鐵路隧道無配筋二襯早期裂縫的控制實踐

張進

摘要：混凝土開裂的問題始終困擾著工程的使用和壽命，施工中如何控制混凝土早期裂縫的產生有著重要意義。在蒙華鐵路MHTJ-17標雙線隧道工程中，基于現有的技術工藝水平，通過理論分析與實踐驗證，準確判定二襯混凝土產生裂縫的各種因素，并優化施工組織措施，最終無配筋地段二襯早期裂縫得到有效控制和消除。希望為以后同類混凝土結構裂縫的產生和控制提供幫助。

Abstract： The problem of concrete cracking always affects the use and life of the project. It is of great significance to control the early cracks in concrete during construction. In the MHTJ-17 standard double-track tunnel project of Inner Mongolia-Jiangxi Railway， based on the existing technical level， through theoretical analysis and practical verification， it can accurately determine the various factors causing cracks in the secondary lining concrete， and optimize the construction organization measures. Early cracks in the secondary lining of the rib section are effectively controlled and eliminated. It is hoped to help the generation and control of cracks in similar concrete structures in the future.

關鍵詞：鐵路隧道;無配筋;早期;裂縫;控制;實踐;消除

Key words： railway tunnel;no reinforcement;early;crack;control;practice;elimination

中圖分類號：[U25]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）34-0135-03

0? 引言

混凝土為非均質材料，在溫度、濕度等環境因素影響下，隨著混凝土逐步硬化，水泥石、骨料因其收縮與膨脹差異產生相互約束應力出現裂縫，說明了混凝土裂縫的固有論和絕對論。根據實際工程調查，地下工程外墻壁（等同于隧道）的開裂數量占被調查工程總數的85%以上，在控制外墻裂縫的技術難度是很大的，在國內外的工程實踐中都沒有成熟有效的技術措施。

蒙華鐵路是我國首條軸重最重、線路最長、覆蓋面最廣的煤運專用線，是“北煤南運”新的國家戰略運輸通道，隧道施工中始終落實科學合理的工裝、工藝和工法，強化質量控制。然而施工中二襯混凝土開裂現象依舊出現了，且尤其在無水隧道取消防水板后，二襯無配筋地段早期裂縫現象嚴重，直接影響到工程質量及運營使用要求。在混凝土裂縫的絕對論和固有論的基礎上，從裂縫產生的理論上對其產生的機理和施工中的有利和不利因素進行闡釋，對施工缺陷進行辨識和辯證，并提出具體化的施工控制措施，對開裂原因進行實踐驗證，最終克服了多方因素影響，完全消除了此類裂縫，取得了很好的效果。

1? 工程概況

蒙華MHTJ-17標段是蒙華公司晉豫指揮部管轄范圍的綜合土建標段，標段內有隧道工程26座，合計16.8km。標段地處山區，山高谷深，橋隧緊密相連，線路穿過了多個大中型斷裂帶，褶皺發育，巖體多較破碎，局部破碎。標段范圍地處暖溫帶向北亞熱帶過渡地帶，為北亞熱帶季風型大陸性氣候，春季冷暖多變，夏季炎熱，雨量集中，秋季氣涼陰雨多，冬季天冷雨雪少，日均最低氣溫為1℃左右。

2? 裂縫的產生與調查

2.1 裂縫的產生

起初，標段內先行施工的部分隧道二襯局部發現裂縫現象，因裂縫細微，范圍很小，主要集中在仰拱二襯施工縫不貫通處、投料窗口處，多滿足結構設計規范，初步分析為施工過程中混凝土結構物正常的發展特征。

根據要求取消無水地段防水板后，第一時間發現多處縱向及環向貫通裂縫與長大無規律裂縫共存，裂縫均為貫穿墻厚且寬度大于0.2mm，Ⅲ級圍巖地段二襯無配筋處居多，一般在脫模后一天后二襯裂縫集中出現。

2.2 裂縫的調查

2.2.1 裂縫程度及分布

首先對標段內所有隧道重新排查統計二襯混凝土開裂情況。其中無防水板二襯35板，裂縫共69條，其中<5m的25條，占比36%，≥5m的26條，占比38%，貫通18條（在7板內）。占比26%，設置防水板二襯194板，裂縫共62條，其中<5m的46條，占比74%，≥5m的16條，占比26%，無貫通裂縫。

