铁路隧道衬砌裂缝整治探讨

周林峰,朱麟晨

(中铁二院工程集团有限责任公司土建三院,四川成都610031)

在对某铁路全线隧道进行检查过程中，发现部分隧道存在不同程度、不同位置的裂缝。根据该铁路建设单位指挥部的要求，设计单位对相关隧道裂缝产生的原因进行了系统的总结分析，并且提出了裂缝整治的方案措施。

1 隧道衬砌裂缝分布情况

根据对该铁路相关隧道二次衬砌裂缝的调查和统计，发现衬砌裂缝有如下特点。

(1)裂缝主要存在于隧道的拱部、边墙的位置；

(2)裂缝有纵向裂缝、竖向裂缝、斜向裂缝及复合型裂缝等状态；

(3)裂缝有存在于隧道衬砌混凝土表面的、常出现的、没有扩展性的细微裂缝，有从观测孔可以看到贯通衬砌厚度的贯通裂缝，有因衬砌背后有空洞或衬砌厚度不足而引起的密集裂缝；

(4)裂缝最小宽度不足1 mm，最大宽度近10 mm；

(5)绝大多数裂缝停止发展，少数裂缝从预埋观测标的情况来看存在可能继续发展的迹象。

2 裂缝的类型

根据对该铁路隧道二次衬砌裂缝类型初步分析，衬砌混凝土裂缝主要有干缩裂缝、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几种类型。

2.1 干缩裂缝

混凝土在硬化过程中水分由于逐渐蒸发散失,使水泥石中的凝结胶体干燥体积逐渐缩小而产生变形,由于受到围岩和二衬模板的约束,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。干缩裂缝属于混凝土硬化后阶段发生，属于后期裂缝。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,粗细骨料的大小和级配,外加剂品种和掺量等，也与混凝土的振捣、天气、现场风速、养护有关。

2.2 温度裂缝

混凝土硬化期间水泥释放出大量的水化热，内部温度不断上升，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。温度裂缝分内部温度裂缝和外部温度裂缝。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；此外虽然部分混凝土内部温度变化很小或变化缓慢，但表层温度可能变化较大甚至剧烈，如养护不周、时干时湿、表面干缩变形受到内部混凝土的约束也导致裂缝产生。

2.3 荷载变形裂缝

衬砌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而产生的变形裂缝。荷载变形裂缝在隧道衬砌裂缝类型中的比重较大，特别是产生于衬砌边墙的荷载变形裂缝。

2.4 施工接茬缝

施工过程中由于停电、机械故障或管理不到位等原因，导致混凝土浇筑中断时间超过混凝土的初凝时间,继续浇筑混凝土时,若原有混凝土表面没有进行凿毛处理,或者凿毛后没有冲洗干净,就在原混凝土表面浇筑混凝土,则会使新旧混凝土接茬间出现裂缝。

3 裂缝形成的原因分析

混凝土裂缝形成的原因多样并且非常复杂，很多是由于多种不利因素综合作用而产生的结果。根据对大丽铁路隧道二衬裂缝的分析，形成裂缝的主要原因可能存在以下几点。

3.1施工过程中未严格按新奥法要求施工，导致衬砌产生裂缝在隧道施工过程中，新奥法并未被正确地、完整地贯彻，许多隧道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。尤其是有些施工单位在隧道施工的过程中没有认真的对待测量环节，更不用提采用测量资料进行指导设计和施工。对新奥法的断章取义或认识模糊不清，导致了在隧道施工过程中不能很好的理解与贯彻利用围岩、初期支护与二次衬砌三者之间的关系，结果最终导致了二衬开裂，甚至影响隧道工程最终的完成质量。

3.2施工工艺或现场管理不规范，导致工程质量不高施工过程中，如果施工工艺或现场管理未严格按国家的有关规范、规程办理，则会影响最终隧道工程的质量。具体表现在：隧道开挖成型差，欠挖或初期支护侵入衬砌限界，造成衬砌混凝土厚度不足；隧道超挖回填不密实，导致衬砌受力与设计不符；隧道坍方处理不当导致衬砌背后存在脱空现象；背弃新奥法思想，未开展监控量测工作，仅凭经验来确定二衬的施作时间，甚至是在初期支护变形未收敛的情况下施做二衬，或实际施作二衬时间远远落后于设计施作时间，造成二衬设计荷载承受围岩压力；盲目追求施工进度，随意提前脱模时间，拆模时间过早导致衬砌早期强度不足等。

