衢寧鐵路松陽隧道二襯混凝土裂縫原因分析及整治

郁前軍 上海鐵路局九景衢鐵路指揮部

衢寧鐵路松陽隧道二襯混凝土裂縫原因分析及整治

郁前軍 上海鐵路局九景衢鐵路指揮部

根據隧道二襯混凝土裂縫分布特點分析出現裂縫的原因，提出施工縫對齊、仰拱沉降觀察、改進襯砌澆筑工藝、控制原材料質量等裂縫防治措施，并分類采取裂縫表面封閉修復和裂縫注漿修復的整治措施。

隧道；裂縫；整治

衢寧鐵路全長366.5 km,其中浙江省境內206.9 km，隧道46座，共124.36 km。10 km以上隧道4座，其中松陽隧道就是其中之一。

松陽隧道為單線單洞隧道，起訖里程DK97+211～DK110+ 377.5，全長13 166.5m。施工分明洞、大路下斜井及孔漕源斜井3個工作段面組織施工，明洞工區向小里程施工179 m，向大里程施工2 800 m。在明洞向二端施工中隧道二襯混凝土連續出現裂縫。

1 地質地貌情況

明洞二端山體存在偏壓、淺埋，同時洞頂存在蒙脫石、高嶺土等不良地質，設計圍巖等級均為Ⅳ級和Ⅴ級。

2 裂縫分布特點

（1）裂縫分布范圍

集中在明洞口向小里程130 m范圍，向大里程300 m的范圍。

（2）裂縫水平角度

裂縫角度為斜向上發展，0～45°區間有5條，占總數的9%；45°～90°區間50條，占總數的91%。

（3）裂縫發育起始點

自仰拱施工縫處開始發育的有38條，占總數的70%；自綜合洞室襯砌端頭等其它位置開始發育17條，占總數的30%。

（4）裂縫尺寸

裂縫長度為（1～5）m，寬度為（0.1～1.5）mm,深度為（20～50）mm。

施工中二襯出現裂縫是常見的一種病害，一般情況下表層的裂縫對隧道的結構不會產生威脅，但是任其發展，長時間的裂隙水的滲透襯砌對圍巖支承能力降低，難以保持圍巖穩定，特別是對涌水量較大的隧道造成難以整治的滲漏水病害，對列車運營造成安全隱患。

3 二襯裂縫原因分析

3.1 仰拱與二襯施工縫不對應產生應力集中

通常一板二襯施作為12 m，仰拱為6 m。由于仰拱施工縫與二襯施工縫沒有對齊，不在一個段面上，仰拱與二襯混凝土分批澆筑，齡期差引起的二者收縮變形不同步，且相互約束，加之二襯與仰拱施工縫不對應造成的缺口效應，致使局部收縮應力集中導致裂縫從仰拱施工縫處開始發育（見圖1）。

圖1 二襯施工縫與仰拱施工縫不對應產生應力集中

原始施工記錄顯示，出現裂縫區域的二襯滯后于仰拱14～60天施工，先澆筑和后澆筑之間的相互約束造成收縮錯縫，超過混凝土的抗拉強度造成開裂。

3.2 地基承載力的影響

明洞二端山體存在偏壓、淺埋，圍巖等級均為Ⅳ級和Ⅴ級，隧道開挖對山體的擾動影響地基承載力。仰拱施工時基底虛碴沒有清理干凈，造成基底沉降不均勻，影響二襯混凝土整體應力分布，襯砌混凝土就會出現裂縫。

3.3 爆破震動影響

二襯混凝土每板灌注時間長達10 h以上，掌子面可能發生放炮、出碴，掌子面的爆破沖擊震動和重載車輛通行時發生震動，對新澆筑的二襯影響非常大。由于二襯和仰拱施工縫不對齊，二襯壓到仰拱上面斷縫的位置，爆破震動時首先作用在有斷縫的位置使仰拱上下振動，從而在仰拱施工縫位置把二襯混凝土擺裂。

