隧洞衬砌混凝土裂缝的预防及处理
【摘要】隧洞的衬砌混凝土施工过程中混凝土表面出现裂缝，带有一定的普遍性，裂缝的大小、成因各有不同。本文针对混凝土裂缝产生的原因,提出裂缝的预防和处理方法,对提高混凝土衬砌质量有借鉴意义。
【关键词】隧洞施工 衬砌 混凝土裂缝 原因分析 防治
目前公路工程、水利工程、市政工程中存在大量的隧洞、隧道的施工，隧道二次衬砌施工普遍采用整体式钢模台车、泵送混凝土施工工艺，提高了混凝土施工质量，减少了裂缝出现几率。但混凝土施工过程中不可避免的会产生的裂缝，这些裂缝轻微的影响衬砌的外观质量，严重的带来工程隐患。因此控制和减少混凝土裂缝的数量和宽度是工程施工的重中之重。本文对混凝土裂缝产生的原因进行了分析，并提出了预防裂缝产生的措施，但裂缝的产生并不是一种原因造成的，现场需要仔细分析。
1 裂缝的类型
隧洞衬砌混凝土裂缝类型主要有：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。
1.1 干缩裂缝
混凝土在硬化过程中水分逐渐蒸发散失,使水泥石中的凝结胶体干燥收缩产生变形,由于受到围岩和模板的约束,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。干缩裂缝多为表面性的,走向没有规律。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,骨料的大小和级配,外加剂品种和掺量。
1.2 温度裂缝
水泥水化过程中产生大量的热量,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。裂缝宽度冬季较宽,夏季较窄。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。
1.3 荷载变形裂缝
仰拱和边墙基础的虚碴未清理干净,混凝土浇筑后,基底产生不均匀沉降;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都容易产生变形裂缝。荷载变形裂缝在隧洞衬砌混凝土病害中占有的比例逐年增大,已经引起了广大工程技术人员的重视。
1.4 施工缝(接茬缝)
施工过程中由于停电、机械故障等原因迫使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,原有的混凝土基础表面没有进行凿毛处理,或者凿毛后没有用水冲洗干净,也没有铺水泥砂浆垫层,就在原混凝土表面浇筑混凝土,致使新旧混凝土接茬间出现裂缝。
2 裂缝形成的原因分析
a. 隧洞开挖成型质量差,衬砌混凝土厚度严重不均匀;欠挖或初期支护侵入衬砌限界,造成衬砌混凝土厚度不足。个别隧洞衬砌混凝土背后存在脱空现象;
b. 未开展监控量测工作,仅凭经验来确定二次衬砌的施作时间,安全可靠性差,造成二次衬砌超设计荷载承受围岩压力;
c. 混凝土生产时原材料计量误差大,外加剂的掺加随意性大,用水量没有根据砂、石料的实际含水率及时加以调整;
调整施工用水量,造成混凝土水灰比增大。在混凝土运输及泵送过程中加水的现象也比较普遍;
d. 采用整体式钢模板台车施工,混凝土浇筑时不振捣或漏振,混凝土均质性差;
e. 盲目追求施工进度,随意提前脱模时间,使低强度混凝土过量承受荷载,破坏了混凝土结构。脱模后没有进行混凝土的保湿养护;
f. 夏季施工时砂、石料露天堆放,无切实有效的降温措施,混凝土入模温度高。冬期施工时采取的防寒保温措施不力。
3 隧洞混凝土裂缝的预防
施工过程中混凝土裂缝是不可避免的,但也是可以控制的。控制隧洞施工中产生的裂缝,主要从原材料选择、混凝土配合比和施工工艺等方面入手。
3.1 原材料选择
3.1.1 水泥
尽量采用低标号、低水化热的水泥;在不受侵蚀性介质和冻融作用时,宜采用普通硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥,若采用矿渣硅酸盐水泥则必须掺外加剂,以降低泌水率。在施工中可能受冻融作用时,则优先选用普通硅酸盐水泥,不宜采用火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥。
3.1.2 外加剂
