暗挖隧道襯砌裂縫產(chǎn)生原因分析與預(yù)防控制研究

王穎苗

（北京百事百達(dá)工程管理有限公司，北京 100022）

1 引言

裂縫是混凝土最常見(jiàn)的缺陷之一，近年來(lái)，隨著我國(guó)城市的高速發(fā)展，暗挖法施工被廣泛運(yùn)用到公路、鐵路、地鐵以及各種地下管線的建設(shè)中。受各種因素影響，暗挖隧道襯砌裂縫時(shí)有發(fā)生，而引起暗挖隧道襯砌裂縫的原因十分復(fù)雜，荷載、溫度、收縮、地基變形、鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)、地基凍脹、混凝土質(zhì)量差、水泥水化熱溫升等因素單獨(dú)作用或相互作用都可能造成混凝土裂縫。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，裂縫對(duì)暗挖隧道混凝土建筑會(huì)產(chǎn)生不同的影響，除了降低建筑的穩(wěn)定性之外，還容易導(dǎo)致鋼筋銹蝕以及凍融破壞等問(wèn)題，最終影響暗挖混凝土的耐久性。基于此，本文梳理了襯砌混凝土裂縫形成的根源，并提出相應(yīng)的解決對(duì)策，以期為類(lèi)似暗挖隧道工程襯砌裂縫的預(yù)防與控制提供參考和借鑒。

2 襯砌混凝土裂縫主要類(lèi)型

針對(duì)襯砌混凝土裂縫，根據(jù)其形成原因的不同，可劃分為溫度裂縫、干縮裂縫以及施工裂縫等；根據(jù)深度上的差異性，可以劃分為貫穿裂縫、深裂縫、淺裂縫以及表面裂縫。本文在研究過(guò)程中，主要根據(jù)形成的原因?qū)Π低诠こ讨?種常見(jiàn)的裂縫進(jìn)行分析。

2.1 溫度裂縫

溫度裂縫是由混凝土內(nèi)、外溫度變化而產(chǎn)生的裂縫，如圖1所示。暗挖襯砌混凝土中水泥水化時(shí)形成的熱量較多，這些熱量會(huì)導(dǎo)致混凝土溫度升高。如果缺少有效的降溫手段，混凝土內(nèi)部的溫度可達(dá)到80～90℃。在溫度升高過(guò)程中，熱量也處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，不斷進(jìn)行轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土各個(gè)部分的溫度分布不均，由此會(huì)形成一定的溫度應(yīng)力，并且溫差越大，溫度應(yīng)力越大，二者為正相關(guān)關(guān)系。裂縫的形成與過(guò)高的溫度應(yīng)力直接相關(guān)，如果其高于內(nèi)外約束應(yīng)力，則會(huì)導(dǎo)致溫度裂縫的形成。

2.2 干縮裂縫

干縮裂縫指混凝土由于內(nèi)外濕度變化不均、水分蒸發(fā)不均而產(chǎn)生的裂縫，如圖2所示。暗挖隧道施工過(guò)程中，襯砌混凝土硬化時(shí)水分會(huì)逐步減少，導(dǎo)致凝結(jié)膠體干燥變形，這種變形受到模板或圍巖等因素的約束而產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)變形產(chǎn)生的應(yīng)力值超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度后，就會(huì)形成干縮裂縫，在走向上基本沒(méi)有明顯的規(guī)律。

2.3 施工裂縫

施工裂縫是指在施工過(guò)程中，由于施工質(zhì)量問(wèn)題而導(dǎo)致的裂縫，如圖3所示。具體包括以下幾個(gè)方面。

（1）在施工過(guò)程中對(duì)混凝土搗實(shí)不足或模板支撐不佳均會(huì)降低施工質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致施工裂縫的形成。

（2）施工縫布置位置不佳極易導(dǎo)致施工裂縫的形成。若發(fā)生突發(fā)情況導(dǎo)致澆筑中斷較長(zhǎng)的時(shí)間，則在后續(xù)的澆筑中容易導(dǎo)致施工裂縫形成（特別是未進(jìn)行鑿毛處理以及處理不佳的情況下）。

（3）冬季施工中新澆筑混凝土保溫防護(hù)措施不足，養(yǎng)護(hù)的構(gòu)件降溫速度太快，由于冷擊均可導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。

（4）暗挖隧道施工中，二次襯砌的拱形模板拼接不當(dāng)，脫模時(shí)強(qiáng)行使用外力拆除模板，混凝土受力不均勻，則會(huì)形成變形裂縫。

3 裂縫形成的原因分析

根據(jù)前文的分析可知，溫度和干縮裂縫主要是與變形有關(guān)的襯砌裂縫，是在溫度、濕度以及水分變化的作用下，由于約束應(yīng)力高于抗拉強(qiáng)度形成的；施工裂縫則主要是施工操作不當(dāng)和混凝土施工質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)造成的。下面就這3種裂縫形成的原因進(jìn)行具體分析。

