隧道混凝土襯砌常見裂縫分析和防治措施

李永德

（四川公路橋梁建設集團有限公司海外分公司，四川 成都 610093）

0 引言

襯砌是為防止圍巖變形或坍塌而在隧道洞身周圍修建的永久性支護結構，其在現代隧道工程中有著廣泛應用，發揮著加強支護、優化路線防排水系統、方便設置通訊與照明設施等作用。襯砌可以根據所使用原材料的不同進行分類，如磚石、混凝土、片石混凝土、鋼筋混凝土、灌注混凝土等，而現代隧道工程中通常采用混凝土襯砌。不過在隧道工程中修建和使用混凝土襯砌時，可能受到多方面因素影響導致襯砌出現裂縫，而裂縫的產生輕則影響隧道的外觀，重則影響襯砌支護作用的發揮，甚至導致隧道發生坍塌事故。因此在實際施工過程中，一定要采取各種合理而有效的措施加強對隧道混凝土襯砌裂縫的預防。

1 隧道混凝土襯砌常見裂縫分析

1.1 剪切裂縫

剪切裂縫即混凝土襯砌結構受剪切應力作用而產生的裂縫。在隧道混凝土襯砌施工中，剪切裂縫主要出現在拱腰位置，往往呈現為縱向、斜向以及X型交叉等形狀。剪切裂縫的產生，通常是因為隧道混凝土襯砌施工過程中出現了偏壓、圍巖穩定性差、承壓力偏小以及縱向沉降大等情況[1]。

1.2 拉裂縫

混凝土襯砌之所以容易產生拉裂縫，是因為混凝土自身抗拉強度明顯低于抗壓強度，故而在受到較大壓應力時襯砌通常不容易產生裂縫，而較大拉應力則會導致裂縫產生。引起襯砌受到拉力的原因主要包括混凝土自身干縮、熱脹冷縮等，即與水分蒸發和溫度變化有關。由于水泥在水化過程中會產生大量熱量，使得混凝土內部和表面之間會產生明顯的溫度差，進而產生相應的拉裂縫。再加上混凝土本身抗拉強度明顯低于抗壓強度的特性，在外界氣溫較低的情況下降溫更容易導致混凝土襯砌產生明顯的環向裂縫與縱向裂縫；在外界溫度較高的情況下，溫度升高給結構帶來的壓應力往往不容易引發混凝土裂縫，即便出現裂縫也只是寬度較小的裂縫，不會對結構外觀和穩定性產生較大影響[2]。

1.3 彎曲受壓裂縫

隧道混凝土襯砌拱頂位置會承受較大的圍巖壓力，如果此位置襯砌背后圍巖存在超挖現象，未按規范要求回填密實，很容易因應力集中而使襯砌結構承受較大壓應力而產生V型彎曲受壓裂縫，嚴重影響隧道整體的安全性和穩定性，因此在隧道開挖過程中要通過光面爆破或者預裂爆破等方式嚴格控制好拱頂及周邊的超欠挖量。

1.4 施工縫

混凝土施工工藝選擇不當，混凝土質量不合格或者澆筑不連續等原因易產生施工縫。在施工過程中，如果出現停電、機械故障或混凝土供應不及時等致使混凝土澆筑不連續、混凝土基礎表面鑿毛處理不到位、混凝土表面沒有鋪設水泥砂漿墊層等情況，都可能在混凝土接縫位置引發較為嚴重的裂縫，從而影響襯砌整體功能的發揮，減弱對圍巖的支護能力。

2 隧道混凝土襯砌裂縫的防治措施

2.1 提高設計質量

科學合理的結構設計是保證隧道混凝土襯砌質量、預防襯砌裂縫發生的重要因素[3]。在隧道工程設計階段，需要安排專人搜集詳盡的工程地質資料，并深入現場進行實地勘察，做好工程前期地質調查工作，盡可能全面、準確掌握工程地質、水文地質等相關信息。在此基礎上還應加強設計管理，將不同設計方案進行綜合比選，確保最終選擇的設計方案最大程度與工程現場實際情況相符合，避免因襯砌結構設計不當所導致的襯砌裂縫問題。此外，在襯砌結構設計時還可參考類似隧道工程的設計經驗，合理確定設計參數，使結構安全可靠，經濟合理。對于一些地質情況較復雜的隧道還可采用動態設計的理念，設計單位在隧道施工過程中派專人對圍巖實際情況進行跟蹤調查、詳細記錄地質信息，通過對已收集數據的整理和分析，若發現問題可針對部分設計參數進行優化，使襯砌結構受力更加合理，穩定性更高，從而可以預防和減少襯砌裂縫等質量問題的出現。

