隧道衬砌裂缝产生原因及预防治理措施

隧道中产生的裂缝一方面是由设计原因造成的，另一方面是由于施工管理不当造成的。它是结构内部受到与设计状态不同的应力的反映，同时也与施工过程中由于人为的因素改变了洞室的受力状态有很大关系。

1、隧道衬砌混凝土裂缝类型

收缩裂缝，温度裂缝、外荷载作用产生的变形裂缝、施工缝处理不当引起的接茬缝等。

1.1干缩裂缝

收缩裂缝是因为混凝土收缩所引起的裂缝。在收缩种类中，分塑性收缩和缩水收缩是发生混凝土体积变形的主要原因。混凝土在硬化过程中水分逐渐蒸发散失，使水泥石中的凝结胶体干燥收缩产生变形，由于受到围岩和模板的约束，变形产生应力，当应力值超过混凝土的抗拉强度时，就会出现干缩裂缝。干缩裂缝多为表面性的，走向没有规律。影响混凝土干缩裂缝的因素主要有：水泥品种、用量及水灰比，骨料的大小和级配，外加剂品种和掺量。

1.2温度裂缝

温度裂缝是因为混凝土具有热胀冷缩性。水泥水化过程中产生大量的热量，在混凝土内部和表面间形成温度梯度而产生应力.当温度应力超过混凝土内外的约束力时，就会产生温度裂缝。裂缝宽度冬季较宽，夏季较窄。温度裂缝的产生与二次衬砌混凝土的厚度及水泥的品种、用量有关。

1.3荷载变形裂缝

荷载变形裂缝是因为支护背后存在空间或排水不畅形成水压，基础产生不均匀沉降，模板台车没有加固好，过早脱模，混凝土受到较大的外力撞击等容易产生变形裂缝。仰拱和边墙基础的虚碴未清理干净.混凝土浇筑后，基底产生不均匀沉降；模板台车或堵头板没有固定牢固，以及过早脱模，或脱模时混凝土受到较大的外力撞击等都容易产生变形裂缝。荷载变形裂缝在隧道衬砌混凝土病害中占有的比例逐年增大，已经引起了广大工程技术人员的重视。

1.4施工缝(接茬缝)

施工缝是施工中停电、机械故障等原因迫使混凝土中断时间超时，在继续浇筑引起的缝；再一个就是原材料不台格、配合比不合理、和易性不好、振捣不密实，钢筋保护层厚度不够等引起的混凝土裂缝。

2、形成裂缝的原因

隧道裂缝产生原因分析；混凝土裂缝形成的原因非常复杂，往往是多种不利因素综合作用的结果。据有关统计，施工不规范造成的混凝土裂缝占80％左右，材料质量差或配合比不合理产生的裂缝占15％左右，设计不当引起的裂缝可能占5％。

2.1建设、监理单位工作随意性大

由于多方面的原因，勘察设计单位无法深入地开展地质勘探工作，隧道围岩类别评价及结构设计缺乏科学依据，带有一定的盲目性。个别建设单位限于自身管理和专业技术水平的欠缺，任意变更设计。少数工程由业主的内部人员组成监理机构，监理工作失去了独立性，但随着建设市场的规范，这些问题会逐渐得到解决。

2.2结构设计计算与实际不符，后期变形应力在设计中未能反映

在现在的隧道设计中，一般根据情况将隧道的设计分为浅埋隧道和深埋隧道两种情况。浅埋情况下以洞顶上所有覆土压力作为设计荷载；深埋隧道的设计考虑坍落拱效应，只计部分围岩压力。在荷载的计算中采用的是经过调查或试验得到的土的物理力学参数。这样的设计模式存在以下几个方面的问题：

第一，人为确定的隧道洞室的荷载模式与实际的洞室受力状况有很大的区别，把受力复杂的地下工程简单的采用类似受力明确的框架进行计算，忽略了土质围岩的特殊性，而这些特殊性恰恰是引起地下洞室日后病害的主要原因，

