隧道鋼筋混凝土防開裂施工技術

（吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118）

摘要：由于現有的防開裂施工技術混凝土限制膨脹率高，強度低，裂縫現象嚴重，為此，開展隧道鋼筋混凝土防開裂施工技術研究。在隧道開挖前，搭建復拱鋼架支護，運用噴射混凝土填塞縫隙。固結注漿初支圍巖，形成環向保護殼。隧道開挖后，洞內反向填充，防止坍塌部位變形破壞，并噴射混凝土修復施工面。運用逐榀環形掏槽預留核心土開挖，將填充材料填入裂縫中，提升混凝土襯砌承載能力。在施工過程中，用防水砂漿整平裂縫表面，定期養護。隧道竣工后，對裂縫襯砌斷面進行安全性分析和等級判定。測試結果表明，在隧道施工28 d時，混凝土強度為45 MPa，限制膨脹率為0.045%，符合預期施工效果，裂縫現象得到較好緩解。

關鍵詞：隧道；鋼筋混凝土；防開裂；施工；襯砌斷面

中圖分類號：TU755.9" " " " " " " " 文獻識碼：A" " " " " 文章編號：

Anti-cracking construction technology of reinforced concrete tunnel

HE Tanqing，GAO Bing*，TIAN Yong，HU Yuanhong，HOU Yongqi

（School of Civil Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130118，China）

Abstract：Due to the high limited expansion rate， low strength and serious crack phenomenon of the existing anti-crack construction technology， the research on anti-crack construction technology of reinforced concrete in tunnel is carried out. Before the tunnel excavation， the steel frame support of the compound arch was built and the gaps were filled with shotcrete. The initial surrounding rock is consolidated to form a circumferential protective shell. After the excavation of the tunnel， the hole is reversed filled to prevent the deformation and damage of the collapsed part， and the construction surface is repaired by shotcrete. The core soil is reserved for excavation by one annular cut， and the filling material is filled into the crack to improve the bearing capacity of the concrete lining. In the construction process， the crack surface is levelled with waterproof mortar and maintained regularly. After the tunnel is completed， the safety analysis and grade judgment of the fracture lining section are carried out. The test results show that the concrete strength is 45 MPa and the limited expansion rate is 0.045% at the 28th day of tunnel construction， which is in line with the expected construction effect and the crack phenomenon is well alleviated.

Keywords： tunnel; reinforced concrete; anti-cracking; construction; lining section

0 引言

隧道是現代交通和基礎設施建設中重要的組成部分，而鋼筋混凝土襯砌則是隧道建設中必不可少的一項工程技術。鋼筋混凝土襯砌作為隧道圍巖的保護層，在保證隧道結構安全和穩定的同時，還具備防止巖體風化和水滲透等功能[1]。然而，在襯砌施工過程中，開裂問題常會對隧道的穩定性和使用壽命產生負面影響。

因此，實施有效的襯砌施工技術防止隧道鋼筋混凝土襯砌的開裂顯得至關重要。合理的施工技術和措施可以有效降低襯砌開裂的風險，確保隧道的結構完整性和可持續性使用。隧道襯砌在使用過程中會受到各種力的作用，包括地表載荷、地震荷載以及車輛荷載等。這些作用力會產生內部應力，當應力超過了材料的抗拉強度或抗剪強度時，就會導致襯砌開裂。本文以隧道鋼筋混凝土防開裂施工技術為研究對象，結合實際情況進行測試與分析。通過對隧道鋼筋混凝土襯砌防開裂施工技術的研究和應用，可以有效提高隧道襯砌的穩定性和耐久性，延長隧道的使用壽命，同時降低運營和維護成本。

1 防開裂施工技術

1.1 支護加固支撐

因為混凝土沉降過程速度較快，在收斂過程中容易發生形變，需要搭建復拱鋼架進行表面支護[2]。設定固定支護緩解坍塌問題，提升穩定性。由于拱頂沉降較小時，受力程度不同，初支護噴射混凝土發生形變，存在不同種類的形變現象。在復拱噴射混凝土時，如果沒有完整進行貼合，就會出現縫隙。所以需要用噴射混凝土在縫隙中進行填塞。在搭建支護完成后需要使用Φ17 mm 豎向連接鋼筋，將鋼架固定成一個整體，從而提升鋼架的承壓力度。添加一定的支路，并對其進行焊接處理。處理樁孔平面布置如圖1所示。

