隧道二襯混凝土裂縫原因分析與防治

陳　鵬

摘要:在山嶺隧道施工中,二次襯砌混凝土裂縫成為帶有一定普遍性的質量問題。文章針對混凝土裂縫產生的原因,提出裂縫的預防和治理方法,對提高混凝土襯砌施工水平有借鑒意義。

關鍵詞:隧道二襯;混凝土裂縫;原因分析;防治

隨著國民經濟的發展,山嶺地區新建隧道工程所占的比例逐步增大。隧道二次襯砌施工普遍采用整體式鋼模板臺車、泵送混凝土施工工藝,但混凝土硬化過程中產生的裂縫不僅影響了美觀,還給工程質量留下了隱患。施工中必須采取合理的工程技術措施,控制和減少混凝土中裂縫的數量和寬度。

1 裂縫的類型

1.1 干縮裂縫

混凝土在硬化過程中水分逐漸蒸發散失,使水泥石中的凝結膠體干燥收縮產生變形,由于受到圍巖和模板的約束,變形產生應力,當應力值超過混凝土的抗拉強度時,就會出現干縮裂縫。干縮裂縫多為表面性的,紋理較細小,走向沒有規律。影響混凝土干縮裂縫的因素主要有:水泥品種、用量及水灰比,骨料的大小和級配,外加劑品種和摻量。

1.2 溫度裂縫

水泥水化過程中產生大量的熱量,在混凝土內部和表面間形成溫度梯度而產生應力,當溫度應力超過混凝土內外的約束力時就會產生溫度裂縫。裂縫寬度冬季較寬,夏季較窄。溫度裂縫的產生與二次襯砌混凝土的厚度及水泥的品種、用量有關。

1.3 荷載變形裂縫

地質原因或防水設施處理不當,圍巖沉降產生荷載; 仰拱和邊墻基礎的虛碴未清理干凈,混凝土澆筑后,基底產生不均勻沉降;模板臺車或堵頭板沒有固定牢固,以及過早脫模,或脫模時混凝土受到較大的外力撞擊等都容易產生變形裂縫。荷載變形裂縫在隧道襯砌混凝土病害中占有的比例逐年增大,已經引起了廣大工程技術人員的重視。

1.4 施工縫(接茬縫)

施工過程中由于停電、機械故障等原因迫使混凝土澆筑中斷時間超過混凝土的初凝時間,繼續澆筑混凝土時,原有的混凝土基礎表面沒有進行鑿毛處理,或者鑿毛后沒有用水沖洗干凈,也沒有鋪水泥砂漿墊層,就在原混凝土表面澆筑混凝土,致使新舊混凝土接茬間出現裂縫。

2 裂縫形成的原因分析

2.1 設計粗糙,建設、監理單位工作隨意性大

由于多方面的原因,勘察設計單位無法深入地開展地質勘探工作,隧道圍巖類別評價及支護結構等級設計缺乏科學依據,帶有一定的盲目性。個別建設單位限于自身管理和專業技術水平的欠缺,任意變更原設計。

2.2 施工工藝或現場操作不規范

隧道開挖成型差,襯砌混凝土厚度嚴重不均勻;欠挖或初期支護侵入襯砌限界,造成襯砌混凝土厚度不足。個別隧道襯砌混凝土背后存在脫空、防水處理不當、防水板破漏等現象;未開展監控量測工作或量測走與形式僅憑經驗來確定二次襯砌的施作時間,安全可靠性差,造成二次襯砌超設計荷載承受圍巖壓力;混凝土生產時原材料計量誤差大,尤其外加劑的摻加隨意性大,沒有根據砂、石料的實際含水率及時調整施工用水量,造成混凝土水灰比增大。在混凝土運輸及泵送過程中加水的現象也比較普遍;采用整體式鋼模板臺車施工,混凝土澆筑時不振搗或漏振,混凝土均質性差;盲目追求施工進度,隨意提前脫模時間,使低強度混凝土過量承受荷載,破壞了混凝土結構。脫模后沒有進行混凝土的潮濕養護;夏季施工時砂、石料露天堆放,無切實有效的降溫措施,混凝土入模溫度高。冬期施工時采取的防寒保溫措施不力。

2.3 原材料質量差、配合比設計不合理

水泥品種選擇不當,安定性不良,不同批次的水泥混用。碎石、砂級配差,含泥量超標,碎石中石粉含量大,針、片狀物過多,影響了水泥與骨料的膠結。

進行配合比設計時,忽視水泥用量增多對混凝土品質的影響,錯誤認為水泥用量越多,混凝土強度越高。對摻合料和外加劑的選用缺乏專業技術人員的指導,往往達不到預期的效果。

3 混凝土裂縫的治理

3.1 細微裂縫

隧道襯砌混凝土表面常出現一些沒有擴展性的細微裂縫,這種裂縫是穩定的,一般可自愈,不會影響結構的使用和耐久性。從美觀考慮,可先清洗干凈裂縫表面,然后涂刷環氧樹脂漿液二至三遍,最后用刮抹料、調色料處理混凝土表面,使其顏色與周圍襯砌混凝土顏色一致。