設置防水板地段，裂縫產生的頻率低，數量少，裂縫較輕微。而取消防水板地段裂縫產生的頻率大大增加，裂縫密度且長大裂縫密度大，平均裂縫寬度和裂縫間距明顯增大，裂縫現象較嚴重。

2.2.2 裂縫類型

裂紋大致分三種類型，一種是仰拱施工縫延伸造成的環向裂縫，第二種是表面收縮裂縫，一般出現在某一板二襯的中間位置，從矮邊墻開始環向延伸，第三種是取消防水板地段出現的縱向裂縫及不規則裂縫，縱向裂縫一般出現在Ⅳ級圍巖有鋼架地段，不規則裂縫一般出現在Ⅲ級圍巖無鋼架地段。

2.2.3 裂縫的判定

對裂縫分析可以看出，產生裂縫的部位大部分為二襯拱墻無配筋地段， 一般都是拆模1天以后發現，約5天后裂縫即可停止發育，這個過程正是混凝土早期硬化的過程，導致其開裂的原因，要在前期硬化過程中查找，失水、沉縮可能性極大。

3? 裂縫產生的理論分析

3.1 外部荷載的影響

蒙華鐵路隧道設計原則采用新奧法，即初期支護承受施工期間的全部荷載，二次襯砌只是長期性及特殊條件下的在使用過程中的安全儲備。本工程初期支護措施采取了比較強的支護措施，且二襯混凝土施工前初支是經過監測已經穩定無變形的，可以排除由外荷載引起裂縫的原因。

但是存在仰拱施工縫與二襯施工縫不貫通，或長仰拱基底受力不均導致局部應力集中，不能排除仰拱不均勻沉降及變形引起上部拱墻變形，造成從仰拱的環向施工縫或應力集中點向上在二襯拱墻產生環向裂縫。

3.2 混凝土的收縮

混凝土結構裂縫的原因大部分是由于溫度、濕度和不均勻沉降等變形作用引起的。我們知道混凝土的收縮包括“自生收縮”，是混凝土硬化過程中化學作用引起的硬化收縮，這種收縮與外界濕度變化無關。二是“塑性收縮”，混凝土澆筑4-15小時，水泥水化反應出現泌水及蒸發引起失水收縮，對于壁厚較薄的結構因塑性收縮引起裂縫的主要原因。三是“碳化收縮”，在一般環境中不加以考慮。四是干縮即“失水收縮”是混凝土收縮變形的主要部分。

3.3 溫度應力變形

地下隧道的溫度收縮應力研究等同于大面積混凝土整體式基礎、底板、地面，該類結構物的特點是厚度遠遠小于其他兩個方向的尺寸，受地基較大水平阻力影響造成對基礎混凝土收縮應力的約束影響和約束程度大的特點。在堅硬地基高低變化頻繁，大大增加地基阻力系數和水平應力。

收縮及溫差越大、變化速度越快越容易開裂，結構越薄溫差梯度越大抵抗溫度收縮應力越小、基層對結構的約束作用越大、結構幾何尺寸越大越容易開裂。溫度應力首先與溫差成正比，升溫為正，應力為負，引起壓應力，降溫為負，應力為正引起拉應力，降溫階段，混凝土彈性模量迅速增加，約束拉應力也隨著增加超過抗拉強度即出現貫穿裂縫。

3.4 混凝土的沉縮

因混凝土流動性不足或流動度過大，硬化前沒有沉實或沉實不足或不均勻就會產生裂縫，流動度大的混凝土其相對沉縮變形遠遠大于普通干縮變形，容易引起早期裂縫。混凝土的沉縮裂縫與混凝土的沉縮量與流動性關系很大，遇灌注高低差大、混凝土沉縮不均、流動性不勻、澆灌速度過快或慢、硬化不均和差異沉縮產生裂縫。

4? 裂縫施工控制與實踐驗證

4.1 預防和控制混凝土收縮

4.1.1 自生收縮

施工中混凝土的收縮大都與使用原材料的工作性質有關，本工程中摻加了粉煤灰對混凝土的抗裂是有益的，選擇了JW-11高性能緩凝減水劑對混凝土的收縮影響很小，每方膠材用量分別為375kg（其中水泥281kg）、400kg（其中水泥275kg），水灰比分別為0.39、0.41，砂率分別為42%、43%，初凝時間分別為10h10min、10h55min，塌落度均為180±20mm。水灰比較小，水泥量較少，粗骨料含量、集料級配經試驗良好，用水量不大，外加劑減水率符合標準要求、經過現場觀察其保水性較好。再有施工中，嚴把材料質量關，尤其對砂石料的含泥量、集料級配嚴格控制，同時對外加劑、水泥質量波動及時分析總結，過程中屢次進行適應性試驗，有效的消除和控制了由于混凝土原材料引起的自生收縮變形。

