隧道2次衬砌混凝土裂缝产生原因和防治措施.pdf

公路交通技术 2 0 1 0 年4月 第2 期T e c h n 。 1。 g Y。 f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t A p r 2 0 1 0 N o 2 隧道 2次衬砌混凝土裂缝产生原因和防治措施 林怀钏 ( 福建省泉州市交通局 ，福建 泉州3 6 2 0 0 ) 摘要 ：公路 隧道施工 中，由于隧道受力情况的复杂性 ，外界环境条件 的多变性 ，施工质量的波动性 ，隧道 2次衬 砌施工中或施工完成后，经常出现裂缝。对2次衬砌混凝土完成后 出现的裂缝进行理论分析，并根据裂缝危害程度 提 出预防和治理措施 ，为隧道 2次衬砌施 工质量控制提供参考。 关键词 ：隧道 ；2次衬砌 混凝土 ；裂缝 ；产 生原 因；防治措施 文章编号：1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 l 1 6 一 o 4 中图分类号 ：U 4 5 9 2 文献标识码 ：B Ca u s e s o f Co n c r e t e Cr a c k s o n Se c o n d a r y L i n i n g in Tu n n e ls a n d Pr e v e n t i v e Me a s u r e s L I N Hua i e h ua n 隧道施工中，2次衬砌是一道重要的工序 。如 何避免裂缝的产生 ，确保 2次衬砌混凝土 的质量 ， 使其达到内实外美 ，是公路建设者面临的课题。本 文通过对隧道 2次衬砌混凝土裂缝产生原因的全 面、深入分析 ，有针对性地提出防治混凝土裂缝产 生的措施 。 1 裂缝产生原 因分析 1 1 地质环境影响因素 隧道工程属地下工程 ，其受力结构及外部荷载 均与地质环境密切相关 。首先 ，隧道地质环境受地 壳运动的影响在不断变化 ，但具体如何变化 ，变化 量多大 ，难以精确把握 ；其次 ，隧道施工时需爆破 开挖 ，这样势必会破坏隧道区域 内原有岩体 内力 、 水文地质等的平衡 。虽然在施工和运营阶段可以采 取一些措施 ，对隧道地质环境 的各种变异进行一定 程度上的监控 ，但地质因素引起的岩体内力仍不可 避免地会影响隧道施工 ，当其影响超过 2次衬砌混 凝土 自身所能承受的应力时，就会产生裂缝。 1 2 材质特性影响因素 2次衬砌混凝土随着时间的推移会发生碳化现 象 ，碳化会损伤混凝 土的密实性 ，降低混凝土强 度 ，造成 2次衬砌混凝土产生裂缝 。此外 ，2次衬 砌混凝土在浇筑过程 中，水泥会放 出大量水化热 ， 促使 内部温度不断升高 ，在混凝土表面产生拉应 力 ；加之新浇混凝土因受到基础或已凝固混凝土 的约束，也会使混凝土内部出现拉应力，当这些 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 1 2 1 作者简介 ：林怀钏 ( 1 9 7 8 一 ) ，男 ，福建省泉州市人 ，硕士 ，助工 拉应力超 出混凝 土的极 限抗拉强度时 ，就会产生 裂缝。 1 3 施工技术影响因素 1 3 1 施工 测量 隧道开挖一般采用新奥法施 工 ，但实际施工 中 ，不少施工单位并未真正按新 奥法 的要求进行 动态施工管理 ，尤其是施工过程 中不认真对待施 工量测工作 ，不能做到 以量测 资料指导施工与修 正设计 。对于围岩是否收敛 、稳定 ，往往是通过 人眼观察 、经验判断来代替实 际量测 ，因此常常 在 围岩 尚未真正趋于稳定 的情况下就浇筑 2次衬 砌混凝土。此外 ，因各种因素导致施工测量放线 发生的差错 ，常常造成隧道欠挖 、塌方 ，初期支 护模板拱架支撑变形等 ，这些现象 的发生都会降 低初期支护承载能力 ，从 而增加 2次衬砌混凝土 产生裂缝的可能性 。 