3.2 貫通性裂縫

貫通性裂縫的危害較大,必須采取有效的治理方法。沿裂縫方向鑿成寬5cm、深3cm的V形槽,在槽內騎縫每隔0.5m鉆一孔,孔深為襯砌厚度的1/2或2/3,一般不少于15cm,并不得穿透襯砌以防跑漿。用清水沖洗干凈槽內的雜物及粉塵,在孔內插入￠10的壓漿管,利用環氧樹脂水泥砂漿錨固,用灰刀將砂漿壓實抹光。環氧樹脂砂漿配比,環氧樹脂:水泥:細砂:乙二胺:二丁酯=1:1.6:3.2:0.1:0.12,其中乙二胺是固化劑,二丁酯是稀釋劑。待環氧樹脂砂漿有一定的強度后,以0.15MPa～0.2MPa壓力壓入水泥-水玻璃漿液或環氧樹脂漿液。壓漿結束后在0.2MPa壓力下壓水檢查壓漿效果。裂縫表面用刮抹料和調色料處理。

3.3 密集裂縫

襯砌背后有空洞或襯砌厚度不足引起的密集裂縫,必須進行防水和地層加固處理。沿裂縫兩側每隔1.2m～1.5m交錯布點,鑿成10cm×10cm大小深5cm的方槽,用風動鑿巖機鉆孔,孔深3m,安裝￠600mm中空注漿鋼花管,注入純水泥漿,水灰比1:1,施工時由下往上逐級注漿,注漿壓力以0.6MPa～1.0MPa為宜。注漿結束后,另鑿新孔在0.8MPa～1.2MPa壓力下壓入純水泥漿檢查注漿效果,當達到規定壓力而砂漿壓不進時,即認為已經注滿。注漿24h后用環氧樹脂砂漿抹平方槽,表面用刮抹料和調色料處理。

4 預防或緩解混凝土裂縫的措施

4.1 提高設計精度同時加強超前地質預報工作

加強工程前期地質工作,為設計提供詳盡的工程地質、水文地質勘探資料,提高設計的質量、同時在施工中加強做好超前地質預報工作,為不良地址段提供準確的數據基礎。

4.2 把好材料進場關,嚴格控制原材料的質量和技術標準

4.2.1 水泥

施工現場多使用普通硅酸鹽水泥,但應盡量減少單位水泥用量。不同品牌、不同規格、不同批次的水泥不能混用。

4.2.2 碎石

根據泵送管路的內徑,盡可能選用較大粒徑的碎石。嚴格控制含泥量≤1%,針、片狀物含量≤15%,粒徑以5～31.5mm為宜,最大不超過40mm。

4.2.3 砂

采用級配良好的中砂,細度模數應為3.0～2.3,粒徑小于0.315mm的顆粒含量所占比例宜為15～20%,嚴格控制含泥量在3%以內。為方便混凝土的運輸、泵送和澆筑,砂率取35%～45%。

4.2.4 水

最好選用飲用水。當采用其他水源時,應按國家現行《砼拌合用水標準》(JGJ63)的規定進行檢驗,PH值應大于4。水灰比越大,混凝土的干燥收縮越大。嚴格控制泵送混凝土的用水量是減少裂縫的根本措施。施工中水灰比在0.45～0.55之間,混凝土入泵塌落度控制在(12±2)cm。

4.2.5 摻合料。推廣摻加粉煤灰和膨脹劑的雙摻技術,等量替代水泥,以減少水泥用量。對強度等級C25以下的混凝土,粉煤灰摻量一般為水泥用量的10%～15%,膨脹劑摻量為水泥用量的8%～12%,具體摻量需經試驗確定。

4.2.6 外加劑。高效減水劑能夠有效減少拌合用水,降低水化熱,延緩水化熱釋放速度,從而減少溫度裂縫,但摻量過多,會引起混凝土的腫脹和開裂。施工時必須慎重選擇外加劑的品種和摻量。

4.3 嚴格混凝土施工工藝

a.提高鉆眼技術水平,優化鉆爆參數,提高光面爆破效果,加強隧道開挖斷面檢測,嚴格控制超欠挖,為襯砌施工創造良好的條件。

b.加強監控量測工作,嚴格控制二襯施做時間。二次襯砌施作,應在圍巖和初期支護變形基本穩定時進行。當圍巖變形較大、流變特性明顯,需提前進行二次襯砌時,必須對初期支護或襯砌結構進行加強。

c.混凝土的拌合:①嚴格按施工配料單計量,定期檢查校正計量裝置。加強砂石料含水率檢測,及時調整拌合用水量。②控制混凝土的入模溫度。夏季施工時,當氣溫高于32℃時,砂石料、攪拌機應搭設遮陽棚,用冷水沖洗碎石降溫。盡量安排在夜間澆筑混凝土。

d.混凝土的灌注:混凝土在運輸和泵送過程中嚴禁加水;適當放慢灌注速度,兩側邊墻對稱分層灌注,到墻、拱交界處停1h～1.5h,待邊墻混凝土下沉穩定后,再灌注拱部混凝土;混凝土灌注過程中必須振搗,振搗一般采用附著式振搗器和插入式振搗器組合振搗,以提高混凝土的密實度和均質性,減少內部微裂縫和氣孔,提高抗裂性。