跨斷層鐵路隧道二襯混凝土裂縫整治技術(shù)研究

趙云龍 ZHAO Yun-long

（中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，太原 030032）

0 引言

1 工程概況

深圳至深汕合作區(qū)鐵路塘朗山隧道（西段）的先開段位于廣東省深圳市南山區(qū)和羅湖區(qū)，線路施工環(huán)境復(fù)雜，交通疏解困難。此段隧道穿越多條線路，同時地質(zhì)條件十分復(fù)雜，存在多條斷層帶，工程的施工難度較大。

根據(jù)圍巖級別和地質(zhì)情況設(shè)置不同形式的襯砌措施，具體不同圍巖級別對應(yīng)襯砌類型詳見表1。（圖1）

表1 隧道襯砌類型設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 隧道復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)圖

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該隧道二襯裂縫存在如下特點(diǎn)：①裂縫開裂時間：經(jīng)過一段時間觀察發(fā)現(xiàn)裂縫10 天左右開始產(chǎn)生開裂。②裂縫位置：距端頭4m 左右的位置且左右對稱分布，從底部延伸至起拱線。③裂縫深度：經(jīng)鉆芯檢測發(fā)現(xiàn)部分裂縫已貫通。④裂縫寬度：裂縫的寬度較小，大部分裂縫寬度都小于0.2mm，經(jīng)過近一周的觀察，發(fā)現(xiàn)裂縫寬度無明顯變化。二次襯砌裂縫如圖2 所示。

圖2 隧道二次襯砌典型裂縫實(shí)拍圖

2 裂縫產(chǎn)生的原因分析

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和相關(guān)文獻(xiàn)分析，本工程隧道二襯裂縫主要由以下幾種原因造成。

2.1 外部原因

①隧道所處的斷層地帶通常伴隨著地質(zhì)構(gòu)造活動，例如地殼運(yùn)動和板塊運(yùn)動。這些運(yùn)動可能導(dǎo)致地層的應(yīng)力集中和變形，從而導(dǎo)致隧道內(nèi)部的結(jié)構(gòu)受到影響。這種地質(zhì)構(gòu)造活動會引起內(nèi)襯的裂縫和裂紋[1]；②當(dāng)隧道邊墻基礎(chǔ)和仰拱下超挖回填不緊實(shí)時，可能會造成虛渣等問題，可能導(dǎo)致隧道發(fā)生不均勻沉降和襯砌開裂等現(xiàn)象；③在山嶺隧道內(nèi)，一般會在襯砌背后安裝排水系統(tǒng)來處理水流。然而，當(dāng)排水系統(tǒng)發(fā)生堵塞時，隧道周圍的水壓會迅速上升，尤其是在持續(xù)降雨的情況下。這會導(dǎo)致隧道從拱部到邊墻出現(xiàn)水平開裂，并可能發(fā)生環(huán)形開裂，同時還伴隨著漏水量的增加或出現(xiàn)漏水點(diǎn)。

軟件應(yīng)用采用結(jié)合我們院咨詢項(xiàng)目和用戶應(yīng)用相結(jié)合的方法，典型工程包括武漢國際博覽中心會議中心綠建咨詢項(xiàng)目，上海虹橋商務(wù)區(qū)核心區(qū)一期綠建咨詢項(xiàng)目，揚(yáng)中園博園三館建筑設(shè)計(jì)和能效評價項(xiàng)目，無錫太湖國際博覽中心大酒店能效測評項(xiàng)目，徐州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院病房樓能效測評項(xiàng)目，武進(jìn)影藝宮能效測評項(xiàng)目等。

2.2 施工原因

①混凝土澆筑及振搗的影響：混凝土澆筑間隔時間過長、澆筑不連續(xù)、振搗方式不正確產(chǎn)生裂縫；②二襯拆模時間的影響：在進(jìn)行二襯施工時，未按照相同條件制作養(yǎng)護(hù)試塊，而是依賴先前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來判斷拆模時間。由于每次澆筑的溫度、濕度等條件存在差異，導(dǎo)致部分二襯在拆模時混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，從而引發(fā)開裂問題[2]；③養(yǎng)護(hù)混凝土?xí)r間的影響：未及時對拆模后的二襯進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，導(dǎo)致混凝土因內(nèi)部收縮應(yīng)力增大而產(chǎn)生裂縫；④施工縫設(shè)置的影響：在隧道施工過程中，仰拱及其填充、矮邊墻和二襯的環(huán)向施工縫沒有設(shè)置在同一環(huán)，而是錯開設(shè)置，導(dǎo)致仰拱、仰拱填充、矮邊墻和二襯產(chǎn)生沉降不在同一位置，從而拉裂二襯混凝土，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。

