铁路隧道衬砌混凝土裂缝成因与防治

铁路隧道衬砌混凝土裂缝成因与防治

刘闽闽

刘闽闽中交一公局海威工程建设有限公司

摘要：在社会经济日益发展的今天，交通运输越来越发挥着举足轻重的作用，它是国家经济快速发展的重要标志，而隧道作为交通线上的重要建筑物，尤其在山区线路或长大交通干线上，隧道避免了线路的绕行，大大地缩短了线路的总长度，在有些地区比明线行车更安全和快速。本文从铁路隧道衬砌混凝土施工的特点出发，对隧道内经常出现的裂缝进行原因分析与探讨，并提出相应的预防措施及处理办法。

关键词：混凝土裂缝防治

1引言

铁路隧道衬砌在施工中或施工后会因各种原因产生一系列裂缝，对这些裂缝若不进行控制或及时防治，会在以后运营中发生渗水、腐蚀、掉块等病害，增加运营支出，还会影响隧道衬砌结构的耐久性，大大缩短整个隧道结构物的使用寿命，给铁路运输生产造成不必要的经济损失。本文通过对大理至丽江铁路隧道衬砌混凝土施工裂缝成因分析，有针对性提出了几点比较切合际的防治办法。

2常见的隧道衬砌裂缝类型

衬砌裂缝主要有衬砌变形、衬砌移动和衬砌开裂三种类型。

2.1衬砌变形

衬砌变形有横向变形和纵向变形两种。其中横向变形是主要变形，是指衬砌受围岩应力的作用引起拱轴形状的改变，其结果是造成衬砌开裂，严重的可导致部分衬砌侵入限界，甚至引起隧道坍塌。

2.2衬砌移动

衬砌移动是指衬砌的整体或其中一部分出现转动（倾斜）、平移、上抬（或下沉）等变化。

2.3衬砌开裂

衬砌开裂是指衬砌表面出现裂缝。包括张裂、压溃、错台三种形态。

根据既有病害隧道衬砌裂损情况统计，大多为衬砌开裂，即衬砌裂缝。常见的隧道裂缝有单缝、双缝、环形缝、X形缝、树枝斜缝、龟裂等等。按裂缝走向及其与隧道纵向的相互关系，大致可分为纵向裂缝、环向裂缝、斜向裂缝三种。

纵向裂缝平行于隧道轴线，其危害最大。其发展可引起隧道掉拱，边墙断裂甚至整个隧道的塌方。其分布有如下特点：拱腰比拱顶多，双线隧道多在拱腰，单线隧道主要产生在边墙部位。

环向裂缝主要由纵向不均匀荷载、围岩地质变化、沉降缝等处理不当所引起的沉降所造成。其分布特点如下：多发生在洞口或不良地质地带以及不同围岩段的交接处。且约占裂缝总长的30％—40％。

斜向裂缝一般和隧道纵轴呈45°左右，常因混凝土的环向应力和纵向受力组合而成的拉应力所造成。危害性仅次于纵向裂缝，多发生在拱腰中部，是最常见的裂缝。

3隧道裂缝成因分析及预防

3．1受力条件不利的影响

隧道衬砌开裂的因素很多，从受力的角度分析，一般有以下几种原因：

3.1.1隧道的不均匀沉降

由于隧道纵向穿过不同力学性质的岩层，地基承载力差异较大；由于衬砌背后回填不对称，以及不同断面的衬砌抗不均匀性变形能力的差异性等原因，都可能导致隧道纵向的不均匀沉降，引起纵向弯矩，产生裂缝，这种由隧道的不均匀沉降而产生的隧道应力，与隧道的弹性模量成正比，即弹性模量越大，由相同的不均匀沉降所引起的隧道内力越大，也越容易引起隧道衬砌的开裂。

对此类裂缝防治措施为：1）松软的围岩基础应在边基施工时进行加强处理，如扩大基础，配筋等，边墙基础灌注之前应清理干净基底稀泥、虚渣；2）保证模板有足够的强度和刚度，支撑牢固，并使地基受力均匀；模板台车轨道下的道碴应整平夯实，建议有条件时应隧道铺底超前；3）防止混凝土浇灌过程中地基被水浸泡。

