隧道二衬混凝土裂缝分析\预防与处理

（中铁隧道集团四处有限公司，南宁，530003）

【摘要】本文针对隧道二次衬砌施工后，衬砌结构因材料性能、配合比、温湿度和施工等原因出现裂缝进行逐一分析，对因材料性能、配合比、温湿度和施工等裂缝原因提出预防措施，在二衬裂缝出现后，根据裂缝的宽度、深度及对结构的影响提出多种处理方法。

【关键词】隧道二衬；混凝土裂缝；分析；预防；处理

0 前言

隧道二次砌衬混凝土施工后，经常在衬砌表面出现纵向、环向、斜向、龟裂等各种类型裂缝，这些裂缝轻则影响感观，重则影响结构质量。施工中必须考虑到可能产生二衬混凝土裂缝的各种因素，采取有效的预防措施控制减少裂缝的数量。

1 隧道二衬混凝土裂缝原因分析

1.1 原材料的因素

水泥，水泥品种选择不当，安定性不良，不同批次的水泥混用，均可能导致二衬裂缝。水泥等级越高、细度越细、早强越高对混凝土开裂影响越大。为了赶工期，缩短二衬脱模时间，施工过程中采用快硬早强水泥，混凝土硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力，形成混凝土龟裂。水泥安定性不符合要求，在混凝土具有一定的强度后内部的水泥成分还在水化，并拌随一定的体积膨胀，从而导致混凝土内部产生巨大的膨胀应力，致使衬砌表面起鼓不平顺，当膨胀应力超过混凝土强度极限时，就会引起混凝土的开裂。

骨料，粗、细骨料级配差，含泥量过大，会使混凝土的强度极具降低，抗渗性降低，干燥时产生混凝土收缩，造成裂缝产生。骨料中含有泥土或骨料级配不合理。碎石中石粉含量大，针片状过多，使用了反应性骨料或者风化岩，骨料中的有害物质含量超过规范规定，都会影响混凝土的技术性质。由于骨料反应造成局部膨胀和拉应力，引起混凝土结构产生裂缝。风化岩因为强度低，大大降低混凝土强度，使结构强度不足，产生裂缝破坏。

另外，混凝土中掺用了不适宜的添加剂，也会引起混合料的反常凝固和反常膨胀，导致裂缝的产生。

1.2 配合比的因素

进行配合比设计时，忽视水泥用量增多对混凝土品质的影响，误认为水泥用量越多，混凝土强度越高。实际上水泥用量过多，水化热加大，混凝土内外温差明显，养护不好，会形成温度梯度，产生裂缝。

在集料用量一定的情况下，砂率较小时，粗集料含量较大，集料表面积较小，使水泥浆过渡层变厚，虽然较厚的过渡层存在较多的薄弱环节，但这些薄弱环节在较多粗集料所产生的较多且作用较强的大中心质效应圈范围内，其破坏作用由于较大中心质的有利效应而得到抑制，在宏观上表现为塑性收缩裂缝相对较小。随着砂率的增大，粗集料减少，粗集料的抑制作用减弱，表现为塑性收缩裂缝面积有增大的趋势。

骨料粒径越细、针片状含量越大,混凝土单方用灰量、用水量增多，收缩量增大导致混凝土开裂。

混凝土外加剂、掺合料选择不当,或掺量不当,对掺合料和外加剂的选用缺乏专业技术人员的指导，往往达不到预期的效果，也会导致混凝土开裂。

1.3 温差、湿度的因素

外界的气温、湿度的变化是产生裂缝的关键因素。混凝土内部的温度由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构散热的湿度叠加所组成。浇筑时的温度与外界的气温有着直接的关系，外界气温越高，混凝土的浇筑温度也就越高，如果外界温度降低，又会增加混凝土内外温度的梯度。如果外界温度很高下降过快，会造成很大的温度拉应力，混凝土极易发生裂缝。此外，外界的湿度对混凝土的裂缝也有很大的影响，外界的湿度降低，会加速混凝土的干缩，会导致混凝土裂缝的产生。

混凝土浇注后，如果空气干燥，不及时进行养护，混凝土中水分会蒸发过快，形成脱水现象，会使已形成凝胶体的水泥颗粒不能充分水化，不能转化为稳定的结晶，缺乏足够的粘结力，从而会在混凝土表面出现片状或粉状脱落。此外，在混凝土尚未具备足够的强度时，水分过早的蒸发还会产生较大的收缩变形，出现干缩裂缝。

