隧洞襯砌混凝土裂縫的成因與防治

王少波

（懷化市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 懷化市418000）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)水利事業(yè)大量資金的投入，隧洞工程所占的比例逐步增大。但混凝土硬化過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫不僅影響了美觀，還給工程質(zhì)量留下了隱患。施工中必須采取合理的工程技術(shù)措施，控制和減少混凝土裂縫的數(shù)量和寬度。

1 裂縫的類型

隧洞襯砌混凝土裂縫類型主要有：干縮裂縫、溫度裂縫、外荷載作用產(chǎn)生的變形裂縫、施工縫處理不當(dāng)引起的接茬縫等。

（1）干縮裂縫。

混凝土在硬化過(guò)程中水分逐漸蒸發(fā)散失，使水泥石中的凝結(jié)膠體干燥收縮產(chǎn)生變形，由于受到圍巖和模板的約束，變形產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)干縮裂縫。干縮裂縫多為表面性的，走向沒(méi)有規(guī)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(jí)配，外加劑品種和摻量。

（2）溫度裂縫。

水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量，在混凝土內(nèi)部和表面間形成溫度梯度而產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土內(nèi)外的約束力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。裂縫寬度冬季較寬,夏季較窄。溫度裂縫的產(chǎn)生與二次襯砌混凝土的厚度及水泥的品種、用量有關(guān)。

（3）荷載變形裂縫

仰拱和邊墻基礎(chǔ)的虛碴未清理干凈，混凝土澆筑后，基底產(chǎn)生不均勻沉降；模板臺(tái)車(chē)或堵頭板沒(méi)有固定牢固，以及過(guò)早脫模，或脫模時(shí)混凝土受到較大的外力撞擊等都容易產(chǎn)生變形裂縫。荷載變形裂縫在隧洞襯砌混凝土病害中占有的比例逐年增大，已經(jīng)引起了廣大工程技術(shù)人員的重視。

（4）施工縫（接茬縫）。

施工過(guò)程中由于停電、機(jī)械故障等原因迫使混凝土澆筑中斷時(shí)間超過(guò)混凝土的初凝時(shí)間，繼續(xù)澆筑混凝土?xí)r，原有的混凝土基礎(chǔ)表面沒(méi)有進(jìn)行鑿毛處理，或者鑿毛后沒(méi)有用水沖洗干凈，也沒(méi)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(xiàn)裂縫。

2 裂縫形成的原因分析

混凝土裂縫形成的原因非常復(fù)雜，往往是多種不利因素綜合作用的結(jié)果。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，施工不規(guī)范造成的混凝土裂縫占80%左右,材料質(zhì)量差或配合比不合理產(chǎn)生的裂縫占15%左右,設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的裂縫可能占5%。

（1）設(shè)計(jì)粗糙，建設(shè)、監(jiān)理單位工作隨意性大。

由于多方面的原因，勘察設(shè)計(jì)單位無(wú)法深入地開(kāi)展地質(zhì)勘探工作，隧洞圍巖類別評(píng)價(jià)及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)依據(jù)，帶有一定的盲目性。個(gè)別建設(shè)單位限于自身管理和專業(yè)技術(shù)水平的欠缺，任意變更原設(shè)計(jì)。少數(shù)工程由業(yè)主的內(nèi)部人員組成監(jiān)理機(jī)構(gòu)，監(jiān)理工作失去了獨(dú)立性。隨著建筑市場(chǎng)的規(guī)范，這些問(wèn)題會(huì)逐步得到解決。

（2）施工工藝或現(xiàn)場(chǎng)操作不規(guī)范。

a、隧洞開(kāi)挖成型差，襯砌混凝土厚度嚴(yán)重不均勻；欠挖或初期支護(hù)侵入襯砌限界，造成襯砌混凝土厚度不足。個(gè)別隧洞襯砌混凝土背后存在脫空現(xiàn)象。

b、未開(kāi)展監(jiān)控量測(cè)工作，僅憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定二次襯砌的施作時(shí)間，安全可靠性差，造成二次襯砌超設(shè)計(jì)荷載承受?chē)鷰r壓力。

c、混凝土生產(chǎn)時(shí)原材料計(jì)量誤差大，尤其外加劑的摻加隨意性大，沒(méi)有根據(jù)砂、石料的實(shí)際含水率及時(shí)調(diào)整施工用水量，造成混凝土水灰比增大。在混凝土運(yùn)輸及泵送過(guò)程中加水的現(xiàn)象也比較普遍。

