鐵路隧道襯砌裂縫整治探討

周林峰,朱麟晨

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司土建三院,四川成都610031)

在對某鐵路全線隧道進行檢查過程中，發(fā)現(xiàn)部分隧道存在不同程度、不同位置的裂縫。根據(jù)該鐵路建設(shè)單位指揮部的要求，設(shè)計單位對相關(guān)隧道裂縫產(chǎn)生的原因進行了系統(tǒng)的總結(jié)分析，并且提出了裂縫整治的方案措施。

1 隧道襯砌裂縫分布情況

根據(jù)對該鐵路相關(guān)隧道二次襯砌裂縫的調(diào)查和統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)襯砌裂縫有如下特點。

(1)裂縫主要存在于隧道的拱部、邊墻的位置；

(2)裂縫有縱向裂縫、豎向裂縫、斜向裂縫及復(fù)合型裂縫等狀態(tài)；

(3)裂縫有存在于隧道襯砌混凝土表面的、常出現(xiàn)的、沒有擴展性的細(xì)微裂縫，有從觀測孔可以看到貫通襯砌厚度的貫通裂縫，有因襯砌背后有空洞或襯砌厚度不足而引起的密集裂縫；

(4)裂縫最小寬度不足1 mm，最大寬度近10 mm；

(5)絕大多數(shù)裂縫停止發(fā)展，少數(shù)裂縫從預(yù)埋觀測標(biāo)的情況來看存在可能繼續(xù)發(fā)展的跡象。

2 裂縫的類型

根據(jù)對該鐵路隧道二次襯砌裂縫類型初步分析，襯砌混凝土裂縫主要有干縮裂縫、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)引起的接茬縫等幾種類型。

2.1 干縮裂縫

混凝土在硬化過程中水分由于逐漸蒸發(fā)散失,使水泥石中的凝結(jié)膠體干燥體積逐漸縮小而產(chǎn)生變形,由于受到圍巖和二襯模板的約束,變形產(chǎn)生應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力值超過混凝土的抗拉強度時,就會出現(xiàn)干縮裂縫。干縮裂縫屬于混凝土硬化后階段發(fā)生，屬于后期裂縫。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,粗細(xì)骨料的大小和級配,外加劑品種和摻量等，也與混凝土的振搗、天氣、現(xiàn)場風(fēng)速、養(yǎng)護有關(guān)。

2.2 溫度裂縫

混凝土硬化期間水泥釋放出大量的水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，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)力超過混凝土內(nèi)外的約束力時,就會產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫分內(nèi)部溫度裂縫和外部溫度裂縫。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)；此外雖然部分混凝土內(nèi)部溫度變化很小或變化緩慢，但表層溫度可能變化較大甚至劇烈，如養(yǎng)護不周、時干時濕、表面干縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束也導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

2.3 荷載變形裂縫

襯砌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而產(chǎn)生的變形裂縫。荷載變形裂縫在隧道襯砌裂縫類型中的比重較大，特別是產(chǎn)生于襯砌邊墻的荷載變形裂縫。

2.4 施工接茬縫

施工過程中由于停電、機械故障或管理不到位等原因，導(dǎo)致混凝土澆筑中斷時間超過混凝土的初凝時間,繼續(xù)澆筑混凝土?xí)r,若原有混凝土表面沒有進行鑿毛處理,或者鑿毛后沒有沖洗干凈,就在原混凝土表面澆筑混凝土,則會使新舊混凝土接茬間出現(xiàn)裂縫。

3 裂縫形成的原因分析

混凝土裂縫形成的原因多樣并且非常復(fù)雜，很多是由于多種不利因素綜合作用而產(chǎn)生的結(jié)果。根據(jù)對大麗鐵路隧道二襯裂縫的分析，形成裂縫的主要原因可能存在以下幾點。