2.3 材料性能原因

為確保二襯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，二襯的構(gòu)成材料，如混凝土、鋼筋和防水材料等，必須具備高質(zhì)量。具體來說，以下是可能影響二襯穩(wěn)定性的材料性能原因[3]：①混凝土原材料和配合比未符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。②外加劑未達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，或者其摻入量超過規(guī)定限制。③防水材料的質(zhì)量未達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致混凝土發(fā)生滲水，加速混凝土和鋼筋的劣化。

3 隧道二襯混凝土裂縫整治原則

針對隧道二襯混凝土裂縫的主要原因，我們在吸收同類工程質(zhì)量整治先進(jìn)工藝和成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分傾聽了各參建單位和行業(yè)專家的建議。結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場情況，我們明確了以下整治原則。

①由溫差、養(yǎng)護(hù)不足、拆模時間短、水泥材質(zhì)等原因引起的微細(xì)裂縫（寬度小于0.2mm）可以由表面覆蓋法處理。它通過在微細(xì)裂縫表面涂覆薄膜來修復(fù)混凝土微細(xì)裂縫，可以采用涂覆裂縫部分或全部涂覆的兩種方法；②可通過低壓注漿法修復(fù)因變形縫未設(shè)置、施工縫不成環(huán)、爆破振動、以及應(yīng)力集中等原因引起的寬度介于0.2-0.5mm 的二襯混凝土裂縫；③由地質(zhì)原因、施工進(jìn)度過快等原因引起的較寬裂縫（寬度大于0.5mm）使用開槽修補(bǔ)法修補(bǔ)。

4 裂縫的治理方法

通過大量的文獻(xiàn)調(diào)研，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，二襯裂縫的治理方法包括對圍巖的加固和對裂縫的處理。

4.1 圍巖加固措施

圍巖加固可以提高隧道圍巖巖土體的完整性、強(qiáng)度以及剛度，其主要理念是對破碎圍巖進(jìn)行固結(jié)，使施加在襯砌上的圍巖壓力在大小和方向上更加合理。

錨固注漿法適用于圍巖級別較高的巖土體，裂縫寬度在1～5mm 之間。主要步驟包括在隧道襯砌上進(jìn)行均勻的鉆孔，孔間距1.2m 為宜，呈梅花形布置，打入中孔螺紋形錨桿并進(jìn)行注漿，并以防水砂漿封閉裂縫。其示意圖如圖3 所示。

圖3 錨固注漿法示意圖

4.2 隧道二襯加固

4.2.1 表面覆蓋法

①裂縫修補(bǔ)材料：選擇合適的裂縫修補(bǔ)材料，通常采用彈性涂膜防水材料，聚合物水泥膏、聚合物薄膜等，具有較好的粘結(jié)性和耐久性。修補(bǔ)材料應(yīng)具備與混凝土相似的膨脹系數(shù)，以防止因溫度變化引起的二襯和修補(bǔ)材料之間的位移差異。

②清理表面：在進(jìn)行修補(bǔ)前，必須徹底打磨清理裂縫表面，去除灰塵、碎屑、油污等，以確保修補(bǔ)材料能夠充分粘附[4]。打磨區(qū)域與裂縫區(qū)域的最小距離不小于0.2m[5]，見圖4。

圖4 表面覆蓋法裂縫打磨、涂覆示意圖

③預(yù)處理：在裂縫表面涂覆一層預(yù)處理劑，以增強(qiáng)修補(bǔ)材料與裂縫表面的粘結(jié)性。預(yù)處理劑的選擇應(yīng)考慮其對混凝土和修補(bǔ)材料的相容性。

