隧道襯砌混凝土裂縫的成因與防治

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簡介： 隧道襯砌混凝土裂縫的成因與防治 1裂縫的類型隧道襯砌混凝土裂縫類型主要有：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。
關(guān)鍵字：隧道襯砌 混凝土裂縫防治

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,山嶺地區(qū)新建公（鐵）路越來越多,隧道工程所占的比例逐步增大。隧道二次襯砌施工普遍采用整體式鋼模板臺車、泵送混凝土施工工藝,但混凝土硬化過程中產(chǎn)生的裂縫不僅影響了美觀,還給工程質(zhì)量留下了隱患。施工中必須采取合理的工程技術(shù)措施,控制和減少混凝土中裂縫的數(shù)量和寬度。本文分析了混凝土裂縫產(chǎn)生的原因,提出了緩解裂縫產(chǎn)生的措施,并介紹了幾種常見的裂縫治理方法。
1  裂縫的類型
隧道襯砌混凝土裂縫類型主要有：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。
1.1 干縮裂縫
混凝土在硬化過程中水分逐漸蒸發(fā)散失,使水泥石中的凝結(jié)膠體干燥收縮產(chǎn)生變形,由于受到圍巖和模板的約束,變形產(chǎn)生應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力值超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時,就會出現(xiàn)干縮裂縫。干縮裂縫多為表面性的,走向沒有規(guī)律。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,骨料的大小和級配,外加劑品種和摻量。
1.2  溫度裂縫
水泥水化過程中產(chǎn)生大量的熱量,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。裂縫寬度冬季較寬,夏季較窄。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)。
1.3  荷載變形裂縫
仰拱和邊墻基礎(chǔ)的虛碴未清理干凈,混凝土澆筑后,基底產(chǎn)生不均勻沉降；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都容易產(chǎn)生變形裂縫。荷載變形裂縫在隧道襯砌混凝土病害中占有的比例逐年增大,已經(jīng)引起了廣大工程技術(shù)人員的重視。
1.4  施工縫（接茬縫）
施工過程中由于停電、機(jī)械故障等原因迫使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,原有的混凝土基礎(chǔ)表面沒有進(jìn)行鑿毛處理,或者鑿毛后沒有用水沖洗干凈,也沒有鋪水泥砂漿墊層,就在原混凝土表面澆筑混凝土,致使新舊混凝土接茬間出現(xiàn)裂縫。
2  裂縫形成的原因分析
混凝土裂縫形成的原因非常復(fù)雜,往往是多種不利因素綜合作用的結(jié)果。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計,施工不規(guī)范造成的混凝土裂縫占80%左右,材料質(zhì)量差或配合比不合理產(chǎn)生的裂縫占15%左右,設(shè)計不當(dāng)引起的裂縫可能占5%。 
2.1  設(shè)計粗糙,建設(shè)、監(jiān)理單位工作隨意性大
由于多方面的原因,勘察設(shè)計單位無法深入地開展地質(zhì)勘探工作,隧道圍巖類別評價及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏科學(xué)依據(jù),帶有一定的盲目性。個別建設(shè)單位限于自身管理和專業(yè)技術(shù)水平的欠缺,任意變更原設(shè)計。少數(shù)工程由業(yè)主的內(nèi)部人員組成監(jiān)理機(jī)構(gòu),監(jiān)理工作失去了獨立性。隨著建筑市場的規(guī)范,這些問題會逐步得到解決。
2.2  施工工藝或現(xiàn)場操作不規(guī)范
a. 隧道開挖成型差,襯砌混凝土厚度嚴(yán)重不均勻；欠挖或初期支護(hù)侵入襯砌限界,造成襯砌混凝土厚度不足。個別隧道襯砌混凝土背后存在脫空現(xiàn)象。