1 3 2 施 工工 艺 1 )开挖爆破质量。 现在 ，许多隧道都采用光面爆破的开挖技术 。 隧道开挖光面爆破的效果将直接影响到隧道初期 支护的强度和稳定性。首先 ，如果光面爆破效果 控制不好 ，往往导致开挖断面环 向轴线不能与围 岩压 力拱轴线相协调 ，致使 围岩 自拱能力差 ，表 面平顺度无保障 ，造成初期支护稳定性差 ，开挖 后 围岩对 2次衬砌混凝土的压力大 ，导致 2次衬 砌混凝土产生裂缝 。其次 ，隧道开挖爆破时产生 的震动力会对周边 围岩 的稳定产生较 大影 响 ，如 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0 年 第 2期 林怀钏 ：隧道 2次衬砌混凝土裂缝产生原 因和防治措施 1 1 7 果周边围岩 的沉降收敛变形在较长时间 内尚未趋 于稳定 ，那么将会使 2次衬砌 混凝 土承受较大的 外部压力 ，导致其开裂 。 2 )平顺度和厚度。 初期 支护的平顺度 直接影 响 2次 衬砌 混凝 土 的受力状况及 内部收缩 变形 的 自由度 。如果初期 支护的平顺度差 ，在一定程度 上会导致 2次衬砌 混凝 土外部应力的集 中 ，同时直接影 响 2次衬砌 混凝 土厚度 的均匀性 ；如果 2次衬砌混凝 土厚度 的均匀性差 ，则在外应力作用下极易在厚度 薄弱 部位产生裂缝。 3 ) 台车模板长度。 目前 ，为提高隧道施工进度 ， 2次衬砌混凝 土衬砌 台车都较长 ，一般为 9 m以上 。但每模纵 向长度越长 ，2次衬砌混凝土产生裂缝的可能性就 越大。 4 )2 次衬砌拆模施工。 为保证隧道 2次衬砌混凝土强度 ，在混凝土浇 筑完成后 ，要待混凝土达到一定强度方可拆模。如 果拆模 时间过早 ，则混凝土强度还很低 ，这样就极 易使 2次衬砌混凝土在拱顶 ( 抗拉 ) 与边墙 中部 ( 抗 压 ) 的位置出现水平裂缝。同时 ，在拆模时要尽量 防止挠动 ，如果拆模挠动较大 ，则将直接影响 2次 衬砌混凝土的内在强度 ，致使其产生裂缝 。 5 )2次衬砌混凝土养护。 据笔者调查发现 ，目前大部分隧道施工时，施 工单位未能及时对 2次衬砌混凝土进行洒水养护 。 虽然隧道内部存在一定的湿度 ，但所含的潮气也都 不能完全满足混凝土养护成型所需的水分 ，这样就 会导致混凝土因内部收缩应力增大而产生裂缝。同 时，隧道 内的温度变化也会对尚未完全养护成型的 2次衬砌混凝土存在较大影响。在昼夜温差较大或 急剧气温变化时，极易产生较多的裂缝 。所 以，拆 模后必须及时对 2次衬砌混凝土洒水养护并定期观 测隧道内的温差 ，避免裂缝的产生。 1 3 3 材料 质量 1 )混凝土水灰比。 目前 ，为保证 2次衬砌混凝 土的密实性及 其 与岩壁 的密贴性 ，隧道施工均要求采用泵送混 凝 土。但泵送混凝 土的水灰 比较大 ，在 2次衬砌混 凝 土凝 固成型时将 产生较大 的内部 收缩应力 ，从 而可能导致其产生裂缝。另外 ，调查发现 ，早年 不采用泵送混凝 土浇筑 的 2次衬砌混凝土 出现 裂 缝的数量反而相对偏少 ，因此在某种 意义上也证 明 了水 灰 比的大小是 隧道 2次衬砌混凝土产生裂 缝的影响因素之一 3 J 。 2 )混凝土添加剂 。 添加剂能提高 2次衬砌混凝 土的性能 ，例如 ， 加膨胀剂 能提 高混凝土 的抗渗性能 ，加早强剂有 利于及早脱模 以加快施工进度等 。但在不 同的季 节 、不 同的骨料 、不 同的水泥 中使用添加剂均会 产生意想不到的 “ 副作用” ，导致 2次衬砌混凝土 产生裂缝。 3 )防水卷材厚度 。 防水卷材是界于初期支护与 2次衬砌混凝土之 间的一个结构层。防水卷材所具有的一定厚度及光 滑面能为 2次衬砌混凝土提供一定的 自由伸缩度 ， 防止其产生裂缝 ；同时，2次衬砌混凝 土出现裂缝 后，防水卷材将发挥其防渗漏水的作用。