④修補(bǔ)施工：將修補(bǔ)材料按照生產(chǎn)廠家的建議混合，并在裂縫表面進(jìn)行修補(bǔ)。修補(bǔ)材料應(yīng)充分填充裂縫，并平整表面，確保修補(bǔ)層與二襯表面的充分結(jié)合。修補(bǔ)材料的涂覆區(qū)域與打磨區(qū)域的最小區(qū)域不小于1m，見圖4。

⑤養(yǎng)護(hù)：修補(bǔ)完成后，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)，保持修補(bǔ)材料在固化過程中的穩(wěn)定性。養(yǎng)護(hù)時間和方法應(yīng)根據(jù)修補(bǔ)材料的特性來確定。

對本工程隧道二襯裂縫采取表面覆蓋法處理的實(shí)拍圖如圖5 所示。需要注意的是，表面覆蓋處理主要是應(yīng)對表面裂縫，對于深層或隱蔽的裂縫，表面覆蓋處理可能無法徹底解決問題。在一些情況下，需要通過其他手段如低壓注漿加固等來處理深層裂縫。

圖5 表面覆蓋法處理隧道二襯裂縫實(shí)拍圖

4.2.2 低壓注漿法

低壓注漿法是專門針對寬度介于0.2mm 至0.5mm 的二襯混凝土裂縫而設(shè)計(jì)的一種處理方法，下面是對該方法流程的詳細(xì)介紹：

①選擇注漿材料：選擇適用于盾構(gòu)隧道二襯裂縫處理的低壓注漿材料，通常選擇環(huán)氧樹脂、水溶性聚胺酯等注漿材料[6]。若裂縫無水，則選用前者；反之，則選擇后者。水溶性聚胺酯漿液可在現(xiàn)場通過預(yù)聚體配制。具體的配比可參考表2 和表3。

表2 環(huán)氧樹脂建議配合比

表3 水溶性聚氨酯建議配合比

②清理裂縫表面：確保沒有積水、泥漿或其它污物，以保證注漿材料能夠充分滲透和固化。

③設(shè)備準(zhǔn)備：準(zhǔn)備注漿設(shè)備，包括低壓注漿泵、混合器、注漿管和其他相關(guān)設(shè)備。

④注漿材料混合：根據(jù)制造商提供的說明，將注漿材料按比例混合，確保混合均勻，避免出現(xiàn)固化不良或流動性差的問題。

⑤注漿孔的布置：在裂縫區(qū)域布置注漿孔，注漿孔的位置應(yīng)該根據(jù)裂縫的具體情況而定，通常采用等距布置，相鄰注漿孔之間的距離不應(yīng)超過25cm。注漿孔的角度最好不超過45°，孔深度宜為二次襯砌厚度的2/3。鉆孔時應(yīng)穿過裂縫，但不能穿透二襯混凝土結(jié)構(gòu)，以確保注漿材料能夠充分填充裂縫，其示意圖如圖6 所示。

圖6 隧道二襯裂縫低壓注漿處理法示意圖

⑥注漿操作：啟動低壓注漿泵，將混合好的注漿材料注入到裂縫中。從最低處開始注漿，逐漸向上進(jìn)行，確保注漿材料充分滲透到裂縫中，并且填滿整個裂縫。

⑦觀察和監(jiān)測：在注漿過程中，需要仔細(xì)觀察注漿材料的流動情況，確保每個注漿孔都能夠充分注漿。監(jiān)測注漿后的效果，通常通過觀察裂縫的閉合情況、水滲透的減少等來判斷修復(fù)效果。