第二，设计中采用的许多土层的物理、力学指标在洞室开挖后都会发生变化，但设计计算的过程却无法反映出以后这方面的变化，以定态的参数设计的结构去适应动态的应力变化，是对结构受力的过程不全面的反映，同时也是对土层中洞室开挖后的应力变化过程认识不透彻的表现。结构设计中长期以来忽略了地下水的影响，在隧道的设计中仅仅是考虑在有水的情况下将围岩级别予以降低，在没有水的情况下则对水的因素不加考虑。先说有水时的情况，对土质隧道来说，地下水对工程的影响体现在以下方面，其一影响了土的物理力学指标，这点可从围岩级别的降低上得到部分的反映，其二影响了土层中洞室开挖后的席力状杰.十质围岩中有7k时.洞室开挖后将破坏腺来日可赋存环境及水力路径，在洞室完成后会重新形成新的水力路径，在这个过程中，由于水的影响，必然导致洞室周围土压力状态与设计时有很大的不同，而提高围岩级别却不能反映出这种影响，故从根本上说，设计时对土质围岩中水的因素是没有考虑的。在勘察未见地下水的情况下，修成的洞室却往往存在漏水的情况，这说明土质围岩中的水力路径会随着洞室的开挖而变化，从而使开挖时干燥的洞室在运营后数年出现漏水的现象。

2.3施工工艺现场操作不规范

隧道开挖成形差衬砌混凝土厚度严重不均匀，欠挖和超挖支护侵入衬砌限界，造成衬砌混凝土厚度不足，个别隧道衬砌混凝土背后存有脱空现象。

未开展监控量测工作，仅凭经验来确定二次衬砌的施工时间，安全可靠性差，造成二次衬砌超设计荷载承受围岩压力。

混凝土生产时原材料计量误差大，尤其外加剂的掺加随意性大，没有根据砂、石料的实际含水率及时调整施工用水量，造成混凝土水灰比增大，在混凝土运输及泵送过程中加水的现象也比较普遍。

采用整体式钢模台车施工，混凝土浇注时振捣不实或漏浆，造成混凝土密度不均匀。

盲目追求施工进度，脱模时间过早，养生条件又不完善，使混凝土过早承受荷载，破坏了混凝土内部受力结构。

夏季施工时砂、石料露天堆放，无降温措施，混凝土人模时温度过高；冬季施工保温措施不得力。

施工过程中未严格按新奥法要求施工，使衬砌产生裂缝。虽然新奥法设计有其不足之处，但从现阶段的理论和实际来看，新奥法理论仍是目前地下洞室设计和施工的最好的指导理论。但在大量的土质隧道施工过程中，新奥法并未被正确完整的贯彻，大多数工程的施工并未按新奥法的要求进行动态的设计和施工管理。尤其在施工的过程中没有认真的对待量测环节，当然也就不能以量测资料指导设计和施工。有的工程在最关键的收敛稳定的判别上也往往以人眼观察代替量测，这些对新奥法的断章取义或认识不清最终导致了各种各样的工程事故的发生，也导致了最终的工程质量问题。

2.4原材料质量差，配合比设计不合理

水泥品种选择不当，安定性不足，不同批次的水泥混用，碎石、砂继配差，含泥量超标，碎石中石粉含量大，针、片状过多，影响了水泥与骨料的结合。进行配合比设计忽略水泥用量增多对混凝土品质的影响，错误地认为水泥用量越多混凝土强度越高。此外，如果对掺合物合外加剂的选用缺乏专业技术人员的指导.往往也达不到预期效果。

2.5施工管理方面不善，工程质量不高

施工过程的管理未严格按国家的有关规范规程办理，具体表现在混凝士配合比达不到强度

要求，施工振捣不密实导致衬砌中有蜂窝使混凝土强度降低；坍方处理不当衬砌背后留有孔洞；超挖回填不密实、欠挖不修整导致的衬砌受力与设计不符；背弃新奥法思想，在初衬变形未收敛的情况下施做二衬；拆模时间过早导致衬砌早期强度不足；冬季施工管理不善导致混凝土达不到强度要求；施工用水管理不善，导致基底被水浸泡，使衬砌产生不均匀沉降等。