d、采用整體式鋼模板臺(tái)車(chē)施工，混凝土澆筑時(shí)不振搗或漏振，混凝土均質(zhì)性差。

e、盲目追求施工進(jìn)度，隨意提前脫模時(shí)間，使低強(qiáng)度混凝土過(guò)量承受荷載，破壞了混凝土結(jié)構(gòu)。脫模后沒(méi)有進(jìn)行混凝土的潮濕養(yǎng)護(hù)。

f、夏季施工時(shí)砂、石料露天堆放，無(wú)切實(shí)有效的降溫措施，混凝土入模溫度高。冬期施工時(shí)采取的防寒保溫措施不力。

（3）原材料質(zhì)量差、配合比設(shè)計(jì)不合理。

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

進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，忽視水泥用量增多對(duì)混凝土品質(zhì)的影響，錯(cuò)誤認(rèn)為水泥用量越多，混凝土強(qiáng)度越高。對(duì)摻合料和外加劑的選用缺乏專業(yè)技術(shù)人員的指導(dǎo)，往往達(dá)不到預(yù)期的效果。

3 混凝土裂縫的治理

混凝土作為多組材料組成的脆性材料，裂縫的存在是客觀的。作為施工單位應(yīng)加強(qiáng)襯砌混凝土的施工管理，避免或減少混凝土裂縫的產(chǎn)生。對(duì)于出現(xiàn)的裂縫，應(yīng)認(rèn)真分析原因，分清是有害裂縫還是無(wú)害裂縫，并對(duì)有害裂縫進(jìn)行處理，防止裂縫繼續(xù)發(fā)展，影響襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3.1 細(xì)微裂縫

隧洞襯砌混凝土表面常出現(xiàn)一些沒(méi)有擴(kuò)展性的細(xì)微裂縫，這種裂縫是穩(wěn)定的，一般可自愈，不會(huì)影響結(jié)構(gòu)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(huán)氧樹(shù)脂漿液2～3遍，最后用刮抹料、調(diào)色料處理混凝土表面，使其顏色與周?chē)r砌混凝土顏色一致。

環(huán)氧樹(shù)脂漿液配比，環(huán)氧樹(shù)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(xì)砂∶水=1∶2∶0.35。 調(diào)色料配比，水泥∶白水泥∶107 膠=5∶3∶1。施工時(shí)應(yīng)經(jīng)試驗(yàn)確定。

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5 cm、深3 cm的V形槽,在槽內(nèi)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(nèi)的雜物及粉塵,在孔內(nèi)插入Φ10的壓漿管，利用環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿錨固,用灰刀將砂漿壓實(shí)抹光。環(huán)氧樹(shù)脂砂漿配比，環(huán)氧樹(shù)脂∶水泥∶細(xì)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(huán)氧樹(shù)脂砂漿有一定的強(qiáng)度后，以（0.15～0.2）MPa壓力壓入水泥-水玻璃漿液或環(huán)氧樹(shù)脂漿液。壓漿結(jié)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(diào)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(jìn)行防水和地層加固處理。沿裂縫兩側(cè)每隔（1.2～1.5）m交錯(cuò)布點(diǎn)，鑿成10 cm×10 cm大小深5 cm的方槽，用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)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(shí)由下往上逐級(jí)注漿，注漿壓力以（0.4～0.6）MPa為宜。注漿結(jié)束后，另鑿新孔在（0.6～1.0）MPa壓力下壓入純水泥漿檢查注漿效果，當(dāng)達(dá)到規(guī)定壓力而砂漿壓不進(jìn)時(shí)，即認(rèn)為已經(jīng)注滿。注漿24 h后安裝錨桿墊板，用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿抹平方槽，表面用刮抹料和調(diào)色料處理。

4 預(yù)防或緩解混凝土裂縫的措施

（1）提高設(shè)計(jì)精度。

加強(qiáng)工程前期地質(zhì)工作，為設(shè)計(jì)提供詳盡的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探資料，提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