3.3 原材料质量差、配合比设计不合理

施工现场水泥品种选择不当或不同批次的水泥混用，碎石、砂级配较差或含泥量超标等,都会影响水泥与骨料的胶结；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；进行配合比设计时, 错误认为水泥用量越多,混凝土强度越高，则会忽视混凝土品质的影响；混凝土浇筑时不振捣或漏振，则会影响混凝土均质性等。此外，如果在进行掺合料和外加剂的选用的过程中缺乏专业技术人员的指导,则经常达不到预期效果。

4 隧道衬砌裂缝整治处理措施

4.1 进行裂缝发育调整

隧道衬砌裂缝整治前首先对隧道二衬开裂段进行最新裂缝发育调查，对裂缝的范围、大小、深度及所处位置进行测绘、记录，分析裂缝的发展变化规律。若在第三方检测前裂缝已停止发展，则可参照第三方检测报告数据进行裂缝整治；若通过预埋观测标发现存在正加大变长的裂缝或存在可能继续发展迹象的裂缝，应该给予重视，建议对裂缝的范围、大小及深度进行测绘，并对此段的衬砌强度及厚度进行检测，与第三方检测报告进行对比分析，及时采取有效的措施进行补救，阻止裂缝继续发展，恶化。

4.2 处理措施之一

当第三方检测报告检测隧道二次衬砌开裂段的衬砌强度或厚度不符合设计要求时，须采取以下处理措施。

(1)衬砌强度不够时，必须拆除二次衬砌按设计要求重新施作。

(2)衬砌强度达到要求，二衬厚度不足且不在设计允许范围内时，必须拆除二次衬砌按设计要求重新施作。

(3)衬砌强度达到要求，二衬厚度不足但在设计允许范围内时，此段二次衬砌可按补强措施进行处理。

4.3 处理措施之二

当第三方检测报告检测隧道二衬开裂段强度及厚度均达到设计要求时，根据裂缝宽度值的大小分别采取以下措施对隧道开裂段进行补强处理。

4.3.1 较大裂缝

若裂缝宽度≥5 mm，可采用嵌补24 kg/m钢轨，并凿除破损部位后用同等级混凝土补强。钢轨设置应与裂缝垂直，间距采用1.0 m/环，钢筋网格φ16×φ16，间距20 cm。

4.3.2 中等裂缝

若裂缝宽度介于3～5 mm之间，可采用W型钢带+φ42径向钢花管注浆对衬砌结构进行补强。

(1)钢带采用BHW270型钢带(宽270 mm，壁厚2.75 mm)凿槽嵌入，槽宽40 cm，深4 cm；垂直裂缝、沿隧道衬砌内缘表面设置，间距1.0 m。

(2)φ42径向钢花管每根长3 m，沿钢带环向设置，环向间距1.0 m，钢花管尾部通过钢带中部的管孔与钢带加垫板连接。

(3)W型钢带及钢花管施作完成后，凿除破损部位采用二衬同等级混凝土回填。为加强混凝土与钢带间的连接，沿钢带环向及纵向分别设置φ4钢筋N1、N2。N2钢筋与钢带焊接，N2钢筋间距10 cm，N2钢筋与N1钢筋绑扎，N1钢筋间距12 cm。

(4)施工工序及注意事项

施工前首先对裂缝进行灌溉及嵌补。

根据设计间距在衬砌内表面放线，确定铺设钢带的位置。

钢花管注浆加固前应采用临时横撑加固衬砌，以防注浆压力过大将衬砌破坏。

4.3.3 较小裂缝

若裂缝宽度≤3 mm，采用在裂缝周围设置骑缝锚杆，对裂缝进行沿缝注浆。

(1)沿裂缝下边距裂缝0.5 m打一排间距1.0 m、长2.0 m的φ22砂浆锚杆；沿裂缝上边打两排φ22砂浆锚杆，第一排距裂缝0.5 m，锚杆长2.5 m，第二排距裂缝1.5 m，长2.0 m，间距均为1.0 m；三排锚杆呈梅花状布置并超出裂缝长度前后两列，裂缝两端各打一根φ22长2.5 m的锁缝锚杆。