1.4 施工因素

隧道测量不精确，形成中线偏位，二衬浇筑后形成边墙混凝土一侧偏薄，另一侧超厚，结构受力后较薄的一侧承受压力较大，较厚一侧承受的压力较小，形成二衬受力不均匀，导致薄弱部位开裂。开挖断面净空不符合设计要求，出现超欠挖，造成初期支护喷射混凝土厚度不均匀或初期支护侵入衬砌限界以及衬砌混凝土背后存在空洞，都是产生裂缝的直接原因。

仰拱施工时基底虚渣、积水清理彻底，二衬浇筑前矮边墙杂物清理不干净，二衬浇筑后矮边受力不均匀，产生不均匀下沉及变形，导致二衬开裂。

急于赶进度或抢工期，在隧道围岩和衬期支护变形还未稳定的情况下浇筑二衬，二衬施工后围岩继续变形，致使二衬承受过大的变形应力，导致二衬开裂。

混凝土浇筑操作不当导致混凝土的离析与泛浆。由于混凝土混合料，是由不同密度、形状、大小等材料组成，因而极易产生离析，泛浆泌水，使得混凝土表面出现不规则的收缩裂缝。采用整体式钢模板台车施工，在泵送混凝土浇筑过程中，没有先两边窗口再中间窗口，而是先从中间窗口泵送混凝土且没有及时振捣，振捣或插入不当,漏振、过振或振捣棒抽撤过快，均会影响混凝土的密实性和均匀性，导致裂缝的产生。

2 隧道二衬混凝土裂缝预防措施

为防治混凝土产生裂缝，保障混凝土结构的耐久性能，必须通过严格配合比、原材料品质和施工工艺措施来实现。

2.1 原材料控制

水泥，不同品牌、不同规格、不同批次的水泥不能混用。矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥干缩性较大，容易导致二衬干缩变形，尽量避免使用。

骨料，对于含泥量超过规定的骨料要进行淘洗，确保骨料含泥量符合规定。对级配差的骨料要改善其级配直至符合规定。风化岩强度低，质地疏松，反应性骨料性质不稳定，均不能用做混凝土的原材料。在不导致泵送堵管的情况下，尽可能选用较大粒径的碎石，针、片状物含量不大于15 % ,粒径以 5 mm～31. 5 mm 为宜。采用级配良好的中砂,细度模数应为2. 3～3. 0 ,粒径小于0. 315 mm 的颗粒含量所占比例宜为15 %～20 % ,为方便混凝土的运输、泵送和浇筑,砂率取35 %～45 %。

外加剂，施工时必须慎重选择外加剂的品种和掺量,高效减水剂能够有效减少拌合用水,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肿胀和开裂。

2.2 配合比控制

减少水泥用量，进行配合比设计时，在满足设计强度的情况下，尽量减少单位水泥用量。选择早期强度低，水化热低的水泥。

提高混凝土中骨料的数量和质量，在混凝土结构拌合体中骨料的用途是起骨架的作用。其在混凝土中的主要目的是稳定并固结住混凝土的整个体积。由于纯水泥浆体硬化后收缩变形过大，无法对结构体产生有效的固结，因而必须有骨架对水泥浆体的收缩起到一起的约束作用。所以，在混凝土结构拌合体中骨架用量应占混凝土结构拌合体的大部分体积，从而在混凝土结合硬化过程中对混凝土结构拌合体的体积稳定性起决定作用。通过实验对比和分析，骨料的粒形和颗粒的级配越好，所占的体积分额越高，单位体积中混凝土的水泥用量越少，其混凝土结构拌合体的体积稳定性就越好。我国目前砂石标准中规定石子，针、片状颗粒含量最大的可达约15%，而在实际工程中几乎所有的采石场都没有真正及认真地执行过。人们往往认为对砂石只要求强度，对粒径和级配则相对管理较为松散。一般采用增加水泥用量来满足混凝土的和易性要求。这种现状在一定程度上阻碍了骨料质量的提高，不利于资源效率的使用。