3.1.2围岩失稳

该种裂缝较易出现在洞口及浅埋段。由于设计二次衬砌混凝土的结构是按照全断面进行受力计算的。而实际施工是一个相对间隔分步的过程。特别是地质不良地段，施工单位应对可能出现的不利因素，如遇暴雨、山体滑坡失稳等的临时措施及结构的临时支护措施及早制定。必要时提早申请变更，否则一旦二次衬砌混凝土开裂、错位，处理起来相当困难，在工程实践中这样的事例屡见不鲜。

另外裂缝较易出现在塌方空洞及衬砌空洞处。在塌方空穴处理时一般采用拱上套拱，填背柴、填浆砌片石，预留注浆孔的办法，这些方法都要求洞穴内回填稳定，支撑牢固，出水点引排水通畅，并确保注浆时水路不被堵塞，二次衬砌混凝土施工后要及时注浆回填密实是确保塌穴不再失稳造成破坏二次衬砌混凝土的关键。不应等到全部二次衬砌完成后再进行这项工作。至于超挖造成的二次衬砌背后的较大空洞，也应注浆回填，不宜久拖，近年来，运营隧道出现坍塌主要是该类空洞没有回填日久造成围岩失稳所致。

3.1.3混凝土强度不够

混凝土强度还未达到要求，就去掉支撑或拆模板，使衬砌混凝土过早受力，造成衬砌开裂。另外在模板台车脱模时，由于模板台车使用时间长，前后端总会有一定的变形，脱模时台车拱部被卡，操作人员为了使台车拱部松动，从而油缸上下来回顶降，由于泵送混凝土时，拱部前端处难以在本组混凝土填满，而脱模时混凝土强度也只有2.5～3.5MPa，因此较易在空洞区形成顶升裂缝。

此类裂缝主要是人为操作原因。施工中应严格遵守施工规范和作业标准，不要为抢进度早拆模；模板台车的液压系统方向应明确标出，电机接线应相对固定，并每次应进行核实，拱部混凝土有空洞时，严禁向上顶升。

3.1.4注浆回填压力过大

该种情况分掌子面注浆和衬砌背后回填注浆两种，前种情况较为少见，掌子面进行封赌注浆时，应对注浆压力和注浆量进行动态管理，时刻了解有无在二次衬砌混凝土处溢浆。如发生则改变注浆方式，如采用间歇式注浆，从减少浆液不必要的远处扩散。二次衬砌混凝土背后注浆回填空隙、注浆堵水、处理裂缝等是注浆中较易出现裂缝的主要原因。

控制注浆压力，设置排气管是防范产生裂缝的主要办法。计算表明，单线铁路隧道衬砌45cm厚，只能承受0.35MPa的周边均布荷载，双线隧道二次衬砌钢筋混凝土厚度达80cm也才能承受1MPa的均布荷载，由此可见，设置排气管和控制注浆压力的重要性。

3．2混凝土收缩的影响

由于混凝土收缩产生的衬砌裂缝可分为塑性收缩裂缝、沉降收缩裂缝和干燥收缩裂缝三种。该类裂缝在隧道施工过程中较为常见，但由于各种裂缝产生的原因不同，因此产生的时间及部位也不尽一样。

3.2.1塑性收缩裂缝在隧道施工中较常出现在洞口几组衬砌，特别是中短隧道开挖贯通后，靠近洞门处的衬砌由于空气对流速度大，空气干燥，阳光直射，较易形成此类裂缝。一般在干热或刮风天气易于出现，裂缝多为中间宽、两端细且长短不一，互不连贯。裂缝产生原因是由于混凝土在塑性状态时，刚开始终凝，而由于天气炎热，阳光直射，刮大风，使混凝土表面水分蒸发过快，混凝土表面产生急剧的体积收缩，此时混凝土尚未有强度，从而致使混凝土表面出现龟裂。

为控制塑性收缩的产生，可采取以下防治措施：1）严格控制混凝土配合比、水灰比和砂率，宜掺加高效减水剂来增加混凝土的坍落度与和易性；2）在混凝土中加入聚合物微纤维可有效达到预防塑性收缩和缓和裂缝的目的；3）混凝土脱模后要有专人进行喷水养护，脱模前模板变热即需洒水降温，如遇风季，需设置挡风设施。