3、混凝土裂缝治理

混凝土作为多组材料组成的脆性材料，裂缝的存在是客观的。作为施工单位应加强衬砌混凝土的施工管理，避免或减少混凝土裂缝的产生。对于出现的裂缝，应认真分析原因，分清是有害裂缝还是无害裂缝，并对有害裂缝进行处理，防止裂缝继续发展，影响衬砌结构的稳定。

3.1细微裂缝

隧道衬砌混凝土表面常出现一些没有扩展性的细微裂缝，这种裂缝是稳定的，一般可自愈不会影响结构的使用合耐久性。从美观考虑，可先清洗干净裂缝表面，然后涂刷环氧树脂浆液二至三遍，最后用刮抹料、调色料处理混凝土表面，使其颜色与周围衬砌混凝土颜色一致。可以用环氧树脂浆液补救。配比是；

环氧树脂：501稀释剂：二甲苯：乙二胺=1：0.2：O.35：O.08；水泥：细沙：水=1：2：o.35；水泥：自水泥：107胶=：5：3：L

施工时应经试验确定，混凝土表面要与其它周围衬砌混凝土颜色一致。

3.2贯通性裂缝

贯通性裂缝的危害较大，必须采取有效的处理方法。沿裂缝方向凿成宽5厘米、深3厘米的V形槽，在槽内骑缝每隔0.5米钻一孔，孔深为衬砌厚度的1／2或2／3，一般不少于15厘米，并不得穿透衬砌以防跑浆。用清水冲洗千净槽内的杂物及粉尘，在孔内插入φ10的压浆管，利用环氧树脂水泥砂浆锚固，用灰刀将砂浆压实抹平。环氧树脂砂浆配比，环氧树脂：水泥；细纱：乙二胺：二丁酯=1：1：63.2：0.1：0.12。其中乙二胺是固化剂，二丁酯是稀释剂。待环氧树脂砂浆有一定的强度后，以O.15MPa-0.2MPa压力压入水泥一水玻璃浆液或环氧树脂浆液。压浆结束后在0.2MPa压力下压水检查压浆效果，裂缝表面用刮抹料和调色料处理。

3.3密集裂缝

衬砌背后有空洞或衬砌厚度不足引起的密集裂缝，必须进行防水和地层加固处理。沿裂缝两侧每隔1.2米～1.5米交错布点.凿成10厘米x10厘米大小深5厘米地方槽，用风动凿岩机钻孔，孔深3米，安装wDT 25中空注浆锚杆，注入水泥砂浆，水灰比L：1施工时由上往下遂级注浆，注浆压力以0.4MPa-0.6 Mpa为宜。注浆结束后，另凿新孔在0.6MPAa-1.0MPa压力下压入纯水泥浆检查注浆效果，当达到规定压力而压不进时，认为注浆已满，注浆24小时后安装锚杆垫板，用环氧树脂砂浆抹平方槽，表面用刮抹料和调色料处理。

4、如何预防混凝土裂缝

4.1做好前期工作

提高设计精度，加强工程前期地质工作，为设计提供详细地工程地质，水文地质勘探资料，提高设计质量。

4.2加强土质围岩中洞室开挖后初期稳定与长期受力变化特点的研究

弄清各类地下结构在土层中的受力特点，研究土质围岩中地下洞室长期应力的变化情况及各种不同情况下土中应力的相应变化。着重研究在新奥法后阶段土层中应力的变化情况，明确在各种不同的地质条件下，土的物理力学参数随时间的变化情况。以此指导设计。

