暗挖隧道襯砌裂縫產生原因分析與預防控制研究

王穎苗

（北京百事百達工程管理有限公司，北京 100022）

1 引言

裂縫是混凝土最常見的缺陷之一，近年來，隨著我國城市的高速發展，暗挖法施工被廣泛運用到公路、鐵路、地鐵以及各種地下管線的建設中。受各種因素影響，暗挖隧道襯砌裂縫時有發生，而引起暗挖隧道襯砌裂縫的原因十分復雜，荷載、溫度、收縮、地基變形、鋼筋銹蝕、堿骨料反應、地基凍脹、混凝土質量差、水泥水化熱溫升等因素單獨作用或相互作用都可能造成混凝土裂縫。

通過研究發現，裂縫對暗挖隧道混凝土建筑會產生不同的影響，除了降低建筑的穩定性之外，還容易導致鋼筋銹蝕以及凍融破壞等問題，最終影響暗挖混凝土的耐久性。基于此，本文梳理了襯砌混凝土裂縫形成的根源，并提出相應的解決對策，以期為類似暗挖隧道工程襯砌裂縫的預防與控制提供參考和借鑒。

2 襯砌混凝土裂縫主要類型

針對襯砌混凝土裂縫，根據其形成原因的不同，可劃分為溫度裂縫、干縮裂縫以及施工裂縫等；根據深度上的差異性，可以劃分為貫穿裂縫、深裂縫、淺裂縫以及表面裂縫。本文在研究過程中，主要根據形成的原因對暗挖工程中3種常見的裂縫進行分析。

2.1 溫度裂縫

溫度裂縫是由混凝土內、外溫度變化而產生的裂縫，如圖1所示。暗挖襯砌混凝土中水泥水化時形成的熱量較多，這些熱量會導致混凝土溫度升高。如果缺少有效的降溫手段，混凝土內部的溫度可達到80～90℃。在溫度升高過程中，熱量也處于動態變化過程中，不斷進行轉移和擴散，進而導致混凝土各個部分的溫度分布不均，由此會形成一定的溫度應力，并且溫差越大，溫度應力越大，二者為正相關關系。裂縫的形成與過高的溫度應力直接相關，如果其高于內外約束應力，則會導致溫度裂縫的形成。

2.2 干縮裂縫

干縮裂縫指混凝土由于內外濕度變化不均、水分蒸發不均而產生的裂縫，如圖2所示。暗挖隧道施工過程中，襯砌混凝土硬化時水分會逐步減少，導致凝結膠體干燥變形，這種變形受到模板或圍巖等因素的約束而產生應力，當變形產生的應力值超過混凝土的抗拉強度后，就會形成干縮裂縫，在走向上基本沒有明顯的規律。

2.3 施工裂縫

施工裂縫是指在施工過程中，由于施工質量問題而導致的裂縫，如圖3所示。具體包括以下幾個方面。

（1）在施工過程中對混凝土搗實不足或模板支撐不佳均會降低施工質量，進而導致施工裂縫的形成。

（2）施工縫布置位置不佳極易導致施工裂縫的形成。若發生突發情況導致澆筑中斷較長的時間，則在后續的澆筑中容易導致施工裂縫形成（特別是未進行鑿毛處理以及處理不佳的情況下）。

（3）冬季施工中新澆筑混凝土保溫防護措施不足，養護的構件降溫速度太快，由于冷擊均可導致混凝土開裂。

（4）暗挖隧道施工中，二次襯砌的拱形模板拼接不當，脫模時強行使用外力拆除模板，混凝土受力不均勻，則會形成變形裂縫。

3 裂縫形成的原因分析

根據前文的分析可知，溫度和干縮裂縫主要是與變形有關的襯砌裂縫，是在溫度、濕度以及水分變化的作用下，由于約束應力高于抗拉強度形成的；施工裂縫則主要是施工操作不當和混凝土施工質量把關不嚴造成的。下面就這3種裂縫形成的原因進行具體分析。

3.1 溫度和干縮裂縫形成原因分析

很多學者針對裂縫形成的原因開展了分析，依據不同學者的觀點，本文對溫度和干縮裂縫形成的原因具體分析如下。

（1）溫度改變。裂縫的形成直接受環境溫度變化的影響，如果溫度顯著降低，則會形成更大的收縮變形，從而增大形成裂縫的概率。研究發現，在夏季隧道洞口襯砌段，由于溫差較大而形成裂縫的幾率較高，所以必須對此重點關注。

（2）水泥細度。如果水泥細度較高，釋放的水化熱量較多，更易產生溫度裂縫。

（3）水泥類型。不同類型的水泥在應用中的特性不同，例如礬土水泥，制成的襯砌混凝土不存在顯著的收縮變形，基本不會形成裂縫；而對于礦渣水泥，制作的襯砌容易形成顯著的收縮變形，也易于形成干縮裂縫。

（4）風速。研究發現，風速較高時，水分更易于蒸發和散失，更易形成干縮裂縫。

（5）環境濕度。在環境濕度較大的情況下，收縮變形較小，因此形成裂縫的幾率較低；但是濕度較小的情況下則正好相反，形成干縮裂縫的概率顯著提高。

（6）骨料類型。采用不同類型的骨料制成的襯砌混凝土在收縮變形上呈現出差異性，例如采用砂巖時形成裂縫的可能性更高；而采用花崗巖骨料形成裂縫的幾率較低。

（7）水灰比。研究發現，混凝土水灰比較高的情況下，容易導致更大的收縮變形，繼而形成裂縫。

（8）結構尺寸以及外觀。裂縫的形成還與結構尺寸以及形狀等因素直接相關，可用水力半徑r指標（周長L和截面面積F的比值）進行判斷，如果該指標較高，則意味著存在更顯著的收縮變形，更容易形成裂縫。