2.2 做好施工組織和管理

為了保障襯砌質量，首先需要做好組織工作，項目部應成立質量管理小組。由項目經理擔任組長，項目總工擔任副組長，副經理、工程部長、質檢工程師、技術主管等擔任組員，共同落實質量管控工作。制定質量管理制度和質量管理手冊，劃分崗位職責，確保各小組成員的工作能夠落實到位。施工前應由項目總工組織全體技術人員對施工圖紙及相關技術標準和規范進行學習和交底，提高管理和技術人員的質量意識，促進質量目標的達成。另外，在開工前還應編制隧道襯砌專項施工方案，并由總工批準簽字后方可執行。施工過程中質量管理小組應做好現場技術管理、質量管理，開展地質調查、收集相關數據，并對方案實施效果進行反饋，及時發現問題，不定期進行施工方案的改進和優化，確保混凝土襯砌施工質量符合設計要求。

2.3 加強原材料控制

隧道混凝土襯砌的施工需要使用大量原材料，如水泥、碎石、砂、水、外加劑等。如果這些原材料的選擇不合理或者質量不達標，會嚴重影響混凝土襯砌質量，進而導致襯砌裂縫的產生。施工企業需要全面加強原材料控制，務必要確保所有進入現場的原材料在規格、質量等方面完全符合設計及相關規范要求。首先是水泥，優先選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，具體根據施工需要進行合理選擇，使用的水泥要確保品牌、規格與批次相一致，不得進行隨意混用，質量不合格的水泥嚴禁入場[3]。其次是碎石，碎石的選擇主要考慮粒徑、含泥量以及針、片狀物含量，其中粒徑需要以滿足混凝土泵送要求為前提，盡可能選擇粒徑在5~31.5mm范圍內的碎石；含泥量則通常不應超過1%；針、片狀物含量則通常不超過15%。砂的選用應當優先考慮級配良好的中砂，而且細度模數應控制在3.0以內，含泥量不大于3%，另外粒徑不超過0.315mm的顆粒含量比例應處于15%~20%范圍內。混凝土拌和用水優先選擇飲用水，如果選用其他水源則需要確保pH值不低于4，用水量需要以水灰比控制在0.45~0.55之間為重要基準。外加劑的選擇則需要根據實際施工情況，通過試驗選擇最合適的品種以及摻量，如選用適量高效減水劑可以降低混凝土水化熱進而減少因溫差過大而引發的裂縫。

2.4 強化混凝土施工管理

保證隧道混凝土襯砌施工質量的重要基礎是科學合理的配合比設計。只有合理確定水灰比、水泥用量、砂率等，并在施工過程中嚴格按照既定配合比進行操作，才能有效保障施工所需的混凝土質量符合設計及規范要求。以實驗室簽發的配料單作為標準，現場進行合理配料，嚴格控制水泥、碎石、砂、水等的重量，并且要對拌和程序、拌和時間進行嚴格控制，確保拌和料的最終成品質量符合相關技術標準和要求。為了避免出現溫度裂縫，需要對混凝土的入模溫度進行有效控制，可以通過預冷骨料、設置遮陽物、灑水、加冰拌和等方式使混凝土溫度保持在合理的范圍內。另外，在施工過程中需要加強澆筑倉面的控制，嚴禁于倉內加水，而且每層澆筑層收倉都要保障足夠平整，以免出現臺階并在溫度較低的情況下產生裂縫。加強振搗管理，以免出現漏振、過振等現象，防止因為振搗不到位導致混凝土不密實而產生裂縫。在振搗混凝土時要遵循“快插慢提”的原則并進行全過程觀察，直到混凝土表面不再出現氣泡且開始泛漿為止。如果在澆筑過程中因為停電、機械設備等原因中斷，那么需要對間斷時間進行記錄，盡量在允許間斷時間范圍內恢復澆筑。如果超過了允許間斷時間，則需要采取措施加以處理，防止施工縫的產生。

在隧道混凝土襯砌澆筑完畢后，需要通過抹壓處理來保障混凝土表面平整并成型。二次抹壓需要在混凝土初凝之前，這樣能夠有效避免混凝土由于干縮、塑性收縮等原因而產生的裂縫，對表面裂縫的預防效果良好。另外，混凝土澆筑完畢后還需要做好養護工作。一般在澆筑結束12h后便可以開展養護工作，具體養護時間需要充分考慮氣溫、結構部位等因素的影響，合理制定養護方案，利用覆蓋保水材料、噴灑養護劑等方式進行有效養護，以免養護不足而引起混凝土干縮裂縫的產生。另外隧道混凝土襯砌施工應當合理控制拆模時間，拆模時間過早，混凝土強度達不到設計要求，若承受的圍巖壓力過大，會使襯砌結構遭到破壞而產生拉裂縫，拆模時間過晚可能導致因混凝土表面水分缺失過多而產生收縮裂縫。如果外界氣溫較低，拆模后需要立即采取覆蓋等措施對混凝土進行保溫，避免混凝土表面溫度驟降而產生裂縫。