外加剂应符合国家或行业标准一等品以上的质量标准,与水泥的相容性好,其使用应不影响结构的强度,并应具有微膨胀、增强、坍落度提高和损失小、收缩小等特点。
3.1.3 骨料
根据泵送管路的内径,尽可能选用粒径较大的碎石。严格控制含泥量不大于1%,吸水率不大于1.5%,针、片状物含量不大于15%,粒径以5～31.5mm为宜,最大不超过40mm。
3.1.4 掺合料
在普通混凝土中掺入活性矿物,如硅粉、磨细矿渣、粉煤灰等,可以改善混凝土中水泥石的胶凝物质组成,改善集料与水泥石的界面结构和界面区性能。这些对增进混凝土的耐久性及强度都有本质性的贡献。
3.2 混凝土配合比
在高性能混凝土中,除掺入高效减水剂外,还掺入了活性矿物材料,它们不但增加了混凝土的致密性,而且也降低或消除了游离氧化钙的含量。在大幅度提高混凝土强度、抗渗等级的同时,也大幅度地提高了混凝土的耐久性。在满足抗渗要求的前提下,尽量减少水泥用量。
3.3 施工工艺
做好施工过程中的降水、排水工作,必须做到围护结构无渗漏水,严禁带明水浇注主体结构混凝土。
避免在炎热的夏季露天浇筑防水混凝土,夏季施工时宜将砂石预冷,例如向砂石堆上喷洒水温低的地下水或将砂石遮盖。而冬季拌合混凝土时,应将拌合水适当加热,使混凝土入模温度保持在5～10℃以上。
混凝土结构内部设置的各种钢筋或绑扎铁丝不得接触模板,固定模板的螺栓必须穿过混凝土结构时应有止水措施。
合理划分施工段长度,适当缩短施工缝间距,分段长度宜控制在12m以内。底板、边墙、顶板施工缝尽可能对齐,必要时采取跳仓施工,也可采用后浇带。
混凝土在运输和泵送过程中严禁加水。适当放慢灌注速度,两侧边墙对称分层灌注,到墙、拱交界处停1h～1.5h,待边墙混凝土下沉稳定后,再灌注拱部混凝土。混凝土灌注过程中必须振捣,提高混凝土的密实度和均质性,减少内部微裂缝和气孔,提高抗裂性。
3.4 混凝土后期养护
普通混凝土一般在浇筑后12h内即开始养护。在气温高于摄氏5℃时一般采用洒水或蓄水养护,即自然养护;如平均气温低于摄氏5℃,不得浇水,养护时间不能少于14d,且蓄水养护更优于洒水养护。混凝土表面不便浇水时,应涂刷保护层,如薄膜养生液等。
4 隧洞衬砌混凝土裂缝的治理
对于隧洞衬砌出现的裂缝,应认真分析原因,并对有害裂缝进行处理,防止裂缝继续发展,影响衬砌结构的稳定。
4.1 细微裂缝
隧洞衬砌混凝土表面常出现一些没有扩展性的细微裂缝,这种裂缝是稳定的,一般可自愈,不会影响结构的使用和耐久性。从美观考虑,可先清洗干净裂缝表面,然后涂刷环氧树脂浆液二至三遍,最后用刮抹料、调色料处理混凝土表面,使其颜色与周围衬砌混凝土颜色一致。
4.2 贯通性裂缝
贯通性裂缝的危害较大,必须采取有效的治理方法。沿裂缝方向凿成宽5cm、深3cm的V形槽,在槽内骑缝每隔0.5m钻一孔,孔深为衬砌厚度的1/2或2/3,一般不少于15cm,并不得穿透衬砌以防跑浆。用清水冲洗干净槽内的杂物及粉尘,在孔内插入￠10的压浆管,利用环氧树脂水泥砂浆嵌固,用灰刀将砂浆压实抹光。待环氧树脂砂浆有一定的强度后,以0.15MPa～0.2MPa压力压入水泥-水玻璃浆液或环氧树脂浆液。压浆结束后在0.2MPa压力下压水检查压浆效果。
4.3 密集裂缝
衬砌背后有空洞或衬砌厚度不足引起的密集裂缝,必须进行防水和地层加固处理。沿裂缝两侧每隔1.2m～1.5m交错布点,凿成10cm×10cm大小深5cm的方槽,用风动凿岩机钻孔,孔深3m,安装WDT25中空注浆锚杆,注入水泥砂浆,灰砂比1:(3～5),水灰比1:1,施工时由下往上逐级注浆,注浆压力以0.4MPa～0.6MPa为宜。注浆结束后,另凿新孔在0.6MPa～1.0MPa压力下压入纯水泥浆检查注浆效果,当达到规定压力而砂浆压不进时,即认为已经注满。注浆24h后安装锚杆垫板,用环氧树脂砂浆抹平方槽,表面用刮抹料和调色料处理。
5 结论
隧洞混凝土衬砌产生裂缝是不可避免的,但其有害程度是可以有效控制的,裂缝的控制与防治应从设计与施工两方面进行。只有在实践中,不断总结经验,用科学系统的方法研究混凝土工程裂缝特性,寻求有效控制混凝土裂缝的最优方法,根据其不同特点采用相应的治理措施,可使裂缝对构件或结构的危害降到最小。
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