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,及时调整拌和用水量。改善骨料级配,掺加粉煤灰或高效减水剂等来减少水泥用量,降低水化热。混凝土中掺加一定量的具有减水、增塑、缓凝等作用的外加剂,改善混凝土拌合物的流动性、保水性,降低水化热,推迟热峰的出现时间。

2.3 温、湿度控制

在混凝土内部和外部设置温度测点，并设置保温材料温度测点，现场温度监测数据由数据采集仪自动采集，并进行整理分析，每一个测点的温度值及各测点位置与表面测点的温差值，作为研究调整控制措施的依据，防止混凝土出现温度裂缝。如果二衬混凝土施工正值夏季，如何降低混凝土入模温度是施工控制的重点之一。可采取水泥罐加遮阳棚，并洒冷水降温。沙石料的料仓搭设遮阳棚，必要时可洒冷水降温，或用篷布覆盖。拌合水采用井水，必要时加冷块或增加制冷机组。充分利用气温低的时间来浇筑混凝土等措施，保证混凝土夏季入模温度不高于32℃,冬季入模温度不低于5℃。

混凝土拆模后，及时进行养护，保持混凝土处于湿润状态，养护期限14天为易。采取洒水养护，用橡胶软管连接高压水管浇洒于衬砌表面，或是制作简易养护台架进行洒水养护。

2.4 施工控制

加强隧道开挖断面测量与检测,严格控制超欠挖，为后期衬砌施工创造良好的条件。在保证开挖断面成型满足设计要求的前提下，初期支护喷射混凝土表面要平顺，并确保喷射混凝土不侵占二次衬砌净空，避免二衬厚度不够。

仰拱及矮边墙施工前一定要把基底虚渣、杂物、积水清理干净，以避免二衬浇筑后矮边墙出现不同程度的下沉及变形而影响后期二次衬砌的质量。

加强监控量测，二次衬砌浇筑应在围岩和初期支护变形趋于稳定时进行。对于洞口浅埋段、围岩破碎带，围岩变形大、流变特性明显，需尽早进行二次衬砌施工时，应对二衬结构进行加强，采用钢筋混凝土二衬。

采用延缓温差梯度与降温的措施，浇筑前经详细安排浇筑的次序、流向、浇筑的厚度、长度前后浇筑的搭接时间，控制混凝土入模温度，并加强振捣，严格控制振捣时间、移动的距离、插入的深度，保证振捣密实，严防漏振与过振，确保混凝土密实，并做好现场组织协调，保证施工按计划进行，确保不留冷缝。浇筑完后，对混凝土表面较厚的水泥浆进行必要的控制，避免表面龟裂。二次衬砌混凝土灌注，全过程应有试验员进行旁站，且严禁在运输和泵送过程中给混凝土加水。

3 隧道二衬混凝土裂缝处理方法

3.1 表面处理法

表面修补法是一种简单、常见的处理方法，它主要适用于稳定和对结构承载能力没有影响的表面裂缝以及深进裂缝的处理，表面修补法包括表面涂抹法和表面贴补法。

表面涂抹法适用范围是浆液难以灌入的细而浅的不漏水不伸缩的裂缝以及不再活动的裂缝。通常的处理措施是将二衬表面灰尘用高压水冲洗清理干净，在裂缝的表面涂抹水泥浆、环氧胶泥或在混凝土表面涂刷油漆、沥青等防腐材料。除涂抹水泥浆外，涂抹其他材料前，均应等清洗的二衬表面干操后进行。

表面贴补法适用于大面积漏水(蜂窝麻面等或不易确定具体漏水位置、变形缝)的防渗堵漏，通常可以采用在裂缝的表面粘贴玻璃纤维布处理。粘贴前先进行基面处理，保证基面平整、无尘、无油污、干操，在处理好的混凝土表面涂一层很薄的底层胶，既增强混凝土表面强度，又可以改善胶结性能，从而使二衬与玻璃纤维布之间粘贴性得以提高；按要求尺寸裁剪纤维布，用滚刷或毛刷均匀、无遗漏地将粘接胶涂在二衬表面，粘接胶涂布面应不小于所粘贴玻璃纤维布大小，铺覆玻璃纤维布，用胶辊在玻璃纤维布上沿纤维方向施加压力并反复辊压，使粘接胶液充分浸渍纤维布，消除气泡和去除多余胶，使玻璃纤维布和底层充分粘接；待贴补面干操后，表面涂刷调色水泥浆，使贴补面颜色与二衬颜色一致。

