山嶺隧道襯砌混凝土裂縫產生原因和防治措施

郝新寶

近幾年來，隨著中國經濟的高速發展，尤其在山西省，新建和擬建的高速公路工程項目多數處在山嶺重丘區，隧道工程占有很大比例。山嶺隧道的二次襯砌施工普遍采用液壓整體式鋼模板臺車、泵送混凝土的施工工藝，但混凝土硬化過程中不可避免產生的收縮裂縫不僅影響了整體美觀，還給工程安全、質量留下了較大隱患。在施工過程中必須采取有效的工藝措施和養護措施來控制和減少混凝土中裂縫的數量和寬度。本文結合忻保高速公路的南長房分離式隧道二襯混凝土的施工過程，分析了襯砌混凝土裂縫的原因，提出了預防裂縫產生的措施和治理方法。

1 南長房隧道工程概況

1.1 工程簡介

忻保高速L6合同段南長房隧道為分離式隧道，單幅總長498 m:其中左線隧道長253 m，處在 R=1 450曲線上，進口樁號LK33+090，設計標高1 280.72 m，出口樁號LK33+343，設計標高 1 285.53 m，路面縱坡1.9%;右線隧道長245 m，處在 R=1 350曲線上，進口樁號K33+085，設計標高1 277.48 m，出口樁號K33+330，設計標高1 283.57 m，路面縱坡2.488%。隧道進口洞門為端墻式洞門，左線出口為削竹式洞門、右線出口為端墻式洞門，進、出端襯砌按明洞、Ⅴ級淺埋加強、Ⅴ級淺埋設計，中間襯砌按Ⅳ級，Ⅲ級設計。

1.2 工程氣象、水文、地質情況

本隧道位于云中山隆起區，隧址區屬半干旱大陸季風性氣候區。夏短冬長，四季分明，1月平均氣溫-15.1℃，7月平均氣溫23℃，年平均氣溫8℃，極端最低氣溫-31℃，極端最高氣溫39℃。年均降水量 462.5 mm，降水多集中在 7月～9月，區凍結期始于 11月上旬，解凍期為 3月中旬，最大凍土深度150 cm，地下水主要為基巖裂隙水，水量貧乏。該隧道隧址區地表均基巖裸露，坡腳處為全風化的褐黃色花崗巖，其余部分多為灰白色的強風化花崗巖。進口坡度 27°～ 28°，坡面產狀 130°∠28°，主要發育兩組節理，坡體主要為花崗巖;出口坡度 25°～ 35°，坡面產狀 310°∠30°，主要發育兩組節理，坡體主要為花崗巖。地形起伏較大，表層覆有全風化、強風化花崗巖，自然斜坡穩定。基巖巖性為太古界花崗巖，花崗結構，塊狀構造，主要成分為石英、長石及云母等;洞口段圍巖較破碎，為全風化、強風化花崗巖，圍巖穩定性差，側壁易小坍塌，主要為Ⅳ級，Ⅴ級圍巖;洞內為弱風化花崗巖，節理裂隙較發育，圍巖穩定性較好，主要為Ⅲ級圍巖。

2 混凝土裂縫的類型

1)施工縫(接槎縫)。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，因施工人員沒有經驗，原有的混凝土表面沒有進行鑿毛處理，或者鑿毛后沒有用水沖洗干凈，就在原混凝土表面澆筑混凝土，致使新舊混凝土接槎間出現裂縫。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。3)干縮裂縫。混凝土在硬化過程中水分逐漸蒸發散失，沒有及時灑水養生，混凝土中的膠結體因干燥收縮產生變形，變形產生應力，當應力值超過混凝土的極限抗拉強度時，就會出現干縮裂縫。干縮裂縫表現為表面性的，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。

3 裂縫形成的原因分析

1)設計粗糙，建設、監理單位工作隨意性大。由于客觀和主觀方面的原因，勘察設計單位無法提供詳細的地質勘探資料，隧道圍巖級別評價及支護結構設計缺乏可靠的科學數據分析，帶有很大的片面性。且在隧道施工過程中，由于圍巖的多變性，不能準確地評價圍巖級別，提供合理的支護結構，隨著建筑市場的不斷規范和技術人員技術水平的不斷提高，這些問題會逐步得到解決。