3.1施工過程中未嚴(yán)格按新奧法要求施工，導(dǎo)致襯砌產(chǎn)生裂縫在隧道施工過程中，新奧法并未被正確地、完整地貫徹，許多隧道工程的施工并未按新奧法的要求進行動態(tài)的設(shè)計和施工管理。尤其是有些施工單位在隧道施工的過程中沒有認(rèn)真的對待測量環(huán)節(jié)，更不用提采用測量資料進行指導(dǎo)設(shè)計和施工。對新奧法的斷章取義或認(rèn)識模糊不清，導(dǎo)致了在隧道施工過程中不能很好的理解與貫徹利用圍巖、初期支護與二次襯砌三者之間的關(guān)系，結(jié)果最終導(dǎo)致了二襯開裂，甚至影響隧道工程最終的完成質(zhì)量。

3.2施工工藝或現(xiàn)場管理不規(guī)范，導(dǎo)致工程質(zhì)量不高施工過程中，如果施工工藝或現(xiàn)場管理未嚴(yán)格按國家的有關(guān)規(guī)范、規(guī)程辦理，則會影響最終隧道工程的質(zhì)量。具體表現(xiàn)在：隧道開挖成型差，欠挖或初期支護侵入襯砌限界，造成襯砌混凝土厚度不足；隧道超挖回填不密實，導(dǎo)致襯砌受力與設(shè)計不符；隧道坍方處理不當(dāng)導(dǎo)致襯砌背后存在脫空現(xiàn)象；背棄新奧法思想，未開展監(jiān)控量測工作，僅憑經(jīng)驗來確定二襯的施作時間，甚至是在初期支護變形未收斂的情況下施做二襯，或?qū)嶋H施作二襯時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于設(shè)計施作時間，造成二襯設(shè)計荷載承受圍巖壓力；盲目追求施工進度，隨意提前脫模時間，拆模時間過早導(dǎo)致襯砌早期強度不足等。

3.3 原材料質(zhì)量差、配合比設(shè)計不合理

施工現(xiàn)場水泥品種選擇不當(dāng)或不同批次的水泥混用，碎石、砂級配較差或含泥量超標(biāo)等,都會影響水泥與骨料的膠結(jié)；原材料計量誤差大，尤其外加劑的摻加隨意性大，沒有根據(jù)砂、石料的實際含水率及時調(diào)整施工用水量，造成混凝土水灰比增大；進行配合比設(shè)計時, 錯誤認(rèn)為水泥用量越多,混凝土強度越高，則會忽視混凝土品質(zhì)的影響；混凝土澆筑時不振搗或漏振，則會影響混凝土均質(zhì)性等。此外，如果在進行摻合料和外加劑的選用的過程中缺乏專業(yè)技術(shù)人員的指導(dǎo),則經(jīng)常達(dá)不到預(yù)期效果。

4 隧道襯砌裂縫整治處理措施

4.1 進行裂縫發(fā)育調(diào)整

隧道襯砌裂縫整治前首先對隧道二襯開裂段進行最新裂縫發(fā)育調(diào)查，對裂縫的范圍、大小、深度及所處位置進行測繪、記錄，分析裂縫的發(fā)展變化規(guī)律。若在第三方檢測前裂縫已停止發(fā)展，則可參照第三方檢測報告數(shù)據(jù)進行裂縫整治；若通過預(yù)埋觀測標(biāo)發(fā)現(xiàn)存在正加大變長的裂縫或存在可能繼續(xù)發(fā)展跡象的裂縫，應(yīng)該給予重視，建議對裂縫的范圍、大小及深度進行測繪，并對此段的襯砌強度及厚度進行檢測，與第三方檢測報告進行對比分析，及時采取有效的措施進行補救，阻止裂縫繼續(xù)發(fā)展，惡化。