（9）配筋率。收縮變形與配筋率之間表現為負相關的關系，因此在該指標增大的情況下有助于抑制裂縫的形成。

（10）外加劑。目前，在襯砌混凝土中一般會添加一定量的外加劑，例如，塑化劑的添加能夠有效抑制收縮變形，繼而抑制裂縫的形成。但是在添加過多的情況下也會產生不利影響，可能會形成更多的裂縫。因此，對于外加劑應該合理使用，選擇合適的類型以及用量才能達到抑制裂縫的效果。

3.2 施工裂縫產生的原因

（1）施工操作。由于部分暗挖隧道二次襯砌施工所使用的模板支護形式存在缺陷，導致混凝土難以完全搗固，如果搗固質量不佳或未進行搗固，則必然導致顯著的收縮變形，繼而形成更多裂縫。實際工程中出現的隧道襯砌開裂現象往往與上述因素有關。

（2）混凝土質量把關不嚴。混凝土生產過程中存在較大的原料計量偏差，在混凝土運輸過程中添加水分，外加劑類型以及用量不合理，未及時對石料含水率進行調整等，均會影響混凝土的質量，繼而引發裂縫的形成。

（3）過度追求施工的進度，忽略了一些關鍵的施工工序。例如，脫模時間不合理或未進行潮濕養護，均會導致混凝土結構受損。

（4）澆筑過程中未進行充分振搗，影響混凝土的均勻性，進而導致施工裂縫的產生。

（5）隧道開挖成型不佳，存在超欠挖現象。該問題可能導致襯砌厚度存在顯著的變化，繼而影響襯砌收縮變形約束條件，從而導致裂縫的形成。如果隧道開挖成型相對較好，則形成襯砌裂縫的幾率較低。

（6）養護因素。不及時對新澆筑的混凝土進行灑水養護，甚至未進行養護，則一定時間之后會出現收縮變形，導致裂縫的形成。

（7）缺乏對溫度的控制。例如，冬季施工中未采用有效的保溫措施；夏季施工中存在砂、石料室外肆意放置，未進行降溫處理等，均會導致裂縫的形成。

4 混凝土裂縫預防控制措施

4.1 干縮和溫度裂縫預防控制措施

（1）建議采用合適的襯砌材料。具體包括以下幾個方面：水泥選擇應該優先考慮細度較小與水化熱低的水泥材料用來拌和混凝土；對于采用的砂、石料等原料，需要保持較小的含沙量，有助于抑制收縮變形；選擇合適的骨料類型，例如使用花崗巖等類型的骨料，有助于抑制收縮變形；合理的采用膨脹劑，通過這種方式可以對混凝土收縮進行補償；采用一些有助于抑制收縮變形的添加劑，例如采用雙摻技術，將水泥用量控制在一定范圍內；適當采用粉煤灰，可有效提升混凝土的保水性和流動性，減少收縮變形。

（2）重視混凝土試配。針對最佳配比進行研究和設計，采用科學的指標進行評價分析，包括變形量、水化熱以及抗拉強度等。此外，建議盡可能降低水泥以及用水量，將坍落度控制在較低水平。

（3）科學設置后澆帶。考慮具體的地質條件以及結構形式等，科學設置后澆帶，從而有效抑制收縮變形。

（4）除前述幾種措施之外，也可以適當采用其他措施。例如，某些位置的應力較高，可以適量配筋。

4.2 預防施工裂縫的控制措施

（1）建議針對施工方法以及工藝流程進行合理地設置，充分考慮可能導致的收縮變形問題，結合這些問題來避開容易誘發此類問題的施工方法。重視襯砌混凝土的養護工作，將濕度以及溫度等環境條件保持在適宜范圍內，有助于抑制早期收縮。盡可能使用機械搗固，提高搗固質量。

（2）針對開挖斷面進行監測分析，采用科學的技術實時進行監控，對于可能出現的超欠挖現象進行嚴格約束。

（3）脫模與養護。混凝土的脫模時間必須嚴格進行控制，在混凝土強度未達到設計、規范及施工方案所要求的拆模周期前，不得強行拆模，在遇到模板變形等特殊情況下，要采取有針對性的措施逐一完成脫模，不得強行用外力拆模；混凝土的養護應嚴格按照規范和施工方案執行，灑水養護的周期和均勻程度應得到保證。必要時，可采用適量的養護液，在彌補傳統養護不足的同時提高混凝土的早期強度。

（4）混凝土拌合。計量時必須依據施工配料單，針對采用的計量設備進行校驗，確保準確性和穩定性，合理設置拌合水量，水量過高或者過低均會產生不利影響；科學控制入模溫度，夏季施工時，澆筑工序可以在夜間或者溫度不高的條件下進行，針對一些碎石原料進行適當沖洗降溫，對砂石等原料以及設備設置遮陰，避免受到溫度過高的影響。

（5）二次襯砌施作必須選擇合適的時間，一般需要在圍巖以及支護變形處于穩定狀態之后實施；如果圍巖存在顯著的變形，則應該強化初期支護后才可夠進行二次襯砌。

（6）結合溫度控制的要求采取相應措施。冬季設置必要的防寒措施；夏季合理控制溫度，避免溫度過高影響石料等。

5 結語

暗挖隧道襯砌形成裂縫是一種常見的缺陷，采用科學的工藝和參數能夠減少或延緩裂縫的形成。本文在研究裂縫產生的原因后，提出相應的措施，制定科學的預防策略，以期為類似暗挖隧道工程襯砌裂縫的預防與控制提供參考和借鑒。