4.1.2 塑性收縮

施工中，一方面嚴把材料質量關，其次強化二襯混凝土施工質量控制，對二襯臺車工裝進行改裝，確保混凝土灌注分層、分段均勻灌注均勻振搗。實現二襯混凝土從下至上利用灌注窗逐窗澆筑、逐窗分層振搗，拱頂逐板注漿，拱頂混凝土采用不少于2個孔澆筑，邊墻以下部分采用插入式振搗為主，附著式振搗為輔;邊墻以上部分采用附著式振搗為主，合理使用插入式振搗、附著式振搗互補雙控，以施工工藝保證其均勻密實性。拆模后及時進行自動噴淋養護，達到混凝土表面“全天候、全濕潤、全方位”的養護效果，固化二襯混凝土原材、半成品、澆筑、振搗、養護環節施工標準化工藝，減小混凝土的塑性收縮。

4.1.3 失水收縮

經現場確認膠合材料標準磨細度、骨料種類不是造成混凝土失水收縮的主要原因，混凝土在灌注完成30小時左右即開始脫模，大面積混凝土表面暴露，雖環境氣溫不高，但無法采取覆蓋措施，表面失水是存在的，不可避免產生紋理細小、走向沒有規律、表面性的干縮裂縫。

取消防水板施工段，在二襯臺車走行合模前提前三天噴水充分濕潤初支混凝土表面，但是，初支混凝土表面干燥吸漿吸水現象仍然存在，從某隧道裂縫處取芯樣觀察發現，初支接觸面水泥漿流失嚴重，說明混凝土在硬化過程中水分散失較多，干縮較快。

4.2 控制溫度應力

4.2.1 溫度應力明顯

畢竟隧道二襯屬于薄壁混凝土結構，尤其Ⅲ、Ⅳ級圍巖地段二襯混凝土厚35cm-40cm，水化熱流失過快，部分圍巖好如Ⅲa地段，噴混薄，水化熱流失速度會更快，混凝土溫度下降速度快，溫度梯度大，產生的溫度應力就大，而對于薄壁結構的二襯抵抗溫度收縮應力的能力較小、溫度應力容易超過混凝土自身內外的抗拉力。

4.2.2 變形約束大

取消防水板后，初支表面局部平整度差、不平順，凹凸不平（根據規范要求初支表面平整度深長比小于1/10即可），噴射混凝土表面摩阻系數明顯加大，對混凝土溫度應力變形和干縮變形產生了極大的約束應力，阻礙了二襯的自由收縮，無法釋放大部分變形，且二襯混凝土厚度不均勻，應力集中也容易導致從較薄弱的部位大面積開裂。

4.2.3 減小溫度應力約束

在本工程沒有構造鋼筋的情況下，為了提高抗裂性能，設置滑動層和壓縮層，基面形成逐漸變化的過渡形式，減小地基約束阻力，避免結構或斷面突變產生溫度收縮應力集中，同時設計考慮防排水措施也是合理的裂縫防治原理。這就是后來在施工中增設防水板與緩沖層的深層原因。

4.2.4 溫差控制

我們知道潮濕狀態及養護溫度對混凝土的影響程度均較大，除保濕養護外還要控制內外溫差。因當時氣溫為0-10℃較低，采用了10-15℃溫水進行養護。但不排除水化熱降溫速率仍較快，可能導致產生溫度收縮應力。

但大量的施工經驗說明，對于鐵路橋梁隧道的混凝土結構，只要合理選擇水泥品種、標號、用量和外加劑、模板種類，正確確定混凝土配比、入模溫度，改進混凝土性能及生產、澆筑工藝，實施溫度監控和正確養護，完全可以控制混凝土內最高溫度與環境溫度差不大于25℃，保證混凝土內外側、芯部與表面及表面與環境溫差均小于15℃，根據二襯試驗板的測溫記錄顯示，也證明這一點，可以排除溫差產生溫度變形的開裂。

4.3 解決混凝土差異沉縮問題

雖然施工中嚴格控制較小的水灰比、適當緩凝、控制混凝土灌注下料速度、控制溫度、避免失水，再有上部附著式振搗器對下部混凝土澆灌1-2小時后進行適當二次振搗，保證振搗密實;但是實際施工中還要進一步加強控制以下幾點。

