跨斷層鐵路隧道二襯混凝土裂縫整治技術研究

趙云龍 ZHAO Yun-long

（中鐵十二局集團第二工程有限公司，太原 030032）

0 引言

1 工程概況

深圳至深汕合作區鐵路塘朗山隧道（西段）的先開段位于廣東省深圳市南山區和羅湖區，線路施工環境復雜，交通疏解困難。此段隧道穿越多條線路，同時地質條件十分復雜，存在多條斷層帶，工程的施工難度較大。

根據圍巖級別和地質情況設置不同形式的襯砌措施，具體不同圍巖級別對應襯砌類型詳見表1。（圖1）

表1 隧道襯砌類型設計參數

圖1 隧道復合式襯砌設計圖

經現場調研發現，該隧道二襯裂縫存在如下特點：①裂縫開裂時間：經過一段時間觀察發現裂縫10 天左右開始產生開裂。②裂縫位置：距端頭4m 左右的位置且左右對稱分布，從底部延伸至起拱線。③裂縫深度：經鉆芯檢測發現部分裂縫已貫通。④裂縫寬度：裂縫的寬度較小，大部分裂縫寬度都小于0.2mm，經過近一周的觀察，發現裂縫寬度無明顯變化。二次襯砌裂縫如圖2 所示。

圖2 隧道二次襯砌典型裂縫實拍圖

2 裂縫產生的原因分析

經過現場調研和相關文獻分析，本工程隧道二襯裂縫主要由以下幾種原因造成。

2.1 外部原因

①隧道所處的斷層地帶通常伴隨著地質構造活動，例如地殼運動和板塊運動。這些運動可能導致地層的應力集中和變形，從而導致隧道內部的結構受到影響。這種地質構造活動會引起內襯的裂縫和裂紋[1]；②當隧道邊墻基礎和仰拱下超挖回填不緊實時，可能會造成虛渣等問題，可能導致隧道發生不均勻沉降和襯砌開裂等現象；③在山嶺隧道內，一般會在襯砌背后安裝排水系統來處理水流。然而，當排水系統發生堵塞時，隧道周圍的水壓會迅速上升，尤其是在持續降雨的情況下。這會導致隧道從拱部到邊墻出現水平開裂，并可能發生環形開裂，同時還伴隨著漏水量的增加或出現漏水點。

軟件應用采用結合我們院咨詢項目和用戶應用相結合的方法，典型工程包括武漢國際博覽中心會議中心綠建咨詢項目，上海虹橋商務區核心區一期綠建咨詢項目，揚中園博園三館建筑設計和能效評價項目，無錫太湖國際博覽中心大酒店能效測評項目，徐州醫學院附屬醫院病房樓能效測評項目，武進影藝宮能效測評項目等。

2.2 施工原因

①混凝土澆筑及振搗的影響：混凝土澆筑間隔時間過長、澆筑不連續、振搗方式不正確產生裂縫；②二襯拆模時間的影響：在進行二襯施工時，未按照相同條件制作養護試塊，而是依賴先前的試驗數據來判斷拆模時間。由于每次澆筑的溫度、濕度等條件存在差異，導致部分二襯在拆模時混凝土強度未達到設計和規范要求，從而引發開裂問題[2]；③養護混凝土時間的影響：未及時對拆模后的二襯進行養護，導致混凝土因內部收縮應力增大而產生裂縫；④施工縫設置的影響：在隧道施工過程中，仰拱及其填充、矮邊墻和二襯的環向施工縫沒有設置在同一環，而是錯開設置，導致仰拱、仰拱填充、矮邊墻和二襯產生沉降不在同一位置，從而拉裂二襯混凝土，導致混凝土產生裂縫。

2.3 材料性能原因

為確保二襯結構的穩定性，二襯的構成材料，如混凝土、鋼筋和防水材料等，必須具備高質量。具體來說，以下是可能影響二襯穩定性的材料性能原因[3]：①混凝土原材料和配合比未符合規定標準。②外加劑未達到質量標準，或者其摻入量超過規定限制。③防水材料的質量未達到規定標準，導致混凝土發生滲水，加速混凝土和鋼筋的劣化。

3 隧道二襯混凝土裂縫整治原則

針對隧道二襯混凝土裂縫的主要原因，我們在吸收同類工程質量整治先進工藝和成功經驗的基礎上，充分傾聽了各參建單位和行業專家的建議。結合實際現場情況，我們明確了以下整治原則。