4.2 處理措施之一

當(dāng)?shù)谌綑z測報告檢測隧道二次襯砌開裂段的襯砌強度或厚度不符合設(shè)計要求時，須采取以下處理措施。

(1)襯砌強度不夠時，必須拆除二次襯砌按設(shè)計要求重新施作。

(2)襯砌強度達(dá)到要求，二襯厚度不足且不在設(shè)計允許范圍內(nèi)時，必須拆除二次襯砌按設(shè)計要求重新施作。

(3)襯砌強度達(dá)到要求，二襯厚度不足但在設(shè)計允許范圍內(nèi)時，此段二次襯砌可按補強措施進行處理。

4.3 處理措施之二

當(dāng)?shù)谌綑z測報告檢測隧道二襯開裂段強度及厚度均達(dá)到設(shè)計要求時，根據(jù)裂縫寬度值的大小分別采取以下措施對隧道開裂段進行補強處理。

4.3.1 較大裂縫

若裂縫寬度≥5 mm，可采用嵌補24 kg/m鋼軌，并鑿除破損部位后用同等級混凝土補強。鋼軌設(shè)置應(yīng)與裂縫垂直，間距采用1.0 m/環(huán)，鋼筋網(wǎng)格φ16×φ16，間距20 cm。

4.3.2 中等裂縫

若裂縫寬度介于3～5 mm之間，可采用W型鋼帶+φ42徑向鋼花管注漿對襯砌結(jié)構(gòu)進行補強。

(1)鋼帶采用BHW270型鋼帶(寬270 mm，壁厚2.75 mm)鑿槽嵌入，槽寬40 cm，深4 cm；垂直裂縫、沿隧道襯砌內(nèi)緣表面設(shè)置，間距1.0 m。

(2)φ42徑向鋼花管每根長3 m，沿鋼帶環(huán)向設(shè)置，環(huán)向間距1.0 m，鋼花管尾部通過鋼帶中部的管孔與鋼帶加墊板連接。

(3)W型鋼帶及鋼花管施作完成后，鑿除破損部位采用二襯同等級混凝土回填。為加強混凝土與鋼帶間的連接，沿鋼帶環(huán)向及縱向分別設(shè)置φ4鋼筋N1、N2。N2鋼筋與鋼帶焊接，N2鋼筋間距10 cm，N2鋼筋與N1鋼筋綁扎，N1鋼筋間距12 cm。

(4)施工工序及注意事項

施工前首先對裂縫進行灌溉及嵌補。

根據(jù)設(shè)計間距在襯砌內(nèi)表面放線，確定鋪設(shè)鋼帶的位置。

鋼花管注漿加固前應(yīng)采用臨時橫撐加固襯砌，以防注漿壓力過大將襯砌破壞。

4.3.3 較小裂縫

若裂縫寬度≤3 mm，采用在裂縫周圍設(shè)置騎縫錨桿，對裂縫進行沿縫注漿。

(1)沿裂縫下邊距裂縫0.5 m打一排間距1.0 m、長2.0 m的φ22砂漿錨桿；沿裂縫上邊打兩排φ22砂漿錨桿，第一排距裂縫0.5 m，錨桿長2.5 m，第二排距裂縫1.5 m，長2.0 m，間距均為1.0 m；三排錨桿呈梅花狀布置并超出裂縫長度前后兩列，裂縫兩端各打一根φ22長2.5 m的鎖縫錨桿。

(2)沿裂縫長度方向鑿倒梯形槽，槽口寬為5 cm，槽底寬大于槽口寬，槽深8 cm，沖洗干凈并風(fēng)干后，用環(huán)氧砂漿嵌縫，要求填充密實。在嵌縫的同時沿裂縫每0.8 m埋設(shè)φ10注漿管。注漿管外露5 cm,以便與注漿設(shè)備連接。

(3)環(huán)氧砂漿的配制：將環(huán)氧樹脂加熱熔化后，按比例加入二丁脂攪拌均勻，冷卻后加入乙二胺攪拌均勻，然后倒入已混合均勻的水泥砂子中，再充分?jǐn)嚢韬蠹纯墒褂谩－h(huán)氧砂漿應(yīng)隨配隨用，其施作時間為30～40 min。環(huán)氧砂漿的配比為:6101環(huán)氧樹脂∶二丁脂∶乙二胺∶水泥∶砂子=100∶15∶8∶200∶500。

