公路隧道衬砌混凝土裂缝的原因与治理方法

【关键词】公路隧道；衬砌裂缝；产生原因；治理方法 

　　 1.隧道衬砌裂缝产生的原因 

　　隧道衬砌裂缝的因素很多，主要有四方面的原因：一是材料的影响；二是受温度、环境等因素的影响；三是受力条件的不利因素；四是施工方面的影响。 

　　1.1材料因素 

　　(1)水泥混凝土自收缩：混凝土收缩性能引起地下结构渗水，混凝土的收缩分为自收缩和干缩。混凝土的自收缩即在恒温绝湿的条件下(不与外界进行水分交换)由胶凝材料的水化作用引起自身体积收缩；混凝土干缩指的是混凝土停止养护后，失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩，所以减少或延缓混凝土干燥对预防混凝土开裂尤为重要。 

　　(2)钢筋配筋率：有关资料表明配筋率增加，收缩变形减小，有利于减小衬砌的裂缝。 

　　(3)骨料：在隧道衬砌中，一些骨料配制的衬砌混凝土收缩变形较大，衬砌容易产生裂缝，如砂岩；一些骨料配制的衬砌混凝土收缩变形较小，衬砌不易产生裂缝，如石灰岩。所以在施工过程中一定要注意骨料方面的影响，选用石灰岩的骨料比较理想，衬砌不容易产生裂缝。 

　　(4)外加剂：在隧道衬砌配制的混凝土中添加一些外加剂对衬砌裂缝有一定的影响。如果在混凝土中添加适当的泵送剂、减水剂等这些都有能够减少混凝土的收缩变形，有利于减少衬砌的裂缝；但是如果外加剂过量，则起反作用，会增加其收缩变形，从而增加衬砌的裂缝；如果掺加缓凝剂和用氯化钙做催凝剂会增加衬砌混凝土的收缩变形，则衬砌容易产生裂缝。 

　　1.2温度、环境的因素 

　　温度对隧道衬砌的影响主要由环境温度、环境湿度和混凝土内水泥水化热引起温度三方面决定。环境温度降低的越多，温度收缩变形就越大，越容易出现裂缝。洞口段的隧道衬砌影响最大，最易出现裂缝；冬季时混凝土冷收缩达到最大，再加上其他不利因素则可能造成短隧道和中长隧道的洞口衬砌的开裂。使用环境湿度较小，隧道衬砌混凝土收缩变形越大，衬砌越容易产生裂缝。随着大流动性泵送混凝土在隧道及地铁结构中广泛应用，以及混凝土强度等级的提高，普遍认为“强度等级越高安全度越大，就高不就低”的原则，导致了混凝土中水泥用量增加，使水化热提高，散热集中。 

　　1.3受力方面 

　　从受力方面考虑隧道衬砌的开裂有多种原因，主要表现以下几个方面： 

　　(1)光面爆破不完善，局部欠挖，衬砌厚度不均匀，导致局部断面应力过大。 

　　(2)隧道偏压，受力不均匀，造成局部开裂。 

　　(3)混凝土强度还未形成，就去掉支撑或拆模板，使衬砌混凝土过早受力，从而造成衬砌开裂。 

　　(4)隧道仰拱地基和拱圈不均匀的沉降，以及当地的围岩与设计所依据的围岩类型不相符，以致造成衬砌断面与所需的受力不相符。 

　　1.4施工方面 

　　在施工方面对衬砌裂缝的因素有多种，主要概况以下几点： 

　　(1)隧道拱部开裂，特别是施工时就出现的拱部裂纹，主要原因之一就是施工采用先拱后墙的施工方法，拱部完工后在拉中槽开挖马口时放炮对拱圈混凝土的影响和拱脚杀尖缝不饱满导致拱圈下沉。 

　　(2)施工过程中支护不及时或根本不作施工支护，容易导致围岩条件恶化而导致衬砌裂缝的产生。 

　　(3)边墙基础底虚渣未清除干净就灌注边墙混凝土，破碎泥岩遇水软化导致边墙承载力不足，边墙下沉将边墙混凝土拉裂。这是隧道边墙出现纵向水平裂纹的主要原因。 

　　 2.二衬裂缝治理方法 

　　综合国内外已有研究成果和经验，针对不同类型衬砌裂缝，以下对隧道衬砌裂缝的不同的加固方法适应性进行总结分析。 

　　2.1普通加固方法 

　　(1)直接涂抹：裂缝宽度在0.2～0.5mm之间，无明显的剪切滑移、渗水迹象。 

　　(2)注浆：裂缝宽度在0.2～0.5mm之间，无明显错动迹象；有渗水现象；衬砌背后空调及地层压力注浆等。 

　　(3)锚固注浆：裂缝有明显的剪切滑移或明显的错动迹象；围岩为II-III级，裂缝宽度在1.0～5.0mm，且密度较小的混凝土裂缝。 

　　(4)凿槽嵌补：裂缝宽度在0.5～1.5mm之间、且无明显的剪切错动渗水迹象。 

　　2.2衬砌裂缝治理其它技术 

　　(1)粘钢加固:粘钢加固技术是用钢板代替钢筋，用高强结构胶把钢板牢固粘接在衬砌表面，提高衬砌的承载力。在粘钢加固前，必须进行加固设计，并绘制设计详图。混凝土实际强度等级不小于C15时，可用此法。 