⑧固化和清理：注漿完成后，等待注漿材料充分固化。清理多余的注漿材料，確保不影響隧道的正常使用。該方法在本工程中的應(yīng)用如圖7 所示。

圖7 低壓注漿法處理隧道二襯裂縫實(shí)拍圖

4.2.3 鑿孔注漿法

鑿孔法適用于由地質(zhì)原因、施工進(jìn)度過快等原因引起的較寬裂縫（寬度大于0.5mm）修補(bǔ)。下面是該方法的步驟：①安裝注漿管：首先需要沿著裂縫鑿出一個楔形的小孔。這個孔的寬度一般應(yīng)為裂縫寬度加40mm，孔底寬度要大于孔口寬度，孔的深度大約為80mm。鑿孔的間距大約為400mm。接下來，將鑿好的孔沖洗干凈，并埋入一個直徑為10mm 的塑料管中。使用密封材料填補(bǔ)塑管周圍的空隙，確保塑管被充分壓實(shí)。為了連接注漿設(shè)備，注漿管應(yīng)該外露約90mm；②封縫：需將環(huán)氧樹脂涂覆在所有需要灌注的裂縫上；③注漿：進(jìn)行注漿時從裂縫兩端逐漸向中間進(jìn)行，確保相鄰孔位采用交叉間隔的方式進(jìn)行注漿。此時，注漿壓力應(yīng)保持不低于0.4MPa，同時要確保注漿充分飽滿，直到從排氣孔排出相同稠度的漿液為止；④完成注漿后，需封閉外露的注漿管，以防止?jié){液外溢，同時采用環(huán)氧砂漿將孔口抹平。鑿孔注漿法的示意圖如圖8 所示。

圖8 隧道二襯裂縫鑿孔注漿處理法示意圖

5 隧道二襯裂縫預(yù)防措施

①強(qiáng)化隧道超前地質(zhì)預(yù)測，及時察覺隧道前方工程地質(zhì)變化[7]。在發(fā)現(xiàn)異常和變化時，迅速采取應(yīng)對措施，準(zhǔn)確評估隧道不同地段的圍巖壓力、初支和二襯受力情況。對于初期支護(hù)和二襯混凝土強(qiáng)度，進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力模擬驗(yàn)算，確保隧道二襯混凝土強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)受力相協(xié)調(diào)。

②為降低二襯混凝土施工對圍巖及初支變形的影響，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇施工時機(jī)。具體而言，在選擇施工時機(jī)時，優(yōu)先考慮隧道周邊變形速率減緩并趨于穩(wěn)定的階段。此外，施工時水平收斂（在拱腳附近的7 天平均值）應(yīng)保持在小于0.2mm/d，拱部下沉速度則應(yīng)保持在小于0.15mm/d 的范圍內(nèi)。最后，施工前應(yīng)確保累計(jì)位移值已達(dá)到極限位移值的80%以上[8]。這一系列的施工前提條件有助于確保在變形趨勢相對平穩(wěn)的情況下進(jìn)行二襯混凝土的施工，從而提高隧道工程的穩(wěn)定性。

③對于隧道二襯混凝土的脫模，必須進(jìn)行精確掌控。在初期支護(hù)變形穩(wěn)定后，執(zhí)行二次襯砌施工，此時混凝土的強(qiáng)度應(yīng)保持不低于10MPa。在特殊環(huán)境條件下，混凝土的脫模強(qiáng)度必須符合設(shè)計(jì)規(guī)定；若設(shè)計(jì)中未具體說明，則應(yīng)確保不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%[9]。此外，確保在脫模時，二襯混凝土內(nèi)部與表層、表層與環(huán)境之間的溫差不超過20℃，結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)表面的溫差不得大于15℃。在脫模后，務(wù)必嚴(yán)格執(zhí)行對二襯混凝土的養(yǎng)護(hù)措施。

6 結(jié)束語

①在工程施工中，隧道二襯混凝土裂縫經(jīng)常出現(xiàn)。這些裂縫不僅會影響二襯混凝土結(jié)構(gòu)的受力安全性和耐久性，降低隧道的使用壽命，而且對運(yùn)營安全造成嚴(yán)重的危害和威脅。本研究結(jié)合塘朗山隧道二襯裂縫問題，針對不同寬度的裂縫提出了相應(yīng)的處理措施，同時也提出了隧道二襯裂縫的預(yù)防措施，裂縫問題基本得到解決，后續(xù)二襯混凝土裂縫出現(xiàn)頻率明顯降低。②隧道二襯混凝土裂縫的形成是一個復(fù)雜而多變的過程，需要在工程實(shí)施中結(jié)合豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行仔細(xì)分析研究。針對不同隧道的情況，必須制定切實(shí)可行的預(yù)防措施和缺陷整治方案，以確保隧道工程的安全性和耐久性。