如果防水 卷材厚度过薄 ，一方面会降低 2次衬砌混凝土的自 由伸缩度 ，另一方面其 自身也容易受到混凝土的挤 压破坏 ，导致隧道渗漏水f 4 】 。 2 2 次衬砌混凝土裂缝预防措施 2 1 加强地质环境勘测 在勘察设 计阶段 ，应充分做好地质勘探工作 ， 获得尽 可能准确 的工程地质与水文地质资料 ，提 供准确的设计参数 。应针对不 同的地质条件 ，采 用 适宜 的洞室断 面结 构 ，以正确判断 围岩 类别 ， 选择合理 的衬砌结构断面类型 ，确保衬砌具有足 够 的承载能力 。隧道 2次衬砌施工 阶段应密切注 意施工现场情况 ，其施工 中发现 围岩地质情况有 变化 ，或与原设计不符时 ，应及时变更设计 ，使 衬砌符合实际需求 。 2 2 加 强施 工材 料检 测 研究表明 ，2次衬砌混凝土失水收缩和温度差 产生的温度变化是导致隧道 2次衬砌混凝土产生裂 缝的重要原因。通过合理添加膨胀剂等外加剂 ，可 有效降低 2次衬砌混凝 土的失水收缩和温差收缩 ， 提高其抗裂缝能力。近年来 ，国内外 2次衬砌混凝 土添加外加剂均具有成本低 、施工工艺简单、效果 显著等优点 。 2 3 加强施工质量管理 1 )加强施工中的地质复查核实工作 ，对地质 变化复杂地段， 应采用地质雷达探测、开挖面超前 钻探等方法进行超前地质预报同 。若开挖暴露后的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 8 公路交通技术 2 0 1 0雏 围岩情况与设计不符 ，应及时与设计人员沟通 ，做 好设计变更 ，选择正确的施工方法。 2 )提高衬砌质量 ，尽可能采用先进的施工技 术设备 ，尽量减少施工对围岩的扰动 ，提高隧道开 挖 的光面爆破效果 ，同时改进爆破工艺 ，控制炸药 量 ，以减少开挖爆破时炸药对围岩的扰动 ，从而降 低外部应力对 2次衬砌混凝土的影响。提高混凝土 衬砌的抗裂 、抗渗性能 ，采用模板台车进行模筑混 凝土 ，进行壁后注浆 ，提高混凝土衬砌与围岩之间 的密实性 。加强振捣，确保混凝土的匀质性和密实 性 ，提高混凝土本身的抗裂能力。 3 )严格控制超欠挖 ，保证初期支护的平顺度 及 2次衬砌混凝土的结构层厚度。在铺设防水隔离 层之前 ，应用喷射混凝土或砂浆将初期支护表面大 致整平 ，以改善 2次衬砌的受力条件 。 4 )2次衬砌混凝 土每模不宜太长 ，以减少混 凝土内部 的收缩应力。避免拆模过早 ，保证拆模时 最 后浇筑 的 2次衬砌混凝土强度至少达到标准要 求 ，同时减少拆模时对混凝土的挠动。 5 )2次衬砌混凝土宜采用较大的骨灰 比 ，降 低水灰 比，并通过全面细致的试验 ，保证混凝土外 加剂的使用安全。及时对 2次衬砌混凝土进行洒水 ( 雾化水 ) 养护，加强高温干燥环境下 2次衬砌混凝 土的养护 ，保证混凝土表面处于湿润状态，并采取 必要措施严格控制混凝土温度 的急剧变化 ，保证混 凝土早期强度。 6 )在隧道 2次衬砌混凝土施工过程 中，应针 对混凝土易裂部位提出相应的配筋技术要求 ，如在 竖筋外侧结合采用水平筋 ，以防止混凝土产生竖向 裂缝 ，从而减少隧道 2次衬砌混凝土裂缝的产生。 3 2 次衬砌混凝土裂缝的治理措施 首先 ，应对 出现的裂缝及时进行调查 、监测 ， 分析其产生的原因，判断是否为结构性损伤；其 次，应掌握裂缝变形情况和地质资料，查清病因， 加强观测 ，对不 同类型 的裂缝采取相应 的整治措 施。对地质灾害、渗漏水 、腐蚀等其它病害 ，要综 合整治。 3 1 直接涂抹 隧道 2 次衬砌混凝土表面常出现一些没有扩展 性的细微裂缝 ，裂缝宽度小 ，无明显剪切滑移、渗 水迹象 ，对结构的强度、刚度 、稳定性会产生一定 的影响，但不影响结构安全和正常使用。可采用直 接涂抹法进行处理。