　　(2)碳纤维布补强:碳纤维布适用于曲面和不规则形状的结构物;重量轻、密度小，施工便捷，有极强的耐久性，碳纤维材料充分利用。碳纤维材料可提高衬砌结构强度和结构承载力，已在日本著名的Yoshino隧道为代表的大型土木工程结构加固中应用，且不影响隧道净空，有良好的防水效果。因此对渗漏水隧道的治理，碳纤维材料具有广阔的应用前景。 

　　 3.工程实例 

　　(1)工程概况:国内某高速公路隧道建成后，2008年6月下旬出现以下病害:该隧道左右墙角均出现纵向和环向裂缝，裂缝宽度大多在1～3mm之间，个别裂缝宽度约5mm，仰拱局部最大隆起达12cm，渗水中含有泥沙等物质。据该隧道施工的变更会议纪要，病害段处于不良地质段，拱顶有2道溶沟槽，溶槽部分充填红黏土，沟槽内裂隙水发育，呈涌水柱状，溶槽宽度最大55cm，最窄处20cm，围岩稳定性差。该隧道病害区段衬砌按照S4支护，40cm厚C25素混凝土，仰拱设计采用C25素混凝土。 

　　(2)成因分析:结合现场钻孔伴有涌水、涌砂现象，分析认为该隧道仰拱隆起与衬砌边墙开裂产生的原因:2008年6月中上旬该隧址区连降暴雨，地表水和地下水通过溶洞溶槽及白云质灰岩与钙质页岩层面渗入到隧道周边，由于围岩较差及岩溶填充物流出导致排水管堵塞，在隧道周边、仰拱下部形成一定的水压力;同时该隧道衬砌设计是不考虑水压作用的，仰拱采取素混凝土，仰拱中无型钢、也无钢筋。水压力作用下打破隧道原有的平衡状态引起隧道从拱部到边墙的水平裂缝及环状开裂;基底在水压的浸泡下软弱，造成仰拱强度不足，产生不均匀沉降，进而仰拱隆起。 

　　(3)治理方案:基于该隧道病害，本着“综合治理、一次到位、不留后患”和“安全可靠、易于操作、节约投资”的治理原则，合理确定总体处治方案，即“仰拱底部注浆加固、边墙增设泄水孔排水、二次衬砌增设型钢钢架补强、裂缝凿槽埋管封堵注浆”。 

　　该隧道病害处治理具体要点如下:①针对渗漏水的裂缝，采用凿槽嵌补，沿裂缝凿出宽4cm，深5cm的沟槽并埋设注浆管，采用强度高、水溶性和粘结性好的注浆材料进行注浆。注浆过程中要始终注意观察注浆压力和输浆管的变化，当泵压骤增、注浆量减少，多为管路堵塞;当泵压升不上去，进浆量较大时，应检查浆液粘度和凝固时间。注浆过程中出现跑浆、冒浆，应停止注浆，重做封闭工作;②在该隧道病害严重段，两边墙锁脚锚管采用φ50×6mm钢花管，长度5m，水平向间距1.5m，注浆材料采用纯水泥浆。③对裂缝病害严重区段的二次衬砌增设型钢钢架补强，在仰拱施工的同时，已施工仰拱回填强度达到设计强度70%后，可施工对应桩号处的边墙及拱部钢架。型钢沟槽深度25cm左右，槽底宽20cm，槽口宽30cm，槽面凿毛，以利槽内喷射C25纤维微膨胀混凝土，确保喷射混凝土密实。 

　　 4.结语 

　　随着隧道工程在交通运输工程中所占比例的增加，隧道衬砌裂缝的问题也会越来越多的受到广大工程技术人员的重视。随着科学技术的发展和各种新型材料在施工中的广泛应用，隧道病害整治应采取治标与治本并重的原则，特别是克服隧道衬砌裂缝这种常见病害至关重要，以避免造成不必要的重大事故发生。 

　　【参考文献】 

　　［1］刘学增，俞文生.隧道稳定性评价及塌方预警［M］.上海:同济大学出版社，2010.