浅析隧道衬砌混凝土裂缝的原因及其防治

何智钢，谭 超

（浙江省交通工程建设集团有限公司市政分公司，浙江杭州 310051）

0 引言

社会经济的快速发展，加快了基础建设的步伐，全国公路里程数也越来越大，山陵地区新建公路越来越多，隧道工程所占比例也随之增大。由于隧道工程中往往采用二次衬砌、整体式钢模板台车，以及泵送混凝土等施工工艺，导致混凝土在硬化的过程中，极有可能出现衬砌混凝土产生裂缝的现象。一方面对隧道工程的美观产生较大的影响，另一方面给工程质量留下安全隐患。因此在具体的施工过程中，要采取合理有效的措施，避免在隧道工程中出现衬砌混凝土裂缝。本文对隧道衬砌混凝土裂缝的原因进行分析，并提出几条防治措施，不足之处，敬请指正。

1 工程概况

某隧道工程位置位于浙江省杭州市余杭区富阳市之间，属低山丘陵地貌，地势起伏较大。路线区域属亚热带季风气候，雨量丰沛，温暖湿润，四季分明。区内山体植被发育，地层地质主要为粉质粘土、灰黑色泥质灰岩、砂岩组成，浅层岩石风化较强烈，稳定性较差,为余杭闲祝公路工程的重点控制性工程。工程为分离式隧道（右线长1865 m，左线长1892 m），隧道于2010年7月开工，2012年9月30日建成通车。通过一年来的运营质量回访，项目在裂缝控制方面取得较好成效，现就隧道衬砌混凝土裂缝的控制做一浅要分析。

2 裂缝类型以及产生的原因

2.1 裂缝的类型

隧道衬砌混凝土裂缝的主要类型有以下几种：干缩裂缝、外荷载变形裂缝、沉降裂缝、温度裂缝及接茬裂缝等。

2.1.1 干缩裂缝

衬砌混凝土在硬化的过程中会逐渐丧失其水分，而导致水泥石中的凝胶结体逐渐收缩产生变形，围岩和模板对其进行约束，产生变形和应力，如果应力值超过混凝土的抗拉强度，就会出现干缩裂缝。干缩裂缝容易进行分辨，多为表面性裂缝，走向无明显规律。影响干缩裂缝的主要原因有：水泥品质不佳、用量多少及水灰比的大小，骨料的大小及其配比情况，还有外加剂的品质和掺量，都有可能导致干缩裂缝的产生。

2.1.2 外部荷载变形裂缝

仰拱和边墙为基础的虚渣没有得到及时清理而导致混凝土在浇筑完毕后，基底产生沉降现象，而且不均匀，模板台车以及堵头板等没有进行固定，使其过早脱模，或者是在脱模时受到较大的外部载荷作用，导致其产生变形裂缝。外部荷载变形裂缝在隧道衬砌混凝土的施工过程中所占比例极大，对隧道工程的施工质量有着较大的影响，因此工程技术人员要对外荷载变形裂缝产生足够的重视。

2.1.3 沉降裂缝

沉降裂缝产生的可能性有三种情况。第一种是在隧道外围土质不均匀，或者其地基较为松软，场地没有得到及时清理，或者清理得不干净，而导致不均匀沉降，而出现沉降裂缝；第二种是混凝土浇筑时，混凝土振捣不密实，或者坍落度不符合规范，从而导致泌水硬化，钢筋阻碍了骨料的沉降，而产生沉降裂缝；第三种是由于模板的强度太小，不能满足模板支撑间距而导致底部产生松动，从而导致沉降裂缝。沉降裂缝的走向一般是和地面呈现30°或者90°的方向，沉降量越大，其宽度也越大，沉降裂缝和温度无关。

2.1.4 温度裂缝

水泥水化的过程中会产生较大的热量，热量在混凝土内部和表面之间形成温度差，而产生温度应力，如果温度应力超过外部约束力，则会产生温度裂缝。温度裂缝的宽度随着季节而产生变化，温度裂缝的产生也和衬砌混凝土的厚度，以及水泥的用量、品质等有很大的关系。

2.1.5 接茬裂缝

在隧道工程施工过程中，由于外部原因，比如停电、机械故障等，导致混凝土浇筑中断，中断时间过长，甚至超过了初凝时间，而继续进行浇筑时由于原来的混凝土表面没有做过凿毛处理，或者没有用水进行冲刷干净，导致原混凝土、新混凝土接茬间出现接茬裂缝。

2.2 裂缝产生的原因分析

2.2.1 选用的材料

隧道工程衬砌混凝土在选用材料方面也是极其重要的，材料的品质、用量等都有可能导致裂缝的产生。材料选择的恰当与否可以用以下几个原则进行衡量：首先，材料质量较差、批次不同的材料进行混用，或者水泥品质选择得不恰当、不合适，这是不可取的；其次，砂石级配比不恰当，含泥量较大，或者含粉量较大，水泥和骨料的胶结差等，都是导致衬砌混凝土裂缝产生的主要原因；再次，配合比设计得不合理，水泥用量超出设计规范，工程设计人员忽略了水泥用量加大对混凝土产生的影响；最后，外加剂、掺合料等选择得不恰当，有些工程人员对外加剂的认识不足，选用的材料难以达到预期效果等。