2)施工工藝或現場操作不規范。a.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界限，造成襯砌混凝土厚度不足。個別隧道襯砌混凝土背后存在空洞現象。b.未及時開展監控量測工作，僅憑施工經驗來確定二次襯砌的施作時間，安全可靠性差，造成二次襯砌承受圍巖的壓力超過設計荷載。c.混凝土拌和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存在加水的現象。d.采用液壓整體式鋼模板臺車施工，混凝土澆筑時振搗不及時或局部漏振，造成混凝土均質性差。e.施工過程中追求進度，不按規范要求時間提前脫模，使低強度混凝土過量承受荷載，破壞了混凝土結構。脫模后沒有及時進行混凝土的養護。f.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。冬季施工時采取的防寒保溫措施不能滿足冬季施工要求。

3)原材料質量差、配合比設計不合理。不同品種的水泥，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。

4 混凝土裂縫的治理

1)細微裂縫。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2遍～3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。環氧樹脂漿液配比:環氧樹脂∶501稀釋劑∶二甲苯∶乙二胺=1∶0.2∶0.35∶0.08。刮抹料配比:水泥∶細砂∶水=1∶2∶0.35。調色料配比:水泥∶白水泥∶107膠=5∶3∶1。施工時應經試驗確定。2)貫通性裂縫。沿裂縫方向鑿成寬5 cm、深3 cm的V形槽，在槽內騎縫每隔0.5 m鉆一孔，孔深為襯砌厚度的1/2或2/3，一般不少于15 cm，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φ 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0.15 MPa～0.2 MPa壓力壓入水泥—水玻璃漿液或環氧樹脂漿液。壓漿結束后在0.2 MPa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)密集裂縫。沿裂縫兩側每隔1.2 m～1.5 m交錯布點，鑿成10 cm×10 cm大小、深5 cm的方槽，用風動鑿巖機鉆孔，孔深 3 m，安裝WDT25中空注漿錨桿，注入水泥砂漿，灰砂比1∶(3～5)，水灰比1∶1，施工時由下往上逐級注漿，注漿壓力以0.4 MPa～0.6 MPa為宜。注漿結束后，另鑿新孔在0.6 MPa～1.0 MPa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24 h后安裝錨桿墊板，用環氧樹脂砂漿抹平方槽，表面用刮抹料和調色料處理。

5 預防或緩解混凝土裂縫的措施

5.1 提高設計精度

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。

5.2 把好材料進場關，嚴格控制原材料的質量和技術標準

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。2)碎石。根據泵送管路的內徑，盡可能選用較大粒徑的碎石。嚴格控制含泥量不大于1%，針、片狀物含量不大于15%，粒徑以5 mm～31.5 mm為宜，最大不超過40 mm。3)砂。采用級配良好的中砂，細度模數應為2.3～3.0，粒徑小于0.315 mm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)水。最好選用飲用水。當采用其他水源時，應按國家現行JGJ 63混凝土拌合用水標準的規定進行檢驗，pH值應大于4。5)摻合料。二襯混凝土采用高性能混凝土澆筑，摻加粉煤灰、硅粉膨脹劑等量替代水泥，以減少水泥用量。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。

5.3 嚴格混凝土施工工藝

1)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。2)二次襯砌施作時間，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。3)混凝土的拌和。a.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，及時調整拌和用水量。b.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。4)混凝土的灌注。a.混凝土在運輸和泵送過程中嚴禁加水。b.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1 h～1.5 h，待邊墻混凝土下沉穩定后，再灌注拱部混凝土。c.混凝土灌注過程中必須振搗，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。5)混凝土的脫模、養護。a.混凝土拆模時的強度必須符合設計或規范要求，嚴禁未經試驗人員同意提前脫模，脫模時不得損傷混凝土。b.傳統的混凝土灑水養護方法，增加了隧道內的文明施工難度，灑水也不均勻，使混凝土早期強度得不到保證。建議使用噴涂混凝土養護液的方法進行養護。

6 結語

混凝土結構應針對裂縫產生的主要原因，貫徹預防為主的原則，加強設計施工及使用等方面的管理，確保結構安全和避免不必要的損失。一旦產生裂縫，應查明原因，分析裂縫的類型，選擇最合理的修補方法，使施工方便，經濟高效。

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