對初支圍巖進行固結注漿，形成環向保護殼。圍巖注漿能順利加固。開挖在距離標準線4.3 m處進行注漿。注漿孔孔口選用梅花形進行布設，兩側間距及橫向距離均設定為170 cm。孔口管材質運用70 cm，φ42 mm×51 mm的冷軋無縫鋼管。孔徑設計為φ50 mm，深度為370 cm，注漿孔與路基軸線夾角需要隨時調整。圍巖裂隙選用純水泥漿。注漿材料為水泥液漿，C：S=1：0.5，水泥漿水灰比0.5：1。將不同注漿段進行劃分，并設定注漿順序，將不同的注漿施工過程進行分割，對于同一排孔根據由上至下的順序進行[3]。通常情況下，運用打孔進行注漿。當成孔性能較弱時，應分兩段完成。在初支開裂變形后，如果影響二襯施工時，需要對其進行轉換施工。在施工開槽前，為了防止因振動導致的大量沉降，應當使用重力錘來鑿除鋼架兩側的噴射混凝土。預埋送漿管，選用C235混凝土完成回填，整體回填高度至拱頂6 m為止。這樣在后期開挖過程中，能夠保證施工洞結構的安全[4]。送漿回填需要在管理施工完成后進行，或者在二襯澆筑前進行。由于塌方段會出現難以施工的情況，長度不均勻導致無效對超前管棚進行合理施工。需要在塌方段內進行超前支護。運用108根管，在拱部選取120°的角度范圍進行施工作業，管長度為2 m。由于存在塌方段長度問題，超前加固的長度通常為87 m，施工過程中需要進行分段處理，運用多層小導管沉淀開挖。

變形段經常會發生支護混凝土開裂情況，使得混凝土沉降量增加，為了防止初期支護發生坍塌，需要對其進行加固。在變形初期，選用復拱鋼架進行支護，在圍巖外完成注漿，阻止變形發展。為確保變形換拱段施工安全，通常使用回填洞的方法，對兩側初支進行加固，并保證施工環境的安全性。在施工過程中，不斷循環行檢查并加固。第一榀失效鋼架，寬度略大。每鑿除一單元后，需要及時對下一單元進行施工[5]。進行第二榀施工時，鑿除寬度需要設定在兩者范圍內進行。鑿除時必須使用設備在小部分分段工作，不能繼續做其他處理。直到新換拱架完成安裝后，需要及時對底部進行鎖定。通過橫向連接鋼筋的形式穩定，鎖定桿選用Φ25 mm R155G2鋼筋，間隔長度為5 m，噴射混凝土采用C25的混凝土進行處理，并使用特殊材料進行增強。

為了增加施工過程中的安全性，初支護坍塌后，需要等待塌腔圍巖趨于穩定時，才能繼續進行施工。在洞內反向填充過程中，需要控制坍塌點施工，防止發生破壞牽引，并噴射混凝土修復施工面。在施工過程中注重施工質量，防止坍塌面不斷增加，并為施工提供相對安全的工作環境。在薄膜上鋪上一層毯子，不斷進行濕潤處理。使得混凝土底板保持相對濕潤以提升底板的養護效果。考慮到施工成本，按照施工所需流程在隧洞的養護過程中，運用支撐螺栓進行支護，將使混凝土與支護之間存在一定的縫隙。向縫隙中澆水，并增加拆模時間。在模板拆除后，運用敷貼薄膜法對其進行定期養護。設定養護時間為30 d。