2.2.2 不利的受力条件

不同的受力条件会导致不同种类的衬砌混凝土裂缝。其产生原因也有所区别，主要体现在以下几个方面：

首先，地基不均匀沉降。由于隧道工程衬砌混凝土要经过不同的岩层，每一层的地基承载力有所区别，受力不同，断面的衬砌混凝土抗变形能力也相差不小，或者是衬砌混凝土回填不对称，隧道工程纵线产生不均匀沉降。以上沉降都会产生纵线弯矩，致使隧道产生变形应力。

其次，混凝土的强度问题。混凝土在进行浇筑时，也是施工的需要，在衬砌混凝土的强度没有到达极限时进行支撑、模板等的拆除，这些措施极有可能导致在混凝土强度没有达到设计要求前，甚至是无法承受较大的力，而导致衬砌混凝土裂缝的出现，或者是在拆模的时候，使用模板台车的时间过长，导致混凝土孔洞形成顶升裂缝。

最后，混凝土注浆压力太大。衬砌混凝土在进行注浆时，压力过大会导致裂缝产生。注浆的方式主要有两种，掌子面注浆和背后回填注浆，前者进行的过程中要对注浆的压力变化和注浆量的多少进行时刻观察，以防二次衬砌混凝土时出现溢浆的现象。如果溢浆情况出现，则要适当改变注浆方式，从而避免产生浆液扩散。注浆压力过大产生裂缝的原因是二次衬砌混凝土时背后注浆回填空隙和处理裂缝，要对注浆压力进行控制，尽量采用排气管，避免裂缝的产生。

2.2.3 施工工艺不规范

数据统计显示，混凝土裂缝产生的原因中施工工艺不规范所占比例较大，约为80%，由此可见施工工艺或者操作不规范对于隧道工程施工质量的影响是非常大的。主要体现在以下几个方面：首先，隧道工程开挖的过程中成型较差，超欠挖造成衬砌混凝土厚度不均匀，甚至是出现衬砌混凝土背后脱空的情况；其次，二次衬砌混凝土施工之前没有做好监测工作，使得施工安全系数降低，导致二次衬砌混凝土无法承受设计载荷；最后，衬砌混凝土所用原材料的计算的不准确，以及外加剂的用量等无法准确定量，使得实际的砂石材料含水量用来调整浇筑混凝土的用水量，导致混凝土水灰比不符合设计规范，泵送混凝土过程中出现随意加水的现象也有可能导致混凝土裂缝。

2.2.4 设计不当

综合某些原因，导致勘察设计单位在进行实际的设计之前无法深入考察施工现场，甚至是对隧道周围的围岩判别，以及支护结构等的设计，没有一定的专业依据，导致设计工作无法做到专业细致，甚至是带有一定的盲目性。甚至个别建设单位的管理水平太低，缺乏专业的人才，或者设计方案的多变性等，综上由于设计不当的原因，都有可能导致衬砌混凝土裂缝的产生。

3 防治混凝土裂缝的措施

衬砌混凝土裂缝产生以后，首先经过建设单位组织设计、监理、施工单位对裂缝情况进行检查，指定破检位置，并进行监督，钻孔取样，以确定裂缝类型，并针对不同类型的裂缝采取不同的防治措施。具体有以下几个方面。

3.1 从设计方面着手，提高设计精度，加强项目管理

隧道工程施工之前做好工程前期的地质勘查工作，为设计单位按照设计规范，提供出一份详细的工程地质、水文地质等的勘查资料，并对工程所处地区常年的温度、气候，以及温差变化等做详细了解，提高设计的精度和质量，加强工程项目的管理，进行规范化管理。

3.2 对施工原材料质量及技术标准进行严格控制

（1）水泥：隧道工程衬砌混凝土多用普通硅酸盐水泥，但是应该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，不能混合使用。

（2）碎石：符合泵送管路的内径要求，尽量选择较大粒径的碎石，对含泥量进行严格控制，不要超过1%，针、片状物的含量不要超过15%，粒径不要小于5 mm，不要超过40 mm。

（3）砂：砂的选择原则是最好采用级配良好的中砂，对含泥量进行严格控制，最好不要超过3%，砂率的选取要综合考虑混凝土运输、泵送，以及浇筑等，不要低于35%，不要超过40%。

（4）水：水的选择较为单一，可以选用饮用水，水灰比的大小也很重要，比例越大，混凝土的干燥收缩比越大，要对泵送混凝土的用水量进行严格控制，这是减少衬砌混凝土裂缝的重要措施。隧道工程施工中水灰比约为0.5，混凝土入泵坍落度约为12 cm。

（5）掺合料：选择粉煤灰和膨胀剂的双掺技术，以代替水泥用量。强度等级低于C25的混凝土，可以采用粉煤灰掺量来代替水泥，粉煤灰掺量仅仅为水泥用量的的15%，膨胀剂掺量为水泥用量的10%。

（6）外加剂：选择高效减水剂，降低水灰比，减少温度裂缝，施工时合理选取外加剂的品质和掺量。

3.3 对混凝土的施工工艺进行严格控制

首先，要提高钻眼技术水平，对超欠挖现象进行严格控制；其次，对二次衬砌时间进行严格控制，混凝土拌合中要注意配料单计量，以及混凝土入模温度；再次，混凝土灌注中要严禁泵送、运输过程中加水，注意灌注速度不要太快；最后，注意混凝土的脱模和养护。

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