4.3严格混凝土施工工艺

a.提高钻眼技术水平，优化钻爆参数，提高光面爆破效果，加强隧道开挖断面检测，严格控制超欠挖，为衬砌施工创造良好的条件。

b.二次衬砌施作时间，应在围岩和初期支护变形基本稳定时进行。当围岩变形较大、流变特性明显，需提前进行二次衬砌时，必须对初期支护或衬砌结构进行加强。

c.混凝土的拌合

严格按施工配料单计量，定期检查校正计量装置。加强砂石料含水率检测，及时调整拌合用水量，保证混凝土的和易性。

控制混凝土的人模温度。夏季施工时，当气温高于3ZC时，砂石料、搅拌机应搭设遮阳棚，用冷水冲洗碎石降温。尽量安排在夜间浇筑混凝土。

d.混凝土的灌注

混凝土在运输和泵送过程中严禁鲁力水。

适当放慢灌注速度，两侧边墙对称分层灌注，到墙、拱交界处停lh-1.5h，待边墙混凝土下沉稳定后，再灌注拱部混凝土。

混凝土灌注过程中必须振捣，提高混凝土的密实度和均质性，减少内部微裂缝和气孔，提高抗裂性。

e.混凝土的脱模、养护

混凝土拆模的强度必须符合设计和规范要求，严禁为赶工期或提高模板周转量提前拆模，拆模时注意保护混凝土。拆模后应及时养生，而传统的洒水养护方法，既给隧道内的文明施工增加了难度，洒水又不均匀，使混凝土的早期强度得不到保证。因此，建议使用喷涂混凝土养护液的方法进行养护。

4.4把好材料进场关，严格控制原材料质量

水泥：施工现场多使用普通硅酸盐水泥，但应尽量减少单位水泥用量，不同品牌，不同规格，不同批次的水泥不能混用。

碎石：严格按混凝土配合比设计的规格选用碎石标准，严格控制碎石的含泥量、针片状含量。

砂：采用继配良好的中砂，细度模数应为23.3―3.0，粒径小于0.315mm的颗粒含量所占比例宜为15-20％，严格控制含泥量在3％以内，为方便混凝土的运输和浇注。

水：最好选用饮用水。当采用其他水时，应按国家现行标准执行，P H应大干4。水灰比越大混凝土的干燥收缩越大。严格控制泵送混凝土的用水量是减少裂缝的主要措施之一。施工中水灰比的范围一般控制在0.45～O.55之间，塌落度控制在(1 2士2)cm之间。

外加剂：高效减水剂能够有效减少用水量，降低水化热，延缓水化热释放速度，从而减少温度裂缝，但掺量过多会引起混凝土的膨胀和开裂，施工时必须慎重选用外加剂的品种和用量。

掺合料：

推广掺加粉煤灰和膨胀剂的双掺技术，等量替代水泥，以减少水泥用量。对强度等级C25以下的混凝土，粉煤灰掺量一般为水泥用量的10％-15％.膨胀剂掺量为水泥用量的8％-12％，具体掺量需经试验确定。

a.粉煤灰比表面积小，需水量低，不仅能有效降低混凝土的干燥收缩值，还可以改善混凝土的流动性、粘聚性和保水性。在水泥中掺人原状或磨细粉煤灰后，可以降低混凝土中水泥的水化热，推迟水化热峰值的出现，减少绝热条件下的温升，有利于控制温度裂缝的产生。粉煤灰的掺加在水工大体积混凝土施工中应用比较广泛，由于认识、技术上的原因，目前在山岭隧道施工中应用较少。

b.掺加适量的膨胀剂可以补偿混凝土的收缩，增加密实度，提高混凝土防渗抗裂能力。

4.5加强施工管理。保证工程质量

在洞室开挖管理、混凝土质量管理、量测控制管理、施工工序等方面加强管理，杜绝塌方事故的发生，以严格的管理制度保证工程质量

5、结论

隧道混凝土衬砌的裂缝是一个普遍存在而又难于解决的工程实际问题，裂缝不仅影响了美观，还给工程质量留下了隐患。能够针对裂缝产生的原因，提出裂缝的预防和治理方法，对提高混凝土衬砌施工水平有很大的借鉴意义。同时通过对裂缝问题的解决更能使隧道衬砌长期发挥作用，保证正常的运营安全。所以这就要求我们不断地积累经验，完善管理制度，提高隧道衬砌施工技术水平以治理和预防衬砌裂缝，这样才能更好地服务于隧道工程建设，造福于人民。