涂抹材料建议用水泥基渗透结 晶型材料或环氧树脂混凝土 。涂 抹后必须加强养 护 ，涂层初凝后宜用 喷雾式 ，防止洒水 时涂层破 坏 ，同时防护过程中应避免雨淋 、霜冻 、日晒、风 吹 、污水冲刷及处于低温环境。露天施工时必须注 意涂抹处的保温、保湿和通风。 3 2 埋管注浆 如果 2次衬砌混凝土裂缝宽度在 0 20 5 m m 之间 ，且无明显错动迹象 ，但有渗水现象时 ，则直 接注浆修补 ；如果裂缝有明显的剪切滑移迹象 ，则 除采用埋管注浆外 ，还应进行锚 固注浆。 3 3 凿槽嵌缝 如果 隧道 2次衬砌混凝土贯 通性 裂缝宽度在 0 51 0 m m之 间 ，且 无 明显 的剪切错动渗 水迹 象 ，但对工程质量危 害较大 ，则 应采用凿槽嵌缝 法修补 。具体方法是 ：沿裂缝凿开 1道沟槽 ，槽 宽 、槽深根据裂缝深度确定 ，最大深度不得超过 2 3 衬砌厚度 ；清除缝 内浮渣 ，并用高压风或吸尘 器 吹除或 吸除缝 内尘土 ，保证缝 内无水 、干燥 ； 在裂缝两侧面和底 面涂刷底胶 ，用配制好 的接缝 材料填缝 ，并捣固密实 ；用防水砂浆或其它材料 将裂缝表 面抹平 ，并进行合理 的养护 ；如裂缝有 明显错动迹象 ，除采用凿槽嵌缝外 ，还应进行锚 固注浆。 3 4 锚 固注浆 锚 固注浆修补法主要用于隧道围岩较好 ，裂缝 密度较小的 2 次衬砌混凝土裂缝。具体为 ：将有裂 缝的混凝土块体用锚杆进行加 固，固定在稳定的岩 体上 ，以限制裂缝进一步发展( 为了增加锚杆抗拔 力 ，建议使用 中空螺纹锚杆 ) ，并进行灌浆 ，当达 到规定压力而压不进砂浆时，灌浆结束 ；最后 ，注 浆孔用环氧树脂砂浆抹平 ，再用刮抹料和调色料进 行表面颜色处理 。 3 5 拆 除重 建 如果由于严重地质水文灾害 、火灾等导致隧道 2次衬砌拱 、墙 的某一段或某一局部混凝土出现多 条纵向、环向或斜向裂缝 ，互相交叉 ，形成网状分 布裂缝 ，且主要裂缝的宽度较大 ，表明隧道 2次衬 砌遭到结构性损坏 ，有可能造成混凝土局部坍塌 、 掉块 ，此时应拆除重建嘲 。 4结语 ( 下转第 1 2 4页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 2 4 公路交通技术 2 0 1 0生 成注浆量浪费。对隧道结构 的初期支护 、防水板 、 2次衬砌 、施工缝进行全封闭 ，所有施工缝采用止 水带以保证有毒气体不泄漏。初期支护及 2次衬砌 混凝土采用气密性混凝土，保证其气密系数，且结 构封闭路段至少保证有 1 倍洞径的过渡。 5 )强支护。初期支护钢支撑问距为 5 0 e m 榀 ， 超前小导管长为 3 m，纵向间距 1 m，其它参数与原 设计一致。 6 )加强富水段监控量测 ，量测桩点 1 0 m埋 设 1 组 ，并增加量测频率 ，及时将量测数据反馈到 现场以指导施工。 6 施 工废水 处理 1 )隧道 内涌水必须流经专用的排水系统 ，将 地下水汇集统一 由中心排水沟排放，防止地下水漫 流而导致硫化氢气体 四处弥散。 2 )隧道内地下水全部排放至洞外沉淀池 ，经 处理达标后再排放。 3 ) 由于造成硫化氢污染 的废水主要是酸性废 水 ，放人生石灰进行 中和处理。在中和阶段 ，伴随 部分硫化氢气体逸散于大气 中，同时中和反应产生 的热量也会增加硫化氢的逸散速度。 7 结束语 玉峰山隧道施工过程 中采取了 “ 强通风、勤检 测 、预排放 、全封闭”等措施 ，安全通过了含硫化 氢气体地层路段。通过对玉峰山隧道含硫化氢地层 的处理 ，得到以下几点体会 ： 1 )施工单位应加强安全意识教育 ，强化施工 安全管理。施工中严格落实应急预防措施 ，重视应 急预案的演练 ，使现场每个操作人员都了解硫化氢 的危害和防治措施。 2 )重视超前地质预测预报工作。