3.2.2沉降收缩裂缝一般多沿主筋通长方向，在混凝土表面出现，常在浇灌后发生，硬化后停止。裂缝产生原因是混凝土浇捣后，骨料颗粒沉落，水泥浆上浮，受到钢筋或埋设件或大骨料的阻挡，而使混凝土互相分离。另外混凝土本身组成材料沉落不均匀也会造成开裂。

其防治措施为：1）可采用稠度适当的低流动性混凝土；2）加强混凝土振捣，不能漏振；3）初凝前两次振捣和两次抹压混凝土表面。

3.2.3干燥收缩裂缝多在混凝土养护一段时间后才出现，为表面性的较浅较细裂缝，多沿短方向分布。裂缝产生的原因主要是混凝土养护不周，受风吹日晒，表面水分散失太快，而混凝土内部湿度变化小，表面干缩变形受到混凝土内部的约束，而产生较大拉应力后产生裂缝。该裂缝与塑性收缩裂缝主要区分在出现的时间上，该裂缝出现的相对较晚。

防治措施如下：1）严格控制混凝土配合比，提高混凝土抗裂度；2）加强混凝土结构的早期养护或覆盖，适当延长养护时间；3）采取密封保水养护措施；4）洞口如果为素混凝土，建议人为增加收缩缝；5）发现混凝土有微小裂缝，应马上洒水养护。

3．3温度裂缝

3.3.1环境温度的影响

在隧道中，衬砌混凝土存在干缩与热胀冷缩，而且由于衬砌外侧围岩阻碍了衬砌的自由胀缩，所以在衬砌混凝土内部产生温度应力。这种温度应力的大小与衬砌混凝土的弹性模量、升降温度、围岩对隧道壁的阻力及隧道长度有关，并随着这些因素的增大而增大。而混凝土的抗拉性能较抗压性能差很多，所以往往能承受升温时产生的巨大压应力，而不能承受降温时产生的较大的拉应力。一旦衬砌内部的拉应力超过隧道衬砌混凝土的抗拉强度时，隧道衬砌将发生开裂。这种开裂的发生首先是从隧道的中部开始的。

控制这种温度裂缝主要是：1）控制混凝土内外温差，表面与外界温差，防止混凝土表面急剧冷却可采用混凝土表面保温措施。一般洞口二次衬砌混凝土应尽量避免在冬季施工，如果确实有必要进行冬季洞口段二次衬砌混凝土施工，混凝土搅拌时可加入防冻剂，并对洞口设置保暖设施；2）加强混凝土养护，严格控制混凝土表面与外界温差。

3.3.2水化热的影响

由于混凝土体积过大，混凝土绝热温度与浇灌温度之差超过一定数值以上而引起的。对大体积混凝土，混凝土在硬化期间放出大量水化热，内部温度上升很快，又不能从表面及时散出而造成内外很大的温差，在混凝土表面引起拉应力。而后期均匀降温冷却时，受到基岩或老混凝土垫层约束，又会在混凝土内部出现拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土产生温度裂缝。这种裂缝多发生在施工后2～3个月或更长时间，多在结构中部出现。裂缝为较深或贯穿性的，破坏结构的整体性。铁路隧道衬砌厚度一般在50cm以上时，就要考虑水化热对混凝土衬的影响。

控制此类温度裂缝的措施：1）主要从采取控制混凝土浇灌温度、温升、减少温差，改进施工操作工艺，改善结构约束条件等方面入手来削减温度应力；2）采用低热水泥；3）改善骨料级配，如大体积基础混凝土可掺加15％块石；混凝土中添加粉煤灰或高效减水剂等减少水泥用量，减少水化热；4）拌和水掺冰屑降低水温度，对砂石骨料喷凉水冷却，降低混凝土的浇灌温度；5）合理安排施工工序进行薄层浇捣，均匀上升，以利散热；6）应适当配置构造钢筋，减少混凝土温度应力；7）加强混凝土养护，适当延长养护时间，使混凝土表面缓慢冷却。