3.4 原材料質量對襯砌的影響

（1）水泥游離氧化鈣比表面積超標對混凝土質量的影響。水泥中游離氧化鈣、鋁酸三鈣、堿含量過高、細度過細往往會引起混凝土開裂。現在鐵路建設用的水泥要求游離氧化鈣在1%以下，比表面積（300～350）m2/kg。由于現在水泥市場供大于求，廠家為了在市場上占有一席之地，采用是低價中標，為降低成本大量增加粉煤灰礦粉等礦物摻和料，水泥越磨越細。公路、市政、房建等工程對水泥比表面積要求300m2/kg以上即可，而水泥廠對鐵路建設用的水泥沒有專用的設備和儲存設施，屬共用。因此送到鐵路隧道工地的水泥技術指標極容易超標。水泥越細水化速度加快，吸附更多的減水劑和水，釋放大量的水化熱，引起混凝土開裂。水泥中的游離氧化鈣超標，往往會引起水泥體積安定性不良，也是引起混凝土早期開裂的因素。而水泥中堿含量過高，過量的堿與骨料中的活性SiO2發生堿骨料反應，生成膨脹的堿硅酸鹽凝膠體，也會導致混凝土開裂。

（2）水泥新鮮程度對混凝土的影響。供應商為了趕進度，有時把剛生產出來的水泥就運到工地，罐體發燙，水泥溫度很高，當現場使用剛磨出來還未來不及散失熱量的水泥拌制混凝土，水化快，釋放熱量大，需水量大，對減水劑的吸附量也大，減水率降低，坍落度損失明顯加快，影響混凝土的質量。

3.5 現場施工不當的影響

（1）混凝土拆模過早，混凝土強度達不到設計強度或拆模后養護不當是襯砌開裂的重要原因之一。

（2）養護不當的影響。隧道在初期支護和二次襯砌之間設有防水板、土工布，故混凝土和外界熱交換主要發生于襯砌表面，混凝土灌注后，由于水泥水化熱使混凝土溫度升高，一般3～5天達到峰值，此后溫度下降（見圖2），由于養護不當，當混凝土體積收縮，使襯砌受拉應力，拉應力超過混凝土極限時襯砌表面開裂。

圖2 水泥水化熱與時間關系

4 二襯混凝土裂縫防治措施

二襯混凝土裂縫是多種因素綜合作用的結果，故在施工過程中應綜合考慮加以防治。

4.1 施工縫對齊控制

為了避免仰拱施工縫與二襯施工縫不對應而產生的缺口效應，提前安排仰 拱施工縫留置位，仰拱小邊墻與二襯施工縫保持一致。

4.2 仰拱沉降觀察

（1）仰拱和底板澆筑混凝土前，必須采用高壓水和高壓風將基底虛碴清理干凈，有水的地段在仰拱端模外1 m位置設置集水坑，集水坑水位必須低于仰拱底面，保證基底無虛碴無積水的情況下澆筑底板和仰拱。現場技術人員必須嚴格把關。

（2）選定試驗段。根據不同隧道不同圍巖選定試驗段，仰拱澆筑完后在填充表面設置沉降測點，每天進行觀察并做好記錄。仰拱沉降穩定后方可進行下的道工序施工。

4.3 改進襯砌澆筑工藝

（1）改進混凝土投料布料方式：每澆筑層在中間及兩端三個投料孔均勻投料，每車混凝土左右側各投1/2,保證澆筑過程中分層、對稱澆筑，并振搗到位。加強振搗,加固端頭模板，調整附著式振搗器位置，加強端頭模板附近混凝土振搗。

（2）延長脫模時間，加強混凝土養護：二襯脫模混凝土強度應大于8 MPa以上。脫模后加強混凝土養護，養護時間3～7天，每天灑水養護3次以上，保證養護水與混凝土表面溫差小于15℃，且混凝土表面處于潮濕狀態。

4.4 原材質量控制

（1）水泥比表面積和游離氧化鈣納入常規檢測項目。每車次水泥進場均應由試驗室檢驗比表面積指標，合格后方可卸車，其余各項指標檢驗合格后準予使用。每批次粉煤灰進場拌和站試驗室應檢驗細度、燒失量、需水量比等指標。