处治过程 中， 坚持超前探孔 ，保证探孔施工的连续性 ，有疑问段 应采用短探孔验证 ，做到对前方围岩心中有数 ，确 保万无一失。 3 )施工单位必须加强安全管理 ，保证作业环 境的硫化氢控制在安全浓度范围内。施工 中通过超 前探测 、短进尺 、快封闭的措施确保施工安全。 4 )建设单位 、施工单位和监理单位应及时沟 通 ，相互协调 ，共同实施对含硫化氢气体地层路段 的预防和处治措施确保万无一失。 参 考 文 献 1 】 交通 部重庆公路科 学研究所 J rr J 0 4 2 9 4 公路隧道 施工技术规范 S 1 北京： 人 民交通出版社 ， 1 9 9 5 2 常士骠， 张苏民 工程地质手册【 M】 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 7 【 3 】 黑龙 江省公路桥梁 建设总公 司 J r J 0 7 6 9 5 公路工 程施 工安全技术规程 s 】 北京： 人民交通 出版社， 1 9 9 5 国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局 煤矿 安全规程 ( 2 0 0 5 ) I S 北京 ： 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 5 【 5 中铁 五局 ( 集 团 ) 有限公 司T B 1 0 1 2 0 - - - 2 0 0 2 铁 路瓦 斯隧道技术规范 S 北京 ： 中国铁道出版社， 2 0 0 2 6 】 铁道部第二工程局铁路工程施工技术手册隧道下册 M 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 7 7 重庆交通科研设计院 J T G D 7 0 - - - 2 0 0 4 公路 隧道设计 规范f s 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 4 8 杨文 渊 实用 土木工 程手册第 三版【 M】 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 1 9 鞠建英实用地下工程防水手册 MI 北京： 中国计划出 版计 ， 2 0 0 2 O 】关宝树隧道工程施工要点集【 M】 北京： 人民交通出版 社 2 0 0 7 ( 上 接 第 1 1 8页) 实践证明 ，要想使隧道施工达到设计要求 ，使 其在交付使用后真正发挥作用，必须高度重视隧道 2次衬砌 的施工质量 ，而这需要科学 、严谨 、合理 的施工组织。一旦 2次衬砌混凝土出现裂缝 ，就必 须对其进行及时 、仔细、全面的观测 ，用具体的数 据和理论分析来判断裂缝 的危害程度 ，以采取相应 的措施 ，确保隧道工程质量。 参考 文 献 I l 】 吴荣锋 ， 李淑琴 隧道衬砌混凝 土裂缝控 制技术 【 J 1 铁 道标准设计 ， 2 0 0 2 ( 增 2 ) ： 9 3 9 5 2 交通部重庆公路科学研究所J r r J o 4 2 9 4 公路隧道 施工技术规范 s 北京 ： 人民交通 出版社 ， 1 9 9 4 【 3 傅伟， 周红锋， 樊金甲隧道二次衬砌混凝土裂缝产生 原因及防治办法 J J 交通标准化， 2 0 0 5 ( 7 ) ： 5 3 5 5 【 4 J 吴宝树隧道工程施工要求 M I 北京： 人民交通出版社， 2 00 6 【 5 李红涛， 刘荣平隧道二次衬砌施工的工程质量控制f J 1 山西建筑， 2 0 0 8 3 4 ( 2 7 ) ： 2 4 8 2 4 9 6 苏生公路隧道二次衬砌开裂机理与抗裂性试验研究 【 D 】 杭州 ： 浙 江大学 ， 2 0 0 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m