1.2 二次襯砌加固

隧道開挖過程中，需要預留30 cm，運用逐榀環形掏槽進行預留，并對其進行開挖[6]。在此過程中，要對子面進行噴射混凝土封閉，在初支護搭建完成后清掃周圍坍渣，并運用注漿小導管進行加固[7]。運用C35抗壓混凝土，支護為117b的工字鋼，間距0.75 m/榀。預留變形的范圍要求在70 cm±0.5 cm，鋼筋混凝土二襯厚度為78 cm。由于該段填方隧洞頂部施工完成，結構層沒有具體被影響，但是沉降產生的裂縫會發生結構形變。將該段路面瀝青混凝土表面進行清掃，清除不同材料留下的碎石等。根據裂縫寬度，在0.87 mm處存在大量剪切錯動，甚至發生滲水問題。裂縫分布較多，原襯砌結構不能及時進行運用[8]。需要將填充材料填入裂縫當中，提升混凝土襯砌承載能力。使用的填充材料通常為水泥砂漿，填充時，按照裂縫走向鑿出一個內口較大的楔形槽，寬度為5 cm，深度由裂縫深度決定。通常深度為8 cm。用清理設備對縫內浮塵和碎石進行清掃，使得縫內整潔。用底膠在槽周圍及下面不斷涂抹0.75 mm厚的材料并搗固密實。在水泥材料石塊與瀝青混凝土面層中間安置兩層玻璃材質格柵，并再次鋪筑瀝青混凝土面層[9]。同時，保證在施工現場中混凝土材料的平整度。混凝土結構設置對應構件，選取長度為700 mm，寬度為1 777 mm的標準尺寸板材，選擇74 mm×80 mm的杉木格子固定。在拆模過程中，使用的混凝土強度要求在5 MPa以上。混凝土的澆筑溫度控制在8℃～18℃。一次澆筑的長度為5 m，高度為5.6 m，厚度為0.35 m。選用整體性水平分層布料。從首端開始，按照相同的厚度進行澆筑，在澆筑過程中需要不斷進行振搗，等到頂部全部澆筑完成后，再進行下次澆筑。由于澆筑過程中沒有產生上層混凝土傾斜或者坍落等情況，所以表現出較好的澆筑效果。在振搗過程中要注意混凝土跑漿現象，提升混凝土的緊密度。根據頂部厚度計算澆筑過程中需要的混凝土方量，規定布料速度，控制施工中布料厚度。用防水砂漿材料整平裂縫表面，定期完成養護。運用膨脹混凝土對部分開裂處進行防治，可加入適量的聚丙烯纖維及添加劑，以提升混凝土的防水性能，從而延緩開裂。通過對隧道的安全性評價，判定裂縫所在襯砌等級，分析得到裂縫處的襯砌混凝土彈性模量材料參數（見表1）。

通過對裂縫進行評價，對襯砌斷面進行安全性分析，判斷施工裂縫的安全狀態，并調整結構受力需求。將測量裂縫進行相關等級判定。對于評定等級為A類的裂縫，寬度較小時，不做任何處理，運用涂抹添加劑完成防治。等級為B類的裂縫，用鑿槽填充法完成防治[10]。等級為C類，寬度為7 mm的裂縫，通常用碳纖加固。評定為D類，寬度為10 mm的裂縫，運用套襯加固法進行注漿后實施防治[11]。如果襯砌開裂程度大，甚至影響結構正常使用時，可以進行拆除重新加固。

2 實例分析

為了驗證混凝土防開裂技術的應用效果，對施工試驗段進行檢測。在施工過程中，預埋應變測量儀和傳感器，使用接收裝置對測量儀傳輸的測量數據進行采集，并做相應處理。在拱頂混凝土中安裝檢測裝置后，對應變參數的實時數據進行采集，計算得到其混凝土的抗壓強度。預期目標為施工28 d時，混凝土強度在50 MPa以內，限制膨脹率lt;0.050%。

2.1 工程概況

某高速隧道K430+12+250～K430+123為施工路段。該施工區域地面標高為5.0 m～6.0 m，施工區域內地勢相對平坦，沒有明顯的高低起伏，隧道區間線路整體為南北走向。該隧道是一條上下行分離的雙洞隧道，由山嶺重丘區高速公路的一部分組成。隧道的左右洞室凈距大部分在25 m左右。左線隧道長為1 345 m，右線隧道長為1 622 m。設計的行車速度為80 km/h。隧道的凈開挖面積范圍為84.6 ㎡～102.57 ㎡。隧道的平面位于直線、圓曲線的組合曲線上。隧道所處地形為構造侵蝕、溶蝕峰叢槽谷、峽谷及峰叢洼地中山地貌區。沿線地勢陡峻，地形起伏較大，沖溝發育。需要注意的是，該隧道的進出口地形陡峻，與橋梁相連，施工場地狹窄。工程的地質和水文地質條件復雜，存在巖溶發育的情況，局部地段可能會產生突水、突泥、坍塌等不良地質災害。

