在拱部选取120°的角度范围进行施工作业，管长度为2 m。由于存在塌方段长度问题，超前加固的长度通常为87 m，施工过程中需要进行分段处理，运用多层小导管沉淀开挖。

变形段经常会发生支护混凝土开裂情况，使得混凝土沉降量增加，为了防止初期支护发生坍塌，需要对其进行加固。在变形初期，选用复拱钢架进行支护，在围岩外完成注浆，阻止变形发展。为确保变形换拱段施工安全，通常使用回填洞的方法，对两侧初支进行加固，并保证施工环境的安全性。在施工过程中，不断循环行检查并加固。第一榀失效钢架，宽度略大。每凿除一单元后，需要及时对下一单元进行施工[5]。进行第二榀施工时，凿除宽度需要设定在两者范围内进行。凿除时必须使用设备在小部分分段工作，不能继续做其他处理。直到新换拱架完成安装后，需要及时对底部进行锁定。通过横向连接钢筋的形式稳定，锁定杆选用Φ25 mm R155G2钢筋，间隔长度为5 m，喷射混凝土采用C25的混凝土进行处理，并使用特殊材料进行增强。

为了增加施工过程中的安全性，初支护坍塌后，需要等待塌腔围岩趋于稳定时，才能继续进行施工。在洞内反向填充过程中，需要控制坍塌点施工，防止发生破坏牵引，并喷射混凝土修复施工面。在施工过程中注重施工质量，防止坍塌面不断增加，并为施工提供相对安全的工作环境。在薄膜上铺上一层毯子，不断进行湿润处理。使得混凝土底板保持相对湿润以提升底板的养护效果。考虑到施工成本，按照施工所需流程在隧洞的养护过程中，运用支撑螺栓进行支护，将使混凝土与支护之间存在一定的缝隙。向缝隙中浇水，并增加拆模时间。在模板拆除后，运用敷贴薄膜法对其进行定期养护。设定养护时间为30 d。

1.2 二次衬砌加固

隧道开挖过程中，需要预留30 cm，运用逐榀环形掏槽进行预留，并对其进行开挖[6]。在此过程中，要对子面进行喷射混凝土封闭，在初支护搭建完成后清扫周围坍渣，并运用注浆小导管进行加固[7]。运用C35抗压混凝土，支护为117b的工字钢，间距0.75 m/榀。预留变形的范围要求在70 cm±0.5 cm，钢筋混凝土二衬厚度为78 cm。由于该段填方隧洞顶部施工完成，结构层没有具体被影响，但是沉降产生的裂缝会发生结构形变。将该段路面沥青混凝土表面进行清扫，清除不同材料留下的碎石等。根据裂缝宽度，在0.87 mm处存在大量剪切错动，甚至发生渗水问题。裂缝分布较多，原衬砌结构不能及时进行运用[8]。需要将填充材料填入裂缝当中，提升混凝土衬砌承载能力。使用的填充材料通常为水泥砂浆，填充时，按照裂缝走向凿出一个内口较大的楔形槽，宽度为5 cm，深度由裂缝深度决定。通常深度为8 cm。用清理设备对缝内浮尘和碎石进行清扫，使得缝内整洁。用底胶在槽周围及下面不断涂抹0.75 mm厚的材料并捣固密实。在水泥材料石块与沥青混凝土面层中间安置两层玻璃材质格栅，并再次铺筑沥青混凝土面层[9]。同时，保证在施工现场中混凝土材料的平整度。混凝土结构设置对应构件，选取长度为700 mm，宽度为1 777 mm的标准尺寸板材，选择74 mm×80 mm的杉木格子固定。在拆模过程中，使用的混凝土强度要求在5 MPa以上。混凝土的浇筑温度控制在8℃～18℃。一次浇筑的长度为5 m，高度为5.6 m，厚度为0.35 m。选用整体性水平分层布料。从首端开始，按照相同的厚度进行浇筑，在浇筑过程中需要不断进行振捣，等到顶部全部浇筑完成后，再进行下次浇筑。由于浇筑过程中没有产生上层混凝土倾斜或者坍落等情况，所以表现出较好的浇筑效果。在振捣过程中要注意混凝土跑浆现象，提升混凝土的紧密度。根据顶部厚度计算浇筑过程中需要的混凝土方量，规定布料速度，控制施工中布料厚度。用防水砂浆材料整平裂缝表面，定期完成养护。运用膨胀混凝土对部分开裂处进行防治，可加入适量的聚丙烯纤维及添加剂，以提升混凝土的防水性能，从而延缓开裂。通过对隧道的安全性评价，判定裂缝所在衬砌等级，分析得到裂缝处的衬砌混凝土弹性模量材料参数（见表1）。

通过对裂缝进行评价，对衬砌断面进行安全性分析，判断施工裂缝的安全状态，并调整结构受力需求。将测量裂缝进行相关等级判定。对于评定等级为A类的裂缝，宽度较小时，不做任何处理，运用涂抹添加剂完成防治。等级为B类的裂缝，用凿槽填充法完成防治[10]。等级为C类，宽度为7 mm的裂缝，通常用碳纤加固。评定为D类，宽度为10 mm的裂缝，运用套衬加固法进行注浆后实施防治[11]。如果衬砌开裂程度大，甚至影响结构正常使用时，可以进行拆除重新加固。

2 实例分析

为了验证混凝土防开裂技术的应用效果，对施工试验段进行检测。在施工过程中，预埋应变测量仪和传感器，使用接收装置对测量仪传输的测量数据进行采集，并做相应处理。在拱顶混凝土中安装检测装置后，对应变参数的实时数据进行采集，计算得到其混凝土的抗压强度。预期目标为施工28 d时，混凝土强度在50 MPa以内，限制膨胀率lt;0.050%。

