衢寧鐵路松陽隧道二襯混凝土裂縫原因分析及整治

郁前軍 上海鐵路局九景衢鐵路指揮部

衢寧鐵路松陽隧道二襯混凝土裂縫原因分析及整治

郁前軍 上海鐵路局九景衢鐵路指揮部

根據(jù)隧道二襯混凝土裂縫分布特點分析出現(xiàn)裂縫的原因，提出施工縫對齊、仰拱沉降觀察、改進襯砌澆筑工藝、控制原材料質(zhì)量等裂縫防治措施，并分類采取裂縫表面封閉修復(fù)和裂縫注漿修復(fù)的整治措施。

隧道；裂縫；整治

衢寧鐵路全長366.5 km,其中浙江省境內(nèi)206.9 km，隧道46座，共124.36 km。10 km以上隧道4座，其中松陽隧道就是其中之一。

松陽隧道為單線單洞隧道，起訖里程DK97+211～DK110+ 377.5，全長13 166.5m。施工分明洞、大路下斜井及孔漕源斜井3個工作段面組織施工，明洞工區(qū)向小里程施工179 m，向大里程施工2 800 m。在明洞向二端施工中隧道二襯混凝土連續(xù)出現(xiàn)裂縫。

1 地質(zhì)地貌情況

明洞二端山體存在偏壓、淺埋，同時洞頂存在蒙脫石、高嶺土等不良地質(zhì)，設(shè)計圍巖等級均為Ⅳ級和Ⅴ級。

2 裂縫分布特點

（1）裂縫分布范圍

集中在明洞口向小里程130 m范圍，向大里程300 m的范圍。

（2）裂縫水平角度

裂縫角度為斜向上發(fā)展，0～45°區(qū)間有5條，占總數(shù)的9%；45°～90°區(qū)間50條，占總數(shù)的91%。

（3）裂縫發(fā)育起始點

自仰拱施工縫處開始發(fā)育的有38條，占總數(shù)的70%；自綜合洞室襯砌端頭等其它位置開始發(fā)育17條，占總數(shù)的30%。

（4）裂縫尺寸

裂縫長度為（1～5）m，寬度為（0.1～1.5）mm,深度為（20～50）mm。

施工中二襯出現(xiàn)裂縫是常見的一種病害，一般情況下表層的裂縫對隧道的結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生威脅，但是任其發(fā)展，長時間的裂隙水的滲透襯砌對圍巖支承能力降低，難以保持圍巖穩(wěn)定，特別是對涌水量較大的隧道造成難以整治的滲漏水病害，對列車運營造成安全隱患。

3 二襯裂縫原因分析

3.1 仰拱與二襯施工縫不對應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)力集中

通常一板二襯施作為12 m，仰拱為6 m。由于仰拱施工縫與二襯施工縫沒有對齊，不在一個段面上，仰拱與二襯混凝土分批澆筑，齡期差引起的二者收縮變形不同步，且相互約束，加之二襯與仰拱施工縫不對應(yīng)造成的缺口效應(yīng)，致使局部收縮應(yīng)力集中導(dǎo)致裂縫從仰拱施工縫處開始發(fā)育（見圖1）。

圖1 二襯施工縫與仰拱施工縫不對應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)力集中

原始施工記錄顯示，出現(xiàn)裂縫區(qū)域的二襯滯后于仰拱14～60天施工，先澆筑和后澆筑之間的相互約束造成收縮錯縫，超過混凝土的抗拉強度造成開裂。

3.2 地基承載力的影響

明洞二端山體存在偏壓、淺埋，圍巖等級均為Ⅳ級和Ⅴ級，隧道開挖對山體的擾動影響地基承載力。仰拱施工時基底虛碴沒有清理干凈，造成基底沉降不均勻，影響二襯混凝土整體應(yīng)力分布，襯砌混凝土就會出現(xiàn)裂縫。

3.3 爆破震動影響

二襯混凝土每板灌注時間長達10 h以上，掌子面可能發(fā)生放炮、出碴，掌子面的爆破沖擊震動和重載車輛通行時發(fā)生震動，對新澆筑的二襯影響非常大。由于二襯和仰拱施工縫不對齊，二襯壓到仰拱上面斷縫的位置，爆破震動時首先作用在有斷縫的位置使仰拱上下振動，從而在仰拱施工縫位置把二襯混凝土擺裂。