①由溫差、養護不足、拆模時間短、水泥材質等原因引起的微細裂縫（寬度小于0.2mm）可以由表面覆蓋法處理。它通過在微細裂縫表面涂覆薄膜來修復混凝土微細裂縫，可以采用涂覆裂縫部分或全部涂覆的兩種方法；②可通過低壓注漿法修復因變形縫未設置、施工縫不成環、爆破振動、以及應力集中等原因引起的寬度介于0.2-0.5mm 的二襯混凝土裂縫；③由地質原因、施工進度過快等原因引起的較寬裂縫（寬度大于0.5mm）使用開槽修補法修補。

4 裂縫的治理方法

通過大量的文獻調研，結合現場經驗，二襯裂縫的治理方法包括對圍巖的加固和對裂縫的處理。

4.1 圍巖加固措施

圍巖加固可以提高隧道圍巖巖土體的完整性、強度以及剛度，其主要理念是對破碎圍巖進行固結，使施加在襯砌上的圍巖壓力在大小和方向上更加合理。

錨固注漿法適用于圍巖級別較高的巖土體，裂縫寬度在1～5mm 之間。主要步驟包括在隧道襯砌上進行均勻的鉆孔，孔間距1.2m 為宜，呈梅花形布置，打入中孔螺紋形錨桿并進行注漿，并以防水砂漿封閉裂縫。其示意圖如圖3 所示。

圖3 錨固注漿法示意圖

4.2 隧道二襯加固

4.2.1 表面覆蓋法

①裂縫修補材料：選擇合適的裂縫修補材料，通常采用彈性涂膜防水材料，聚合物水泥膏、聚合物薄膜等，具有較好的粘結性和耐久性。修補材料應具備與混凝土相似的膨脹系數，以防止因溫度變化引起的二襯和修補材料之間的位移差異。

②清理表面：在進行修補前，必須徹底打磨清理裂縫表面，去除灰塵、碎屑、油污等，以確保修補材料能夠充分粘附[4]。打磨區域與裂縫區域的最小距離不小于0.2m[5]，見圖4。

圖4 表面覆蓋法裂縫打磨、涂覆示意圖

③預處理：在裂縫表面涂覆一層預處理劑，以增強修補材料與裂縫表面的粘結性。預處理劑的選擇應考慮其對混凝土和修補材料的相容性。

④修補施工：將修補材料按照生產廠家的建議混合，并在裂縫表面進行修補。修補材料應充分填充裂縫，并平整表面，確保修補層與二襯表面的充分結合。修補材料的涂覆區域與打磨區域的最小區域不小于1m，見圖4。

⑤養護：修補完成后，需要進行適當的養護，保持修補材料在固化過程中的穩定性。養護時間和方法應根據修補材料的特性來確定。

對本工程隧道二襯裂縫采取表面覆蓋法處理的實拍圖如圖5 所示。需要注意的是，表面覆蓋處理主要是應對表面裂縫，對于深層或隱蔽的裂縫，表面覆蓋處理可能無法徹底解決問題。在一些情況下，需要通過其他手段如低壓注漿加固等來處理深層裂縫。

圖5 表面覆蓋法處理隧道二襯裂縫實拍圖

4.2.2 低壓注漿法

低壓注漿法是專門針對寬度介于0.2mm 至0.5mm 的二襯混凝土裂縫而設計的一種處理方法，下面是對該方法流程的詳細介紹：

①選擇注漿材料：選擇適用于盾構隧道二襯裂縫處理的低壓注漿材料，通常選擇環氧樹脂、水溶性聚胺酯等注漿材料[6]。若裂縫無水，則選用前者；反之，則選擇后者。水溶性聚胺酯漿液可在現場通過預聚體配制。具體的配比可參考表2 和表3。

表2 環氧樹脂建議配合比

表3 水溶性聚氨酯建議配合比

②清理裂縫表面：確保沒有積水、泥漿或其它污物，以保證注漿材料能夠充分滲透和固化。

③設備準備：準備注漿設備，包括低壓注漿泵、混合器、注漿管和其他相關設備。

④注漿材料混合：根據制造商提供的說明，將注漿材料按比例混合，確保混合均勻，避免出現固化不良或流動性差的問題。

⑤注漿孔的布置：在裂縫區域布置注漿孔，注漿孔的位置應該根據裂縫的具體情況而定，通常采用等距布置，相鄰注漿孔之間的距離不應超過25cm。注漿孔的角度最好不超過45°，孔深度宜為二次襯砌厚度的2/3。鉆孔時應穿過裂縫，但不能穿透二襯混凝土結構，以確保注漿材料能夠充分填充裂縫，其示意圖如圖6 所示。