3．4其他原因造成的裂缝

3.4.1基础悬空造成的裂缝

基础悬空主要是由于二次衬砌混凝土分步施工时，单侧悬空距离过长造成的。在先拱后墙施工时要求交叉接边墙，在进行仰拱施工时也必须坚持以上原则。另外隧道施工中，二次衬砌混凝土要全断面一次成型，有些业主已明确规定严禁先拱后墙法施工。仰拱及铺底必须超前二次衬砌混凝土施工。

3.4.2混凝土厚度不够形成的裂缝

这里专指由于施工原因造成的厚度不够。工程投标时设计允许超挖回填都不再单独计列，而作为综合单价而被一带而过。目前如何控制超欠挖是各个施工单位都较为重视的，也想出了一些对策，如改善光面爆破的效果、测量放线时减免预留沉落量、予减液压凿岩台车开挖的过多超挖、二次衬砌混凝土施工时充分利用规范上允许施工单位将设计净空扩大5cm的要求等。这些措施的采取，都会有意无意地造成二次衬砌混凝土厚度的减薄，从而引起严重的后果。特别是软弱围岩施工地段，灌注之前一定要对混凝土的实际厚度进行检查，施工单位要引起足够的重视。弱围岩施工地段厚度不够是二次衬砌混凝土出现裂缝的主要原因。

3.4.3混凝土受到意外伤害造成的裂缝

隧道在施工期间可能遇到的伤害主要为模板台车顶撞造成，主要原因有以下几种，模板台车收缩量较小、隧道曲线半径较小而台车较长、台车轨道底部的道碴铺垫不平顺。这些都应该在施工初期研究方案时彻底解决。

3.4.4洞口裂缝

洞门混凝土施工中，有时过多的抹压触动，使表面形成含水量大的砂浆层或施工中撒干水泥抹压，也常使表面出现龟裂。对表面应避免过分压抹，过稀可撒水泥和砂抹压，严禁撒干水泥压抹。洞口范围内，由于洞口温差较大，热胀冷缩，常常造成二次衬砌混凝土组与组之间的工作缝较大，有时甚至将工作缝处混凝土挤裂或掉块，只需要稍加修整即可，另外混凝土灌注后有水化热由低到高再到低的过程，因此混凝土组与组之间也会有环向的缝隙，由于有防水层及止水带，因此此缝不足为奇。

4隧道衬砌裂缝的处理方法

4．1掺加纤维是控制混凝土裂缝的一种有效方法。在混凝土拌制时加入短纤维（合成纤维或钢纤维）搅拌均匀，按常规方法浇筑成型。由于纤维的存在，可减少混凝土早期坍落收缩；提高混凝土的抗拉强度，减少早期微裂缝的开展；减少混凝土干缩；增加混凝土的密实性，保护结构钢筋，延缓混凝土碳化速度等。

4．2对于表层性裂缝，不影响结构使用的，可待裂缝停止发展后用装饰性沙浆进行找平抹面，也可用添缝剂进行填缝。

4．3对于深入贯通性裂缝，应对裂缝进行发展观测，如围岩较好地段，裂缝属稳定性裂缝，可以免于处理，在表层沿缝隙凿出整齐的沟槽，再用沙浆进行填槽处理。

4．4对于在软弱及其他不良地质地段的裂缝，经过不良时期检验，如雨季等仍然为稳定的，仍需要对裂缝进行分段打孔注浆，视必要采用暗锚杆进行混凝土连接。裂缝处于发展状态的，一般都需进行返工处理，对于处于发展、但裂缝发展趋于收敛的，也要认真对待，因为一旦进入运营状态，重载高速列车及其他荷载的作用都是不容忽视的。

4．5对于在软弱及其他不良地质地段、裂缝位于拱腰，纵向连通，或位于拱顶纵向连通，证明拱结构已经遭到彻底破坏，除返工外，还要考虑到结构应该予以加强。相比之下，环向裂缝是可以通过裂缝处理得到解决的。

5结束语

裂缝是隧道混凝土衬砌施工过程中常见的一种现象，它的出现不仅会降低隧道的抗渗能力，影响隧道的使用，而且会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影响隧道的承载能力。所以，必须对混凝土裂缝进行深入细致的调查研究，区别对待，在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展，以保证隧道工程的安全、稳定、经久、耐用。

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