3.4 原材料質(zhì)量對襯砌的影響

（1）水泥游離氧化鈣比表面積超標(biāo)對混凝土質(zhì)量的影響。水泥中游離氧化鈣、鋁酸三鈣、堿含量過高、細度過細往往會引起混凝土開裂。現(xiàn)在鐵路建設(shè)用的水泥要求游離氧化鈣在1%以下，比表面積（300～350）m2/kg。由于現(xiàn)在水泥市場供大于求，廠家為了在市場上占有一席之地，采用是低價中標(biāo)，為降低成本大量增加粉煤灰礦粉等礦物摻和料，水泥越磨越細。公路、市政、房建等工程對水泥比表面積要求300m2/kg以上即可，而水泥廠對鐵路建設(shè)用的水泥沒有專用的設(shè)備和儲存設(shè)施，屬共用。因此送到鐵路隧道工地的水泥技術(shù)指標(biāo)極容易超標(biāo)。水泥越細水化速度加快，吸附更多的減水劑和水，釋放大量的水化熱，引起混凝土開裂。水泥中的游離氧化鈣超標(biāo)，往往會引起水泥體積安定性不良，也是引起混凝土早期開裂的因素。而水泥中堿含量過高，過量的堿與骨料中的活性SiO2發(fā)生堿骨料反應(yīng)，生成膨脹的堿硅酸鹽凝膠體，也會導(dǎo)致混凝土開裂。

（2）水泥新鮮程度對混凝土的影響。供應(yīng)商為了趕進度，有時把剛生產(chǎn)出來的水泥就運到工地，罐體發(fā)燙，水泥溫度很高，當(dāng)現(xiàn)場使用剛磨出來還未來不及散失熱量的水泥拌制混凝土，水化快，釋放熱量大，需水量大，對減水劑的吸附量也大，減水率降低，坍落度損失明顯加快，影響混凝土的質(zhì)量。

3.5 現(xiàn)場施工不當(dāng)?shù)挠绊?/p>

（1）混凝土拆模過早，混凝土強度達不到設(shè)計強度或拆模后養(yǎng)護不當(dāng)是襯砌開裂的重要原因之一。

（2）養(yǎng)護不當(dāng)?shù)挠绊憽Ｋ淼涝诔跗谥ёo和二次襯砌之間設(shè)有防水板、土工布，故混凝土和外界熱交換主要發(fā)生于襯砌表面，混凝土灌注后，由于水泥水化熱使混凝土溫度升高，一般3～5天達到峰值，此后溫度下降（見圖2），由于養(yǎng)護不當(dāng)，當(dāng)混凝土體積收縮，使襯砌受拉應(yīng)力，拉應(yīng)力超過混凝土極限時襯砌表面開裂。

圖2 水泥水化熱與時間關(guān)系

4 二襯混凝土裂縫防治措施

二襯混凝土裂縫是多種因素綜合作用的結(jié)果，故在施工過程中應(yīng)綜合考慮加以防治。

4.1 施工縫對齊控制

為了避免仰拱施工縫與二襯施工縫不對應(yīng)而產(chǎn)生的缺口效應(yīng)，提前安排仰 拱施工縫留置位，仰拱小邊墻與二襯施工縫保持一致。

4.2 仰拱沉降觀察

（1）仰拱和底板澆筑混凝土前，必須采用高壓水和高壓風(fēng)將基底虛碴清理干凈，有水的地段在仰拱端模外1 m位置設(shè)置集水坑，集水坑水位必須低于仰拱底面，保證基底無虛碴無積水的情況下澆筑底板和仰拱。現(xiàn)場技術(shù)人員必須嚴(yán)格把關(guān)。

（2）選定試驗段。根據(jù)不同隧道不同圍巖選定試驗段，仰拱澆筑完后在填充表面設(shè)置沉降測點，每天進行觀察并做好記錄。仰拱沉降穩(wěn)定后方可進行下的道工序施工。

4.3 改進襯砌澆筑工藝

（1）改進混凝土投料布料方式：每澆筑層在中間及兩端三個投料孔均勻投料，每車混凝土左右側(cè)各投1/2,保證澆筑過程中分層、對稱澆筑，并振搗到位。加強振搗,加固端頭模板，調(diào)整附著式振搗器位置，加強端頭模板附近混凝土振搗。

（2）延長脫模時間，加強混凝土養(yǎng)護：二襯脫模混凝土強度應(yīng)大于8 MPa以上。脫模后加強混凝土養(yǎng)護，養(yǎng)護時間3～7天，每天灑水養(yǎng)護3次以上，保證養(yǎng)護水與混凝土表面溫差小于15℃，且混凝土表面處于潮濕狀態(tài)。

4.4 原材質(zhì)量控制

（1）水泥比表面積和游離氧化鈣納入常規(guī)檢測項目。每車次水泥進場均應(yīng)由試驗室檢驗比表面積指標(biāo)，合格后方可卸車，其余各項指標(biāo)檢驗合格后準(zhǔn)予使用。每批次粉煤灰進場拌和站試驗室應(yīng)檢驗細度、燒失量、需水量比等指標(biāo)。