3.1 溫度和干縮裂縫形成原因分析

很多學(xué)者針對(duì)裂縫形成的原因開(kāi)展了分析，依據(jù)不同學(xué)者的觀點(diǎn)，本文對(duì)溫度和干縮裂縫形成的原因具體分析如下。

（1）溫度改變。裂縫的形成直接受環(huán)境溫度變化的影響，如果溫度顯著降低，則會(huì)形成更大的收縮變形，從而增大形成裂縫的概率。研究發(fā)現(xiàn)，在夏季隧道洞口襯砌段，由于溫差較大而形成裂縫的幾率較高，所以必須對(duì)此重點(diǎn)關(guān)注。

（2）水泥細(xì)度。如果水泥細(xì)度較高，釋放的水化熱量較多，更易產(chǎn)生溫度裂縫。

（3）水泥類(lèi)型。不同類(lèi)型的水泥在應(yīng)用中的特性不同，例如礬土水泥，制成的襯砌混凝土不存在顯著的收縮變形，基本不會(huì)形成裂縫；而對(duì)于礦渣水泥，制作的襯砌容易形成顯著的收縮變形，也易于形成干縮裂縫。

（4）風(fēng)速。研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速較高時(shí)，水分更易于蒸發(fā)和散失，更易形成干縮裂縫。

（5）環(huán)境濕度。在環(huán)境濕度較大的情況下，收縮變形較小，因此形成裂縫的幾率較低；但是濕度較小的情況下則正好相反，形成干縮裂縫的概率顯著提高。

（6）骨料類(lèi)型。采用不同類(lèi)型的骨料制成的襯砌混凝土在收縮變形上呈現(xiàn)出差異性，例如采用砂巖時(shí)形成裂縫的可能性更高；而采用花崗巖骨料形成裂縫的幾率較低。

（7）水灰比。研究發(fā)現(xiàn)，混凝土水灰比較高的情況下，容易導(dǎo)致更大的收縮變形，繼而形成裂縫。

（8）結(jié)構(gòu)尺寸以及外觀。裂縫的形成還與結(jié)構(gòu)尺寸以及形狀等因素直接相關(guān)，可用水力半徑r指標(biāo)（周長(zhǎng)L和截面面積F的比值）進(jìn)行判斷，如果該指標(biāo)較高，則意味著存在更顯著的收縮變形，更容易形成裂縫。

（9）配筋率。收縮變形與配筋率之間表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)的關(guān)系，因此在該指標(biāo)增大的情況下有助于抑制裂縫的形成。

（10）外加劑。目前，在襯砌混凝土中一般會(huì)添加一定量的外加劑，例如，塑化劑的添加能夠有效抑制收縮變形，繼而抑制裂縫的形成。但是在添加過(guò)多的情況下也會(huì)產(chǎn)生不利影響，可能會(huì)形成更多的裂縫。因此，對(duì)于外加劑應(yīng)該合理使用，選擇合適的類(lèi)型以及用量才能達(dá)到抑制裂縫的效果。

3.2 施工裂縫產(chǎn)生的原因

（1）施工操作。由于部分暗挖隧道二次襯砌施工所使用的模板支護(hù)形式存在缺陷，導(dǎo)致混凝土難以完全搗固，如果搗固質(zhì)量不佳或未進(jìn)行搗固，則必然導(dǎo)致顯著的收縮變形，繼而形成更多裂縫。實(shí)際工程中出現(xiàn)的隧道襯砌開(kāi)裂現(xiàn)象往往與上述因素有關(guān)。

（2）混凝土質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)。混凝土生產(chǎn)過(guò)程中存在較大的原料計(jì)量偏差，在混凝土運(yùn)輸過(guò)程中添加水分，外加劑類(lèi)型以及用量不合理，未及時(shí)對(duì)石料含水率進(jìn)行調(diào)整等，均會(huì)影響混凝土的質(zhì)量，繼而引發(fā)裂縫的形成。

（3）過(guò)度追求施工的進(jìn)度，忽略了一些關(guān)鍵的施工工序。例如，脫模時(shí)間不合理或未進(jìn)行潮濕養(yǎng)護(hù)，均會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)受損。

（4）澆筑過(guò)程中未進(jìn)行充分振搗，影響混凝土的均勻性，進(jìn)而導(dǎo)致施工裂縫的產(chǎn)生。

（5）隧道開(kāi)挖成型不佳，存在超欠挖現(xiàn)象。該問(wèn)題可能導(dǎo)致襯砌厚度存在顯著的變化，繼而影響襯砌收縮變形約束條件，從而導(dǎo)致裂縫的形成。如果隧道開(kāi)挖成型相對(duì)較好，則形成襯砌裂縫的幾率較低。

（6）養(yǎng)護(hù)因素。不及時(shí)對(duì)新澆筑的混凝土進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，甚至未進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，則一定時(shí)間之后會(huì)出現(xiàn)收縮變形，導(dǎo)致裂縫的形成。