(2)沿裂缝长度方向凿倒梯形槽，槽口宽为5 cm，槽底宽大于槽口宽，槽深8 cm，冲洗干净并风干后，用环氧砂浆嵌缝，要求填充密实。在嵌缝的同时沿裂缝每0.8 m埋设φ10注浆管。注浆管外露5 cm,以便与注浆设备连接。

(3)环氧砂浆的配制：将环氧树脂加热熔化后，按比例加入二丁脂搅拌均匀，冷却后加入乙二胺搅拌均匀，然后倒入已混合均匀的水泥砂子中，再充分搅拌后即可使用。环氧砂浆应随配随用，其施作时间为30～40 min。环氧砂浆的配比为:6101环氧树脂∶二丁脂∶乙二胺∶水泥∶砂子=100∶15∶8∶200∶500。

(4)压水试验：封缝浆液固结后，进行压水试验，以检查封缝、固管强度，疏通裂缝，确定压浆参数。压水试验采用示踪剂，测定水压及进水量，作为注浆的依据。

(5)注浆流程，见图1。

图1 注浆流程

注浆材料为环氧浆液，其配比为6101环氧树脂:二甲苯∶501号稀释剂∶乙二胺=100∶30～40∶20∶10。将环氧树脂加热熔化后，加入二甲苯及501号稀释剂拌匀，加入乙二胺，再搅拌均匀后均可使用；冷却后注浆压力应根据裂缝大小、衬砌质量等综合确定，一般为0.2～0.6 MPa，但一般不超过压水试验压力；结束注浆的标准:当注浆量与预计浆量相差不多，压力较稳定且吸浆量逐渐减小至0.01 L/min时,再压注3～5 min即可结束注浆。注浆中应随时观察压力变化，当压力急剧下降时,应暂停注浆,调整浆液的凝结时间及浆液浓度后继续注浆。

(6)封孔：注浆结束后，用铁丝将注浆管外露部分反转绑扎，待浆液终凝后，割除外露部分，以环氧砂浆将孔口抹平。

(7)施工注意事项

裂缝注浆应待衬砌结构基本稳定和混凝土达到设计强度后进行。

裂缝注浆所选用水泥的细度应符合表1的规定。

表1 裂缝注浆水泥的细度

浅层裂缝注浆应骑槽粘埋注浆嘴，必要时沿缝开凿“V”槽并用水泥砂浆封缝；深层裂缝注浆应骑缝钻孔或斜向钻孔至裂缝深部，孔内埋设注浆管，间距应根据裂缝宽度而定，但每条裂缝至少有一个进浆孔和一个排气孔；注浆嘴及注浆管应设于裂缝的交叉处、较宽处及贯穿处等部位。对封缝的密封效果应进行检查。

衬砌裂缝注浆的施工质量检验数量，应按裂缝条数的10%抽查，每条裂缝为1处，且不得少于3处。

5 隧道衬砌裂缝整治注意要求

(1)采取裂缝整治措施须待裂缝观测稳定后施做，裂缝整治施工完成后应进行定点、定时观测，并详细记录。若有注浆渗漏，应进行补注浆；若检查发现裂缝有发展，应及时提出，以便分析处理。

(2)隧道二衬裂缝处理前首先进行衬砌后充填注浆。在隧道拱顶施作压浆管，纵向间距3～5 m，通过压浆管进行充填压注水泥砂浆，充填衬砌拱部防水板与二衬间的空隙。注浆压力：二衬为混凝土时不大于0.3 MPa，二衬为钢筋混凝土时不大于0.5 MPa。

(3)裂缝处理过程中加强对开裂段及附近衬砌的监控量测。

以上为裂缝产生的原因分析及裂缝处理的措施，具体处理时应根据各工点的具体情况，包括地质情况、施工情况、裂缝发育情况等，综合确定处理方案，首先检查二次衬砌的强度和厚度，再详细绘制裂缝展示图，而后再进行具体的裂缝处理。

[1] 杨书江. 隧道衬砌混凝土裂缝的成因与防治[J].西部探矿工程，2002,(Z1):169-171

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