（2）為確保水泥的穩(wěn)定性要求水泥廠家設(shè)置鐵路專用的水泥生產(chǎn)線和儲存設(shè)施。

（3）粗、細骨料嚴(yán)格按鐵路驗標(biāo)TB10424-2010的要求檢驗。

（4）減水劑必須保證原廠生產(chǎn)，經(jīng)出廠檢驗合格的產(chǎn)品。嚴(yán)禁在現(xiàn)場復(fù)配，進場減水劑外包裝應(yīng)用明確的標(biāo)識和封條，隨車攜帶出廠過磅單據(jù)、過路費單據(jù)、發(fā)料單、材質(zhì)單、產(chǎn)品合格證明每一批進場必須做勻質(zhì)性試驗，合格后方能使用。存儲要有遮陽保溫措施，夏季嚴(yán)禁暴曬。

5 裂縫整治措施

當(dāng)二襯混凝土裂縫基本穩(wěn)定不再發(fā)展時，采用分類進行處理：

（1）裂縫寬度小于0.2 mm的裂縫采用表面封閉工藝進行修復(fù)。

（2）裂縫寬度大于等于0.2 mm的裂縫采用低壓注漿工藝進行修復(fù)。

5.1 二襯砼裂縫表面封閉修復(fù)方案

（1）修補材料。選用CARS-J型修補材料進行表面封閉修復(fù)處理，該材料是由高分子乳液和無機粉料構(gòu)成的雙組份新型防水涂料，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 CARS-J型表面封閉材料技術(shù)指標(biāo)

CARS-J型表面封閉材料具有如下特點：

①材料與基面的親和性好。即使基面較為潮濕（無明水）的情況下，也不會影響施工；

②冷施工，涂層整體性強，對異形部位適應(yīng)性強。材料結(jié)構(gòu)缺陷少，柔韌性好，耐久性高；

③可以靈活地設(shè)計材料的性能。可以通過調(diào)節(jié)聚合物乳液和粉料以及助劑的比例，來得到不同性能的產(chǎn)品。

（2）修補機具。主要用到的修補機具包括：鋼絲刷、砂紙、真空吸塵器、吹風(fēng)機、角磨機、噴槍、毛刷、羊毛輥、手持式攪拌器等。

（3）修補工藝。①基層處理。用鋼絲刷或砂紙對舊混凝土表面進行清理，除掉表面灰塵、雜質(zhì)清理干凈后，用清水進行沖洗，清理出堅硬的混 凝土表面；②界面處理。在正式刷涂涂料前，將乳液與粉料按1：1比例混合攪拌均勻，對于小面積修補采用毛刷刷涂或羊毛輥輥涂，對于大面積修補采用噴槍噴涂，界面劑觸干后即可進行下一步涂料的施工；③涂料涂覆。用涂覆工具毛刷、輥子（小面積施工）或手持式噴槍等（大面積施工）按“十字法”涂覆 2～3次，兩次涂覆方向相互垂直，各層之間的時間間隔以前一層涂膜不粘手為準(zhǔn)。在大風(fēng)干燥等條件下適當(dāng)采取薄膜覆蓋等方法養(yǎng)護，防止涂層材料失水過快導(dǎo)致涂層開裂。

5.2 二襯砼裂縫注漿修復(fù)方案

（1）修補材料。二襯混凝土裂縫采用低壓注漿工藝進行修補，宜采用CARS-B低粘度樹脂材料，該材料的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 CARS-B型低粘度樹脂材料技術(shù)指標(biāo)

該工藝的關(guān)鍵在于修補材料的選取，要求修補材料具有較低的粘度、較長的適用期，能夠在外加壓力作用下滲透到混凝土的 細微裂縫中；具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，可以在較低的溫度及潮濕 環(huán)境中固化；具有較高的粘接強度、抗拉強度和抗壓強度，可以 對結(jié)構(gòu)起到較好的補強作用。

（2）修補機具。低壓注漿器、毛刷、吹風(fēng)機、角磨機、電子稱、噴槍等。

（3）修補工藝。①用鋼絲刷、毛刷等清理裂縫表面灰塵及浮渣，采用吹風(fēng)機或者高壓空氣清除裂縫內(nèi)的灰塵及雜物等；②采用專用封縫材料沿裂縫走向?qū)⒘芽p周圍封閉，在預(yù)留注漿嘴位置設(shè)置注漿嘴，防止封縫材料將注漿嘴堵塞；③待封縫材料完全固化后，按照低粘度樹脂材料的配比將A、B兩組分混合均勻后，采用低壓注漿器吸取膠液，并與注漿嘴連接，開始自動緩慢注入低粘度樹脂材料；④待注漿器內(nèi)漿液全部滲入后不斷補充注漿，漿液能夠滲透至極細微的裂縫，直至漿液不再向下滲透為止；⑤待修補材料完全固化后，用角磨機打磨去除表面修補材料，直至表面平整。最后在表面噴涂或刷涂一層聚合物水泥漿 (（CARS-J型修補材料）保護層。

責(zé)任編輯：許耀元

來稿日期：2016-08-31