2.5 襯砌裂縫自檢與治理

為了有效預防和治理隧道混凝土襯砌裂縫，應對已施工完成和正在施工的隧道襯砌進行全面自檢，及時發現存在的裂縫并進行處理，對處理好的裂縫應分析其形成原因、總結經驗，為后續襯砌施工發揮指導作用，避免再次出現類似裂縫問題。

（1）對隧道襯砌進行全面排查后應對所有襯砌裂縫的具體位置、寬度、長度、深度以及走向等信息進行詳細記錄并配以一定的文字描述，以便于后期處理工作的開展。

（2）聘請專業處理混凝土裂縫的施工隊伍，根據不同的裂縫類型，采用不同的方法逐條進行處理。

（3）對處理后的襯砌裂縫進行跟蹤觀測，若發現裂縫還在繼續發展則應及時進行二次處理，直至裂縫穩定不再繼續發展延伸。混凝土襯砌裂縫的處理通常可以采取以下三種方法：

——表面覆蓋法。該方法主要適用于因混凝土內外溫差過大、養護時間不足、拆模過早、混凝土水灰比過大等原因引起的微細裂縫（寬度小于0.2mm）。表面覆蓋法通常采用彈性涂膜防水材料如聚合物水泥膏、聚合物薄膜等進行處理。治理時先用鋼絲刷將混凝土表面打毛，清除表面附著物，再用水沖洗干凈后充分干燥，然后用樹脂充填混凝土表面的氣孔，最后用修補材料涂覆表面。這種方法的缺點是修補工作無法深入到裂縫內部，后期很難對裂縫的發展和延伸進行跟蹤觀察。

——低壓注漿法。該方法主要適用于因變形縫未設置、施工縫處理不好、爆破振動、應力集中等原因引起的寬度為0.2~0.3mm的襯砌混凝土裂縫修補。該方法的施工順序為清理裂縫、試機、配置注漿液、壓力注漿、二次注漿和清理表面。如果裂縫數量較多，需要先在裂縫位置上貼醫用白膠布，再用窄毛刷沾漿液沿裂縫來回涂刷封縫，直至裂縫完全封閉。大約10min后，揭去膠布條，露出小縫，粘貼注漿嘴并將其周圍包嚴。漿液固化后注漿嘴周邊可能有裂口，此時必須反復用漿液補刷，以免注漿時出現漏漿。注漿操作一般在注漿嘴粘好后的第二天進行，若外界氣溫較高注漿嘴周圍的漿液強度形成較快，可在12h后開始注漿。操作時先用補縫器吸取注漿液并插入注漿嘴，然后用手推動補縫器活塞，使漿液通過注漿嘴壓入裂縫，當相鄰的嘴中連續流出漿液時，就可拔出補縫器，用鋁鉚釘將注漿嘴堵上。縱向裂縫一般從上端往下端注漿，水平裂縫一般從一端到另一端依次注漿。為了保證漿液填充滿裂縫，在注漿0.5h后可對每個注漿嘴再次補漿。

——開槽修補法。該方法主要適用于因圍巖條件差、施工進度過快而支護不及時等原因導致襯砌結構承受應力過大而引起的較寬裂縫（寬度超過0.5mm）。此類型裂縫的處理可采用10∶3∶12.5∶28的比例將環氧樹脂、聚硫橡膠、水泥、砂等拌勻，然后用少量丙酮將已拌好的砂漿稀釋到適中稠度，再將已拌好的改性環氧樹脂砂漿倒入已鑿好且洗凈吹干后的混凝土鑿槽內進行嵌入。從砂漿開始拌和到嵌入混凝土縫內，一組砂漿的施工時間需30min左右。砂漿嵌入縫槽內處理好后2h內及時用毛氈、麻袋將改性環氧樹脂砂漿覆蓋，待完全初凝后開始噴水養護，養護時間不少于7d。

3 結束語

綜上可知，為了預防隧道混凝土襯砌產生裂縫，從工程設計階段開始，到施工準備階段再到施工階段，都需要全面采取合理而有效的方法對各種混凝土襯砌裂縫進行綜合化預防，盡量避免和減少裂縫產生，并在裂縫產生后及時采取科學合理的措施進行處理，以免襯砌本身的質量乃至隧道整體的質量與安全受到影響。做好混凝土襯砌的裂縫預防工作可以促進現代隧道工程質量提升，為我國交通工程高質量發展提供有力支持。