b. 未開展監(jiān)控量測工作,僅憑經(jīng)驗來確定二次襯砌的施作時間,安全可靠性差,造成二次襯砌超設(shè)計荷載承受圍巖壓力。
c. 混凝土生產(chǎn)時原材料計量誤差大,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。在混凝土運輸及泵送過程中加水的現(xiàn)象也比較普遍。
d. 采用整體式鋼模板臺車施工,混凝土澆筑時不振搗或漏振,混凝土均質(zhì)性差。
e. 盲目追求施工進(jìn)度,隨意提前脫模時間,使低強(qiáng)度混凝土過量承受荷載,破壞了混凝土結(jié)構(gòu)。脫模后
沒有進(jìn)行混凝土的潮濕養(yǎng)護(hù)。
f. 夏季施工時砂、石料露天堆放,無切實有效的降溫措施,混凝土入模溫度高。冬期施工時采取的防寒
保溫措施不力。
2.3  原材料質(zhì)量差、配合比設(shè)計不合理
水泥品種選擇不當(dāng),安定性不良,不同批次的水泥混用。碎石、砂級配差,含泥量超標(biāo),碎石中石粉含量大,針、片狀物過多,影響了水泥與骨料的膠結(jié)。
進(jìn)行配合比設(shè)計時,忽視水泥用量增多對混凝土品質(zhì)的影響,錯誤認(rèn)為水泥用量越多,混凝土強(qiáng)度越高。對摻合料和外加劑的選用缺乏專業(yè)技術(shù)人員的指導(dǎo),往往達(dá)不到預(yù)期的效果。
3  混凝土裂縫的治理
混凝土作為多組材料組成的脆性材料,裂縫的存在是客觀的。作為施工單位應(yīng)加強(qiáng)襯砌混凝土的施工管理,避免或減少混凝土裂縫的產(chǎn)生。對于出現(xiàn)的裂縫,應(yīng)認(rèn)真分析原因,分清是有害裂縫還是無害裂縫,并對有害裂縫進(jìn)行處理,防止裂縫繼續(xù)發(fā)展,影響襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。
3.1  細(xì)微裂縫
隧道襯砌混凝土表面常出現(xiàn)一些沒有擴(kuò)展性的細(xì)微裂縫,這種裂縫是穩(wěn)定的,一般可自愈,不會影響結(jié)構(gòu)的使用和耐久性。從美觀考慮,可先清洗干凈裂縫表面,然后涂刷環(huán)氧樹脂漿液二至三遍,最后用刮抹料、調(diào)色料處理混凝土表面,使其顏色與周圍襯砌混凝土顏色一致。
環(huán)氧樹脂漿液配比,環(huán)氧樹脂：501稀釋劑：二甲苯：乙二胺=1：0.2：0.35：0.08。刮抹料配比,水泥：細(xì)砂：水=1：2：0.35。調(diào)色料配比,水泥：白水泥：107膠=5；3：1。施工時應(yīng)經(jīng)試驗確定。
3.2  貫通性裂縫
貫通性裂縫的危害較大,必須采取有效的治理方法。沿裂縫方向鑿成寬5cm、深3cm的V形槽,在槽內(nèi)騎縫每隔0.5m鉆一孔,孔深為襯砌厚度的1/2或2/3,一般不少于15cm,并不得穿透襯砌以防跑漿。用清水沖洗干凈槽內(nèi)的雜物及粉塵,在孔內(nèi)插入￠10的壓漿管,利用環(huán)氧樹脂水泥砂漿錨固,用灰刀將砂漿壓實抹光。環(huán)氧樹脂砂漿配比,環(huán)氧樹脂:水泥:細(xì)砂:乙二胺:二丁酯=1:1.6:3.2:0.1:0.12,其中乙二胺是固化劑,二丁酯是稀釋劑。待環(huán)氧樹脂砂漿有一定的強(qiáng)度后,以0.15MPa～0.2MPa壓力壓入水泥-水玻璃漿液或環(huán)氧樹脂漿液。壓漿結(jié)束后在0.2MPa壓力下壓水檢查壓漿效果。裂縫表面用刮抹料和調(diào)色料處理。
3.3  密集裂縫
襯砌背后有空洞或襯砌厚度不足引起的密集裂縫,必須進(jìn)行防水和地層加固處理。沿裂縫兩側(cè)每隔1.2m～1.5m交錯布點,鑿成10cm×10cm大小深5cm的方槽,用風(fēng)動鑿巖機(jī)鉆孔,孔深3m,安裝WDT25中空注漿錨桿,注入水泥砂漿,灰砂比1:（3～5）,水灰比1:1,施工時由下往上逐級注漿,注漿壓力以0.4MPa～0.6MPa為宜。注漿結(jié)束后,另鑿新孔在0.6MPa～1.0MPa壓力下壓入純水泥漿檢查注漿效果,當(dāng)達(dá)到規(guī)定壓力而砂漿壓不進(jìn)時,即認(rèn)為已經(jīng)注滿。注漿24h后安裝錨桿墊板,用環(huán)氧樹脂砂漿抹平方槽,表面用刮抹料和調(diào)色料處理。
4  預(yù)防或緩解混凝土裂縫的措施
4.1  提高設(shè)計精度
加強(qiáng)工程前期地質(zhì)工作,為設(shè)計提供詳盡的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探資料,提高設(shè)計的質(zhì)量。