在混凝土的運輸過程中，應按照運輸距離和所應用的設備情況，根據攪拌過程中提供的環境做到調度規劃。要嚴格遵守混凝土工程澆筑的要求。在運輸時需使用專用的混凝土攪拌設備，運輸的車輛需要增設必要措施，防止出現輪胎打滑現象。在施工過程中，混凝土的溫度為8 ℃，在地表溫度較高時，需要明確施工時間。將具體施工時間安排在晚上。對混凝土進行澆筑過程中要加設大量照明設備。在混凝土運輸時，坍落度要有實際設置。防止因損失嚴重而無法完成澆筑的情況發生。在不影響混凝土強度的條件下，在混凝土攪拌時要加入適量的強度的緩凝劑。同時，不能對混凝土進行注水混合。混凝土澆筑時，要進行貼膜養護。在大體積混凝土拆模后，向混凝土表面灑水，保證混凝土表面能夠長期濕潤。在表面敷貼塑料薄膜，使得水分能在塑料薄膜中存儲，當薄膜內混凝土的水分干燥后再進行補水。對于水平混凝土構件運用灑水方式，對于垂直構件則配合噴射涂養護液進行。運用二維平面應變模型對隧洞結構進行實體單元模擬。添加頂部上下兩端的約束，得到隨著溫度升高，隧洞頂部混凝土發生應變程度結果。

2.2 結果與分析

將采集到的實時數據繪制成隧道襯砌結構的應變-時間曲線（見圖2）。

由圖2得出，混凝土在22 h達到最大應變，此時混凝土中心溫度為50 ℃，經過傳感器測試數據，發現每隔1 h溫度就會增加3 ℃。由于在300 h時，應變程度較之前變低，說明此時混凝土內部降溫速度變快，在一定程度上緩解了溫度下降速度慢的問題。混凝土的膨脹勢能得到應用，能在一定范圍內縮小混凝土發生開裂的可能。當等到60 h時，混凝土應變下降至270.5 μ，70 h應變的速度逐漸趨于平穩，勢能繼續發揮中。

測試現場混凝土抗壓強度，并計算得到限制膨脹率，與正常施工技術進行對比情況見表2。

由表中結果可知，在第28 d時，混凝土的抗壓強度為45 MPa，限制膨脹率在0.045%，符合預期效果，使得抗壓強度能達到C30。同時，混凝土處于收縮補償態勢，減輕了混凝土產生裂縫的情況。較正常施工技術下的抗壓強度38 MPa和限制膨脹率0.048%，具有較強的優勢。

綜上所述，從混凝土現澆結構的應用效果可知，測試段拱頂出現裂縫的情況能夠得到有效緩解。在施工過程中，混凝土開裂后，由于鋼筋沒有混凝土的保護，在空氣中會發生腐蝕等問題，這樣就會使得裂縫越來越大。混凝土出現裂縫，導致作用截面較小，抗拉強度降低。結構發生破壞后，運用本文方法可以防止隧道工程中混凝土產生裂縫。通過對混凝土的澆筑與養護，加強對鋼筋防腐能力的提升，增強混凝土的耐久力。運用抗裂防水方式提升混凝土內部的緊密程度，達到較好的施工效果。

3 結語

通過對混凝土防開裂施工技術的改進和創新，提高了鋼筋混凝土材料的利用率，保證了成型后混凝土的質量。同時提升了施工速度，保證了隧道工程的安全施工。但該設計還存在不足之處，如工期分配不合理、節約施工成本等。今后在研究中，為保證工程項目施工質量，應在不同方向的結構中進行防開裂施工技術應用，對提高結構穩定性加以要求，設計結構優化模型。在施工過程中通過減少施工誤差，加強施工質量，實現更高效、安全的隧道鋼筋混凝土防開裂施工技術施工。

參 考 文 獻

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編輯：楊洋

作者簡介：賀榃清，男，1997，漢族，重慶市，在讀碩士，在讀研究生，研究方向：防災減災工程及防護工程

通訊作者：高兵，1971年，男，漢，吉林省長春市，博士，副教授，研究方向：建筑施工技術、工程項目管理等

聯系方式：吉林長春市南關區永興街道新城大街5088號吉林建筑大學，13883413550

作者簡介：賀榃清（1997～），男，重慶市人，碩士研究生，研究方向：防災減災工程及防護工程。

*通信作者：高 兵（1971～），男，吉林省長春市人，副教授，博士，研究方向：建筑施工技術、工程項目管理等。