（2）為確保水泥的穩定性要求水泥廠家設置鐵路專用的水泥生產線和儲存設施。

（3）粗、細骨料嚴格按鐵路驗標TB10424-2010的要求檢驗。

（4）減水劑必須保證原廠生產，經出廠檢驗合格的產品。嚴禁在現場復配，進場減水劑外包裝應用明確的標識和封條，隨車攜帶出廠過磅單據、過路費單據、發料單、材質單、產品合格證明每一批進場必須做勻質性試驗，合格后方能使用。存儲要有遮陽保溫措施，夏季嚴禁暴曬。

5 裂縫整治措施

當二襯混凝土裂縫基本穩定不再發展時，采用分類進行處理：

（1）裂縫寬度小于0.2 mm的裂縫采用表面封閉工藝進行修復。

（2）裂縫寬度大于等于0.2 mm的裂縫采用低壓注漿工藝進行修復。

5.1 二襯砼裂縫表面封閉修復方案

（1）修補材料。選用CARS-J型修補材料進行表面封閉修復處理，該材料是由高分子乳液和無機粉料構成的雙組份新型防水涂料，其技術指標見表1。

表1 CARS-J型表面封閉材料技術指標

CARS-J型表面封閉材料具有如下特點：

①材料與基面的親和性好。即使基面較為潮濕（無明水）的情況下，也不會影響施工；

②冷施工，涂層整體性強，對異形部位適應性強。材料結構缺陷少，柔韌性好，耐久性高；

③可以靈活地設計材料的性能。可以通過調節聚合物乳液和粉料以及助劑的比例，來得到不同性能的產品。

（2）修補機具。主要用到的修補機具包括：鋼絲刷、砂紙、真空吸塵器、吹風機、角磨機、噴槍、毛刷、羊毛輥、手持式攪拌器等。

（3）修補工藝。①基層處理。用鋼絲刷或砂紙對舊混凝土表面進行清理，除掉表面灰塵、雜質清理干凈后，用清水進行沖洗，清理出堅硬的混 凝土表面；②界面處理。在正式刷涂涂料前，將乳液與粉料按1：1比例混合攪拌均勻，對于小面積修補采用毛刷刷涂或羊毛輥輥涂，對于大面積修補采用噴槍噴涂，界面劑觸干后即可進行下一步涂料的施工；③涂料涂覆。用涂覆工具毛刷、輥子（小面積施工）或手持式噴槍等（大面積施工）按“十字法”涂覆 2～3次，兩次涂覆方向相互垂直，各層之間的時間間隔以前一層涂膜不粘手為準。在大風干燥等條件下適當采取薄膜覆蓋等方法養護，防止涂層材料失水過快導致涂層開裂。

5.2 二襯砼裂縫注漿修復方案

（1）修補材料。二襯混凝土裂縫采用低壓注漿工藝進行修補，宜采用CARS-B低粘度樹脂材料，該材料的技術指標如表2所示。

表2 CARS-B型低粘度樹脂材料技術指標

該工藝的關鍵在于修補材料的選取，要求修補材料具有較低的粘度、較長的適用期，能夠在外加壓力作用下滲透到混凝土的 細微裂縫中；具有較好的環境適應性，可以在較低的溫度及潮濕 環境中固化；具有較高的粘接強度、抗拉強度和抗壓強度，可以 對結構起到較好的補強作用。

（2）修補機具。低壓注漿器、毛刷、吹風機、角磨機、電子稱、噴槍等。

（3）修補工藝。①用鋼絲刷、毛刷等清理裂縫表面灰塵及浮渣，采用吹風機或者高壓空氣清除裂縫內的灰塵及雜物等；②采用專用封縫材料沿裂縫走向將裂縫周圍封閉，在預留注漿嘴位置設置注漿嘴，防止封縫材料將注漿嘴堵塞；③待封縫材料完全固化后，按照低粘度樹脂材料的配比將A、B兩組分混合均勻后，采用低壓注漿器吸取膠液，并與注漿嘴連接，開始自動緩慢注入低粘度樹脂材料；④待注漿器內漿液全部滲入后不斷補充注漿，漿液能夠滲透至極細微的裂縫，直至漿液不再向下滲透為止；⑤待修補材料完全固化后，用角磨機打磨去除表面修補材料，直至表面平整。最后在表面噴涂或刷涂一層聚合物水泥漿 (（CARS-J型修補材料）保護層。

責任編輯：許耀元

來稿日期：2016-08-31