(4)壓水試驗：封縫漿液固結(jié)后，進行壓水試驗，以檢查封縫、固管強度，疏通裂縫，確定壓漿參數(shù)。壓水試驗采用示蹤劑，測定水壓及進水量，作為注漿的依據(jù)。

(5)注漿流程，見圖1。

圖1 注漿流程

注漿材料為環(huán)氧漿液，其配比為6101環(huán)氧樹脂:二甲苯∶501號稀釋劑∶乙二胺=100∶30～40∶20∶10。將環(huán)氧樹脂加熱熔化后，加入二甲苯及501號稀釋劑拌勻，加入乙二胺，再攪拌均勻后均可使用；冷卻后注漿壓力應(yīng)根據(jù)裂縫大小、襯砌質(zhì)量等綜合確定，一般為0.2～0.6 MPa，但一般不超過壓水試驗壓力；結(jié)束注漿的標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)注漿量與預(yù)計漿量相差不多，壓力較穩(wěn)定且吸漿量逐漸減小至0.01 L/min時,再壓注3～5 min即可結(jié)束注漿。注漿中應(yīng)隨時觀察壓力變化，當(dāng)壓力急劇下降時,應(yīng)暫停注漿,調(diào)整漿液的凝結(jié)時間及漿液濃度后繼續(xù)注漿。

(6)封孔：注漿結(jié)束后，用鐵絲將注漿管外露部分反轉(zhuǎn)綁扎，待漿液終凝后，割除外露部分，以環(huán)氧砂漿將孔口抹平。

(7)施工注意事項

裂縫注漿應(yīng)待襯砌結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定和混凝土達(dá)到設(shè)計強度后進行。

裂縫注漿所選用水泥的細(xì)度應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 裂縫注漿水泥的細(xì)度

淺層裂縫注漿應(yīng)騎槽粘埋注漿嘴，必要時沿縫開鑿“V”槽并用水泥砂漿封縫；深層裂縫注漿應(yīng)騎縫鉆孔或斜向鉆孔至裂縫深部，孔內(nèi)埋設(shè)注漿管，間距應(yīng)根據(jù)裂縫寬度而定，但每條裂縫至少有一個進漿孔和一個排氣孔；注漿嘴及注漿管應(yīng)設(shè)于裂縫的交叉處、較寬處及貫穿處等部位。對封縫的密封效果應(yīng)進行檢查。

襯砌裂縫注漿的施工質(zhì)量檢驗數(shù)量，應(yīng)按裂縫條數(shù)的10%抽查，每條裂縫為1處，且不得少于3處。

5 隧道襯砌裂縫整治注意要求

(1)采取裂縫整治措施須待裂縫觀測穩(wěn)定后施做，裂縫整治施工完成后應(yīng)進行定點、定時觀測，并詳細(xì)記錄。若有注漿滲漏，應(yīng)進行補注漿；若檢查發(fā)現(xiàn)裂縫有發(fā)展，應(yīng)及時提出，以便分析處理。

(2)隧道二襯裂縫處理前首先進行襯砌后充填注漿。在隧道拱頂施作壓漿管，縱向間距3～5 m，通過壓漿管進行充填壓注水泥砂漿，充填襯砌拱部防水板與二襯間的空隙。注漿壓力：二襯為混凝土?xí)r不大于0.3 MPa，二襯為鋼筋混凝土?xí)r不大于0.5 MPa。

(3)裂縫處理過程中加強對開裂段及附近襯砌的監(jiān)控量測。

以上為裂縫產(chǎn)生的原因分析及裂縫處理的措施，具體處理時應(yīng)根據(jù)各工點的具體情況，包括地質(zhì)情況、施工情況、裂縫發(fā)育情況等，綜合確定處理方案，首先檢查二次襯砌的強度和厚度，再詳細(xì)繪制裂縫展示圖，而后再進行具體的裂縫處理。

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