2.1 工程概况

某高速隧道K430+12+250～K430+123为施工路段。该施工区域地面标高为5.0 m～6.0 m，施工区域内地势相对平坦，没有明显的高低起伏，隧道区间线路整体为南北走向。该隧道是一条上下行分离的双洞隧道，由山岭重丘区高速公路的一部分组成。隧道的左右洞室净距大部分在25 m左右。左线隧道长为1 345 m，右线隧道长为1 622 m。设计的行车速度为80 km/h。隧道的净开挖面积范围为84.6 ㎡～102.57 ㎡。隧道的平面位于直线、圆曲线的组合曲线上。隧道所处地形为构造侵蚀、溶蚀峰丛槽谷、峡谷及峰丛洼地中山地貌区。沿线地势陡峻，地形起伏较大，冲沟发育。需要注意的是，该隧道的进出口地形陡峻，与桥梁相连，施工场地狭窄。工程的地质和水文地质条件复杂，存在岩溶发育的情况，局部地段可能会产生突水、突泥、坍塌等不良地质灾害。

在混凝土的运输过程中，应按照运输距离和所应用的设备情况，根据搅拌过程中提供的环境做到调度规划。要严格遵守混凝土工程浇筑的要求。在运输时需使用专用的混凝土搅拌设备，运输的车辆需要增设必要措施，防止出现轮胎打滑现象。在施工过程中，混凝土的温度为8 ℃，在地表温度较高时，需要明确施工时间。将具体施工时间安排在晚上。对混凝土进行浇筑过程中要加设大量照明设备。在混凝土运输时，坍落度要有实际设置。防止因损失严重而无法完成浇筑的情况发生。在不影响混凝土强度的条件下，在混凝土搅拌时要加入适量的强度的缓凝剂。同时，不能对混凝土进行注水混合。混凝土浇筑时，要进行贴膜养护。在大体积混凝土拆模后，向混凝土表面洒水，保证混凝土表面能够长期湿润。在表面敷贴塑料薄膜，使得水分能在塑料薄膜中存储，当薄膜内混凝土的水分干燥后再进行补水。对于水平混凝土构件运用洒水方式，对于垂直构件则配合喷射涂养护液进行。运用二维平面应变模型对隧洞结构进行实体单元模拟。添加顶部上下两端的约束，得到随着温度升高，隧洞顶部混凝土发生应变程度结果。

2.2 结果与分析

将采集到的实时数据绘制成隧道衬砌结构的应变-时间曲线（见图2）。

由图2得出，混凝土在22 h达到最大应变，此时混凝土中心温度为50 ℃，经过传感器测试数据，发现每隔1 h温度就会增加3 ℃。由于在300 h时，应变程度较之前变低，说明此时混凝土内部降温速度变快，在一定程度上缓解了温度下降速度慢的问题。混凝土的膨胀势能得到应用，能在一定范围内缩小混凝土发生开裂的可能。当等到60 h时，混凝土应变下降至270.5 μ，70 h应变的速度逐渐趋于平稳，势能继续发挥中。

测试现场混凝土抗压强度，并计算得到限制膨胀率，与正常施工技术进行对比情况见表2。

由表中结果可知，在第28 d时，混凝土的抗压强度为45 MPa，限制膨胀率在0.045%，符合预期效果，使得抗压强度能达到C30。同时，混凝土处于收缩补偿态势，减轻了混凝土产生裂缝的情况。较正常施工技术下的抗压强度38 MPa和限制膨胀率0.048%，具有较强的优势。

综上所述，从混凝土现浇结构的应用效果可知，测试段拱顶出现裂缝的情况能够得到有效缓解。在施工过程中，混凝土开裂后，由于钢筋没有混凝土的保护，在空气中会发生腐蚀等问题，这样就会使得裂缝越来越大。混凝土出现裂缝，导致作用截面较小，抗拉强度降低。结构发生破坏后，运用本文方法可以防止隧道工程中混凝土产生裂缝。通过对混凝土的浇筑与养护，加强对钢筋防腐能力的提升，增强混凝土的耐久力。运用抗裂防水方式提升混凝土内部的紧密程度，达到较好的施工效果。

3 结语

通过对混凝土防开裂施工技术的改进和创新，提高了钢筋混凝土材料的利用率，保证了成型后混凝土的质量。同时提升了施工速度，保证了隧道工程的安全施工。但该设计还存在不足之处，如工期分配不合理、节约施工成本等。今后在研究中，为保证工程项目施工质量，应在不同方向的结构中进行防开裂施工技术应用，对提高结构稳定性加以要求，设计结构优化模型。在施工过程中通过减少施工误差，加强施工质量，实现更高效、安全的隧道钢筋混凝土防开裂施工技术施工。

参 考 文 献

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编辑：杨洋

作者简介：贺榃清，男，1997，汉族，重庆市，在读硕士，在读研究生，研究方向：防灾减灾工程及防护工程

通讯作者：高兵，1971年，男，汉，吉林省长春市，博士，副教授，研究方向：建筑施工技术、工程项目管理等

联系方式：吉林长春市南关区永兴街道新城大街5088号吉林建筑大学，13883413550

作者简介：贺榃清（1997～），男，重庆市人，硕士研究生，研究方向：防灾减灾工程及防护工程。

*通信作者：高 兵（1971～），男，吉林省长春市人，副教授，博士，研究方向：建筑施工技术、工程项目管理等。