（7）缺乏對(duì)溫度的控制。例如，冬季施工中未采用有效的保溫措施；夏季施工中存在砂、石料室外肆意放置，未進(jìn)行降溫處理等，均會(huì)導(dǎo)致裂縫的形成。

4 混凝土裂縫預(yù)防控制措施

4.1 干縮和溫度裂縫預(yù)防控制措施

（1）建議采用合適的襯砌材料。具體包括以下幾個(gè)方面：水泥選擇應(yīng)該優(yōu)先考慮細(xì)度較小與水化熱低的水泥材料用來(lái)拌和混凝土；對(duì)于采用的砂、石料等原料，需要保持較小的含沙量，有助于抑制收縮變形；選擇合適的骨料類(lèi)型，例如使用花崗巖等類(lèi)型的骨料，有助于抑制收縮變形；合理的采用膨脹劑，通過(guò)這種方式可以對(duì)混凝土收縮進(jìn)行補(bǔ)償；采用一些有助于抑制收縮變形的添加劑，例如采用雙摻技術(shù)，將水泥用量控制在一定范圍內(nèi)；適當(dāng)采用粉煤灰，可有效提升混凝土的保水性和流動(dòng)性，減少收縮變形。

（2）重視混凝土試配。針對(duì)最佳配比進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，采用科學(xué)的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，包括變形量、水化熱以及抗拉強(qiáng)度等。此外，建議盡可能降低水泥以及用水量，將坍落度控制在較低水平。

（3）科學(xué)設(shè)置后澆帶。考慮具體的地質(zhì)條件以及結(jié)構(gòu)形式等，科學(xué)設(shè)置后澆帶，從而有效抑制收縮變形。

（4）除前述幾種措施之外，也可以適當(dāng)采用其他措施。例如，某些位置的應(yīng)力較高，可以適量配筋。

4.2 預(yù)防施工裂縫的控制措施

（1）建議針對(duì)施工方法以及工藝流程進(jìn)行合理地設(shè)置，充分考慮可能導(dǎo)致的收縮變形問(wèn)題，結(jié)合這些問(wèn)題來(lái)避開(kāi)容易誘發(fā)此類(lèi)問(wèn)題的施工方法。重視襯砌混凝土的養(yǎng)護(hù)工作，將濕度以及溫度等環(huán)境條件保持在適宜范圍內(nèi)，有助于抑制早期收縮。盡可能使用機(jī)械搗固，提高搗固質(zhì)量。

（2）針對(duì)開(kāi)挖斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，采用科學(xué)的技術(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)于可能出現(xiàn)的超欠挖現(xiàn)象進(jìn)行嚴(yán)格約束。

（3）脫模與養(yǎng)護(hù)。混凝土的脫模時(shí)間必須嚴(yán)格進(jìn)行控制，在混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)、規(guī)范及施工方案所要求的拆模周期前，不得強(qiáng)行拆模，在遇到模板變形等特殊情況下，要采取有針對(duì)性的措施逐一完成脫模，不得強(qiáng)行用外力拆模；混凝土的養(yǎng)護(hù)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范和施工方案執(zhí)行，灑水養(yǎng)護(hù)的周期和均勻程度應(yīng)得到保證。必要時(shí)，可采用適量的養(yǎng)護(hù)液，在彌補(bǔ)傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)不足的同時(shí)提高混凝土的早期強(qiáng)度。

（4）混凝土拌合。計(jì)量時(shí)必須依據(jù)施工配料單，針對(duì)采用的計(jì)量設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)，確保準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，合理設(shè)置拌合水量，水量過(guò)高或者過(guò)低均會(huì)產(chǎn)生不利影響；科學(xué)控制入模溫度，夏季施工時(shí)，澆筑工序可以在夜間或者溫度不高的條件下進(jìn)行，針對(duì)一些碎石原料進(jìn)行適當(dāng)沖洗降溫，對(duì)砂石等原料以及設(shè)備設(shè)置遮陰，避免受到溫度過(guò)高的影響。

（5）二次襯砌施作必須選擇合適的時(shí)間，一般需要在圍巖以及支護(hù)變形處于穩(wěn)定狀態(tài)之后實(shí)施；如果圍巖存在顯著的變形，則應(yīng)該強(qiáng)化初期支護(hù)后才可夠進(jìn)行二次襯砌。

（6）結(jié)合溫度控制的要求采取相應(yīng)措施。冬季設(shè)置必要的防寒措施；夏季合理控制溫度，避免溫度過(guò)高影響石料等。

5 結(jié)語(yǔ)

暗挖隧道襯砌形成裂縫是一種常見(jiàn)的缺陷，采用科學(xué)的工藝和參數(shù)能夠減少或延緩裂縫的形成。本文在研究裂縫產(chǎn)生的原因后，提出相應(yīng)的措施，制定科學(xué)的預(yù)防策略，以期為類(lèi)似暗挖隧道工程襯砌裂縫的預(yù)防與控制提供參考和借鑒。