4.3.1 杜絕操作缺陷

往往存在個別混凝土窗口不開啟，沒有做到逐窗進灰、拱頂只用一個孔，灌注不均勻現象;再有插入式振搗棒振搗盯控較難，如插入式振搗棒平拖趕平混凝土，振搗不充分，沒有達到振搗勻質密實的要求，此問題需要加強盯控及時糾正。

4.3.2 優化施工組織

局部部位混凝土灌注時間過長，灌注不連續有時有停頓間斷現象，灌注速度也無法避免的出現過快或過慢現象，灌注前后上下部混凝土凝固、收縮不均勻，施工中應積極協調組織。

4.3.3 控制混凝土差異

雖要求對混凝土出機混凝土塌落度、溫度、現場性能指標、入模溫度嚴格檢測控制，保證混凝土入模的工作性能，也不免出現混凝土塌落度、流動性時好時差存在性能差異，前后澆筑的混凝土沉縮、收縮、變形不一致導致開裂，施工中應嚴格控制出機及現場混凝土的工作性能。

4.3.4 工藝影響

拱部混凝土無法插入式振搗，采用附著式振搗不少于5-15s，在混凝土澆筑2小時左右即將凝固時，再次振搗不充分，導致混凝土的密實度不好，減少微裂和提高強度，提高抗裂性效果不明顯。

普遍存在壓頂方量較大，同時拱腰以上部位混凝土受初支磨阻力及拱部模板重力坡度小等影響不易下沉密實，導致混凝土自身沉縮不均勻而出現拱腰縱向裂縫，施工中要加強附著式振搗盡量減小壓頂方量。

4.4 排除其他因素

4.4.1 實際設計特點

大量工程實踐證明，適當配筋能夠提高混凝土的極限拉伸控制收縮裂縫，但現有的鐵路隧道設計中，圍巖較好地段是不設混凝土構造配筋的，這樣大大增加了二襯混凝土的開裂比例。

按照抗放兼施以放為主的設計原則，施工中由于外側沒有模板且接觸表面粗糙不平，各結構之間存在某種粘連，變形不自由，結構中產生約束應力，設計施工中應盡量考慮給予避免。

4.4.2 濕度收縮、溫度應力疊加

薄壁結構開裂主要因素是收縮，混凝土二襯結構的降溫與收縮幾乎是同時發生，混凝土結構將承受互相疊加的拉應力，極易開裂。施工中還要嚴格控制溫度、濕度變化，防止其后引起的拉應力而產生裂縫。

4.4.3 施工周期因素影響

初期混凝土模板拆除較早，一般控制在24小時，雖然強度已經滿足要求，但帶模養護時間較短，二襯內外側溫差較大、收縮變形不同步。再有二襯混凝土施工局部有因與仰拱澆筑時間差較長，與仰拱收縮變形不同步、不均勻現象。

隨后通過嚴格控制了拆模時間，保持在30-36小時，此時混凝土強度達10MPa以上，抵抗了因早期強度低受自重的影響因素，且混凝土降溫收縮大部分已經釋放，同時盡量縮短二襯與仰拱施工的時間差，通過合理的施工組織，消除了因施工周期對混凝土裂縫的影響。

5? 結論和建議

經過對產生的裂縫進行定期排查統計、觀察分析，裂縫沒有繼續變化發展。基于大部分裂縫寬度大于0.2mm，大于國內外設計規范和試驗資料要求的最大裂縫的控制寬度，根據裂縫性質、部位及隧道的結構特點分析，此變形裂縫對承載力無嚴重影響，從持久強度和使用要求初步評定屬于中等程度裂縫，需要適當補強處理。

標段自2016年12月份設計變更取消部分地段防水板后，裂縫問題凸顯，經過一系列的分析研究和施工全過程的主動控制，在2017年2月份對三座隧道二襯混凝土施工進行試驗，確定各項施工參數和措施，經過施工實踐驗證，于3月份標段內二襯裂縫問題得到了有效控制，后續施工沒有出現類似的裂縫現象，取得了很好的實際效果。基于目前的科學技術水平現狀下，從設計、施工、材料、結構等綜合性因素出發，研究減輕這種裂縫的方法及控制措施，鐵路隧道無配筋地段二襯早期裂縫是完全可以消除的。

參考文獻：

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