（2）把好材料進(jìn)場(chǎng)關(guān)，嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

a、水泥：施工現(xiàn)場(chǎng)多使用普通硅酸鹽水泥，但應(yīng)盡量減少單位水泥用量。不同品牌、不同規(guī)格、不同批次的水泥不能混用。

b、碎石：根據(jù)泵送管路的內(nèi)徑，盡可能選用較大粒徑的碎石。嚴(yán)格控制含泥量≤1%，針、片狀物含量≤15%，粒徑以（5～31.5）mm為宜，最大不超過(guò)40 mm。

c、砂：采用級(jí)配良好的中砂，細(xì)度模數(shù)應(yīng)為3.0～2.3，粒徑小于0.315 mm的顆粒含量所占比例宜為15%～20%，嚴(yán)格控制含泥量在3%以內(nèi)。為方便混凝土的運(yùn)輸、泵送和澆筑，砂率取35%～45%。

d、水：最好選用飲用水。當(dāng)采用其他水源時(shí)，應(yīng)按國(guó)家現(xiàn)行《砼拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 63）的規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn)，pH值應(yīng)大于4。水灰比越大，混凝土的干燥收縮越大。嚴(yán)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。

e、摻合料：推廣摻加粉煤灰和膨脹劑的雙摻技術(shù)，等量替代水泥，以減少水泥用量。對(duì)強(qiáng)度等級(jí)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(jīng)試驗(yàn)確定：

●粉煤灰比表面積小，需水量低，不僅能有效降低混凝土的干燥收縮值，還可以改善混凝土的流動(dòng)性、粘聚性和保水性。在水泥中摻入原狀或磨細(xì)粉煤灰后，可以降低混凝土中水泥的水化熱，推遲水化熱峰值的出現(xiàn)，減少絕熱條件下的溫升，有利于控制溫度裂縫的產(chǎn)生。粉煤灰的摻加在水工大體積混凝土施工中應(yīng)用比較廣泛，由于認(rèn)識(shí)、技術(shù)上的原因，目前在山嶺隧洞施工中應(yīng)用較少。

●摻加適量的膨脹劑可以補(bǔ)償混凝土的收縮，增加密實(shí)度，提高混凝土防滲抗裂能力。

f、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(guò)多，會(huì)引起混凝土的腫脹和開(kāi)裂。施工時(shí)必須慎重選擇外加劑的品種和摻量。

（3）嚴(yán)格混凝土施工工藝。

a、提高鉆眼技術(shù)水平，優(yōu)化鉆爆參數(shù)，提高光面爆破效果，加強(qiáng)隧洞開(kāi)挖斷面檢測(cè)，嚴(yán)格控制超欠挖，為襯砌施工創(chuàng)造良好的條件。

b、二次襯砌施作時(shí)間，應(yīng)在圍巖和初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行。當(dāng)圍巖變形較大、流變特性明顯,需提前進(jìn)行二次襯砌時(shí)，必須對(duì)初期支護(hù)或襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

c、混凝土的拌合：

●嚴(yán)格按施工配料單計(jì)量，定期檢查校正計(jì)量裝置。加強(qiáng)砂石料含水率檢測(cè)，及時(shí)調(diào)整拌合用水量。

●控制混凝土的入模溫度。夏季施工時(shí)，當(dāng)氣溫高于32℃時(shí)，砂石料、攪拌機(jī)應(yīng)搭設(shè)遮陽(yáng)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(yùn)輸和泵送過(guò)程中嚴(yán)禁加水。

●適當(dāng)放慢灌注速度，兩側(cè)邊墻對(duì)稱分層灌注,到墻、拱交界處停（1～1.5）h，待邊墻混凝土下沉穩(wěn)定后，再灌注拱部混凝土。

●混凝土灌注過(guò)程中必須振搗，提高混凝土的密實(shí)度和均質(zhì)性，減少內(nèi)部微裂縫和氣孔，提高抗裂性。

e、混凝土的脫模、養(yǎng)護(hù)：

●混凝土拆模時(shí)的強(qiáng)度必須符合設(shè)計(jì)或規(guī)范要求，嚴(yán)禁未經(jīng)試驗(yàn)人員同意提前脫模，脫模時(shí)不得損傷混凝土。

●傳統(tǒng)的混凝土灑水養(yǎng)護(hù)方法，增加了隧洞內(nèi)文明施工的難度，灑水也不均勻，使混凝土早期強(qiáng)度得不到保證，建議使用噴涂混凝土養(yǎng)護(hù)液的方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。