3.2 填充嵌缝处理法

填充法分为直接填充法和凿槽填充法。

直接填充法适用于较宽的裂缝，用高压风将裂缝吹洗干净，将修补材料直接填充裂缝，表面抹光，直接填充法作业简单，费用低。

凿槽填充法适用于裂缝宽度较窄（填缝材料无法直接嵌入裂缝的缝隙），或是裂缝中有充填物，用灌浆法很难达到效果的裂缝以及小规模裂缝的简易处理。沿裂缝将二衬面凿成U形或V形槽，用水将槽口冲洗干净，然后用高压风将槽内积水吹干，再嵌入填充材料，填充材料可以使用有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡胶、环氧树脂、聚合物水泥砂浆或纯水泥砂浆等。

3.3灌浆处理法

灌浆法是采用各种粘合剂及密封剂灌入裂缝深部，达到恢复结构整体性、耐久性及防水性的目的，从细微裂缝到大裂缝均可适用，处理效果好。利用压浆设备将胶结材料压入混凝土的裂缝中，胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体，从而起到封堵加固的目的。常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化学材料。

首先埋设灌浆管，对于细而浅的裂缝，可用钢丝刷沿缝进行表面刷毛和清洁处理，然后骑缝用环氧胶泥粘贴灌浆管，对于宽而深的裂缝，宜沿缝开凿V形槽，然后骑槽粘埋灌浆管；灌浆管应设于裂缝较宽处、交叉处、端部及裂缝贯穿处等部位。其次封缝，先沿裂缝刷一道环氧树脂基液，然后抹一层环氧胶泥，封缝的目的在于使裂缝形成一条密闭性空腔通道。然后配制浆液，浆液可灌性与浆液粘度及灌浆压力有关，粘度愈大所需压力就愈大，且灌浆时间很长，对于不贯通裂缝，难于将浆液灌注到裂缝深部；可灌性与固化时间长短及固化后所具有的粘结强度往往是相互矛盾的，因此在可灌的情况下尽可能用粘度大的浆液。浆液配好即可灌浆，由缝的一端向另一端进行，竖缝、斜缝由下往上灌，灌浆压力应逐渐升高，防止骤然加压使裂缝扩大，每次灌浆以邻近贴管冒浆为准，冒浆后立即用止浆塞塞紧，保持恒压断续压灌。灌浆凝固后，取下灌浆管，用砂轮机浆封缝的环氧胶泥剔除。

3.4 拆除重砌法

拆除重砌法是在裂缝采取修补措施无法弥补的情况下的处理方法。当衬砌裂缝多，裂缝贯穿整个衬砌截面，影响结构受力及稳定时，拆除既有裂缝二衬，拼装砌衬模板重新浇筑二次衬砌。

拆除重砌应逐段进行，采用微差爆破拆除，微差爆破能有效地控制爆破冲击波、震动、噪音和飞石，操作简单、安全、迅速，破碎程度好，对相临衬砌影响小。拆除时在砌衬拱顶、左右拱腰、左右拱脚（矮边墙上50cm位置，防止损坏矮边墙）等5条线纵向打眼，眼格间距25cm，间隔装药，起爆顺序为拱顶¬¬―左右拱腰―左右拱脚。为防止爆破的二衬塌下砸损路面，应在路面铺一层50cm厚砂土保护。炸除后用挖掘机清理废渣，割除破损的防水板重新铺装，安装止水条，浇筑二衬。

二衬重新浇筑前一定要查明导致裂缝的原因，若是因为围岩变形导致二衬裂缝，重新浇筑时应在二衬内植入型钢钢架或采用钢筋混凝土二衬。

4 结束语

要想有效的预防隧道二衬混凝土裂缝产生，首先要清楚施工过程中可能导致裂缝的相关因素，从原材料、配合比、温湿度及施工工艺等多方面严格控制。裂缝的处理要根据缝隙的深浅、宽窄、多少及对结构的损害严重程度来选择比较适合的方法。

参考文献

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[4]陈鹏.隧道二衬混凝土裂缝原因分析与防治［J］.中国新技术新产品,2009,15

作者简介：

张理智（1981－）,男，广东乐昌人，工程师，主要从事公路、铁路、市政工程施工技术管理工作。