4.2  把好材料進(jìn)場關(guān),嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
4.2.1  水泥 
施工現(xiàn)場多使用普通硅酸鹽水泥,但應(yīng)盡量減少單位水泥用量。不同品牌、不同規(guī)格、不同批次的水泥不能混用。
4.2.2  碎石
根據(jù)泵送管路的內(nèi)徑,盡可能選用較大粒徑的碎石。嚴(yán)格控制含泥量≤1%,針、片狀物含量≤15%,粒徑
以5～31.5mm為宜,最大不超過40mm。
4.2.3  砂
采用級配良好的中砂,細(xì)度模數(shù)應(yīng)為3.0～2.3,粒徑小于0.315mm的顆粒含量所占比例宜為15～20%,
嚴(yán)格控制含泥量在3%以內(nèi)。為方便混凝土的運輸、泵送和澆筑,砂率取35%～45%。
4.2.4  水 
最好選用飲用水。當(dāng)采用其他水源時,應(yīng)按國家現(xiàn)行《砼拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ63）的規(guī)定進(jìn)行檢驗,PH值應(yīng)大于4。水灰比越大,混凝土的干燥收縮越大。嚴(yán)格控制泵送混凝土的用水量是減少裂縫的根本措施。施工中水灰比在0.45～0.55之間,混凝土入泵塌落度控制在（12±2）cm。
4.2.5  摻合料 
推廣摻加粉煤灰和膨脹劑的雙摻技術(shù),等量替代水泥,以減少水泥用量。對強(qiáng)度等級C25以下的混凝土,粉煤灰摻量一般為水泥用量的10%～15%,膨脹劑摻量為水泥用量的8%～12%,具體摻量需經(jīng)試驗確定。
a．粉煤灰比表面積小,需水量低,不僅能有效降低混凝土的干燥收縮值,還可以改善混凝土的流動性、粘聚性和保水性。在水泥中摻入原狀或磨細(xì)粉煤灰后,可以降低混凝土中水泥的水化熱,推遲水化熱峰值的出現(xiàn),減少絕熱條件下的溫升,有利于控制溫度裂縫的產(chǎn)生。粉煤灰的摻加在水工大體積混凝土施工中應(yīng)用比較廣泛,由于認(rèn)識、技術(shù)上的原因,目前在山嶺隧道施工中應(yīng)用較少。
b. 摻加適量的膨脹劑可以補(bǔ)償混凝土的收縮,增加密實度,提高混凝土防滲抗裂能力。
4.2.6  外加劑 
高效減水劑能夠有效減少拌合用水,降低水化熱,延緩水化熱釋放速度,從而減少溫度裂縫,但摻量過
多,會引起混凝土的腫脹和開裂。施工時必須慎重選擇外加劑的品種和摻量。
4.3  嚴(yán)格混凝土施工工藝
a. 提高鉆眼技術(shù)水平,優(yōu)化鉆爆參數(shù),提高光面爆破效果,加強(qiáng)隧道開挖斷面檢測,嚴(yán)格控制超欠挖,為襯砌施工創(chuàng)造良好的條件。
b. 二次襯砌施作時間,應(yīng)在圍巖和初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定時進(jìn)行。當(dāng)圍巖變形較大、流變特性明顯,需提前進(jìn)行二次襯砌時,必須對初期支護(hù)或襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。
c. 混凝土的拌合
①嚴(yán)格按施工配料單計量,定期檢查校正計量裝置。加強(qiáng)砂石料含水率檢測,及時調(diào)整拌合用水量。
②控制混凝土的入模溫度。夏季施工時,當(dāng)氣溫高于32℃時,砂石料、攪拌機(jī)應(yīng)搭設(shè)遮陽棚,用冷水沖洗碎石降溫。盡量安排在夜間澆筑混凝土。
d. 混凝土的灌注
①混凝土在運輸和泵送過程中嚴(yán)禁加水。
②適當(dāng)放慢灌注速度,兩側(cè)邊墻對稱分層灌注,到墻、拱交界處停1h～1.5h,待邊墻混凝土下沉穩(wěn)定后,再灌注拱部混凝土。
③混凝土灌注過程中必須振搗,提高混凝土的密實度和均質(zhì)性,減少內(nèi)部微裂縫和氣孔,提高抗裂性。
e. 混凝土的脫模、養(yǎng)護(hù)
①混凝土拆模時的強(qiáng)度必須符合設(shè)計或規(guī)范要求,嚴(yán)禁未經(jīng)試驗人員同意提前脫模,脫模時不得損傷混凝土。
②傳統(tǒng)的混凝土灑水養(yǎng)護(hù)方法,增加了隧道內(nèi)的文明施工難度,灑水也不均勻,使混凝土早期強(qiáng)度得不到保證。建議使用噴涂混凝土養(yǎng)護(hù)液的方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。