圖6 隧道二襯裂縫低壓注漿處理法示意圖

⑥注漿操作：啟動低壓注漿泵，將混合好的注漿材料注入到裂縫中。從最低處開始注漿，逐漸向上進行，確保注漿材料充分滲透到裂縫中，并且填滿整個裂縫。

⑦觀察和監測：在注漿過程中，需要仔細觀察注漿材料的流動情況，確保每個注漿孔都能夠充分注漿。監測注漿后的效果，通常通過觀察裂縫的閉合情況、水滲透的減少等來判斷修復效果。

⑧固化和清理：注漿完成后，等待注漿材料充分固化。清理多余的注漿材料，確保不影響隧道的正常使用。該方法在本工程中的應用如圖7 所示。

圖7 低壓注漿法處理隧道二襯裂縫實拍圖

4.2.3 鑿孔注漿法

鑿孔法適用于由地質原因、施工進度過快等原因引起的較寬裂縫（寬度大于0.5mm）修補。下面是該方法的步驟：①安裝注漿管：首先需要沿著裂縫鑿出一個楔形的小孔。這個孔的寬度一般應為裂縫寬度加40mm，孔底寬度要大于孔口寬度，孔的深度大約為80mm。鑿孔的間距大約為400mm。接下來，將鑿好的孔沖洗干凈，并埋入一個直徑為10mm 的塑料管中。使用密封材料填補塑管周圍的空隙，確保塑管被充分壓實。為了連接注漿設備，注漿管應該外露約90mm；②封縫：需將環氧樹脂涂覆在所有需要灌注的裂縫上；③注漿：進行注漿時從裂縫兩端逐漸向中間進行，確保相鄰孔位采用交叉間隔的方式進行注漿。此時，注漿壓力應保持不低于0.4MPa，同時要確保注漿充分飽滿，直到從排氣孔排出相同稠度的漿液為止；④完成注漿后，需封閉外露的注漿管，以防止漿液外溢，同時采用環氧砂漿將孔口抹平。鑿孔注漿法的示意圖如圖8 所示。

圖8 隧道二襯裂縫鑿孔注漿處理法示意圖

5 隧道二襯裂縫預防措施

①強化隧道超前地質預測，及時察覺隧道前方工程地質變化[7]。在發現異常和變化時，迅速采取應對措施，準確評估隧道不同地段的圍巖壓力、初支和二襯受力情況。對于初期支護和二襯混凝土強度，進行結構受力模擬驗算，確保隧道二襯混凝土強度與結構受力相協調。

②為降低二襯混凝土施工對圍巖及初支變形的影響，應謹慎選擇施工時機。具體而言，在選擇施工時機時，優先考慮隧道周邊變形速率減緩并趨于穩定的階段。此外，施工時水平收斂（在拱腳附近的7 天平均值）應保持在小于0.2mm/d，拱部下沉速度則應保持在小于0.15mm/d 的范圍內。最后，施工前應確保累計位移值已達到極限位移值的80%以上[8]。這一系列的施工前提條件有助于確保在變形趨勢相對平穩的情況下進行二襯混凝土的施工，從而提高隧道工程的穩定性。

③對于隧道二襯混凝土的脫模，必須進行精確掌控。在初期支護變形穩定后，執行二次襯砌施工，此時混凝土的強度應保持不低于10MPa。在特殊環境條件下，混凝土的脫模強度必須符合設計規定；若設計中未具體說明，則應確保不低于設計強度的70%[9]。此外，確保在脫模時，二襯混凝土內部與表層、表層與環境之間的溫差不超過20℃，結構內外側表面的溫差不得大于15℃。在脫模后，務必嚴格執行對二襯混凝土的養護措施。

6 結束語

①在工程施工中，隧道二襯混凝土裂縫經常出現。這些裂縫不僅會影響二襯混凝土結構的受力安全性和耐久性，降低隧道的使用壽命，而且對運營安全造成嚴重的危害和威脅。本研究結合塘朗山隧道二襯裂縫問題，針對不同寬度的裂縫提出了相應的處理措施，同時也提出了隧道二襯裂縫的預防措施，裂縫問題基本得到解決，后續二襯混凝土裂縫出現頻率明顯降低。②隧道二襯混凝土裂縫的形成是一個復雜而多變的過程，需要在工程實施中結合豐富的工程經驗和現場實際情況進行仔細分析研究。針對不同隧道的情況，必須制定切實可行的預防措施和缺陷整治方案，以確保隧道工程的安全性和耐久性。