隧道二次衬砌混凝土裂缝成因及防治措施
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摘要：本文通过对公路隧道二次衬砌混凝受力状况进行分析、从地质状况，设计及施工等因素阐述衬砌混凝土裂缝产生的原因，从根本上加强质量控制，提出防治二次衬砌混凝土裂缝的有效措施。
关键词：隧道二次衬砌砼裂缝成因 防治措施
随着近年来经济的发展，我国修建隧道的数量和里程迅速增长，但隧道二次衬砌混凝土出现裂缝已成为一种比较普遍的现象。由于二次衬砌混凝土裂缝对隧道结构体的受力、防排水、外观等方面将产生不良影响，我们必须对裂缝有个客观的认识，对其形成原因加以认真分析，同时在设计和施工等方面采取有效措施来减少裂缝的产生，降低二衬砼裂缝对隧道的影响。
1 衬砌混凝土受力状况分析
二衬砼裂缝产生的时间各有差异，可能出现的时间分别为砼拆模后、砼浇筑后5～6天、隧道贯通后，最长的可能几个月甚至一、二年。
根据目前较先进、并被广泛采用的隧道新奥法（NATM）设计及施工理论的基本思想：隧道的外部荷载主要是围岩压力，隧道承载抵抗力主要是靠隧道初期喷锚支护将隧道周边围岩和初期喷锚支护结构组成综合结构层形成的弧形拱力。《公路隧道设计规范》明确：“计算复合式衬砌时，初期支护应按主要承载结构计算。在Ⅲ类及以下围岩时二次衬砌砼考虑用作部分承载结构，在Ⅳ类及以上围岩时考虑用作安全储备。”当二衬砼结构受到与设计状态不同的应力，且这个应力超过二衬砼自身所能承受的应力时，二衬砼表面将出现水平、竖向、斜向等方向的裂缝。
2 裂缝成因
裂缝产生的原因，客观上是由于地质影响因素存在的不可预见性而不可避免地产生裂缝；主观上一方面是由于设计原因造成的，另一方面是由于施工管理不当造成。
2.1地质影响因素
隧道工程属于地下工程，其受力结构与外部荷载均与地质环境密切相关。首先，隧道地质环境受地壳运动的影响是在不断地变化，但具体如何变化？变化量多大？我们就难以精确地把握；其次，隧道施工时需爆破开挖，施工后要通车运营，那么势必会破坏隧道区域内原有岩体内的内力、水文地质等的原有平衡。虽然我们在施工和运营阶段都可以采取各种措施，在一定程度上监控隧道地质环境的各种变异，但地质因素仍不可避免地影响隧道工程，当这个影响超过二衬砼自身所能承受的应力时，就不可避免地产生一些裂缝。
2.2设计结构计算模式与实际存在差异
公路隧道设计时一般根据隧道埋深情况，分为浅埋隧道、深埋隧道两种情况。在浅埋情况下以洞顶上所覆土压力作为设计荷载；深埋隧道设计时考虑塌落拱效应，计算部分围岩压力。在荷载的计算中采用的是经过调查及试验得到的围岩物理力学参数。这样的设计模式存在以下几个方面的问题：
（1）人为确定的隧道洞室荷载模式尚不能完全代表实际的洞室受力状况，将受力复杂的地下工程采用简单类似、受力明确的框架进行计算，忽略了围岩不均匀性等多方面的特性，而这些特性恰恰是引起二衬砼开裂的重要原因；
（2）设计中采用的许多围岩物理、力学指标在洞室开挖后及运行过程中受地下水、车辆行驶振动等方面的影响而发生变化，但设计计算的过程是无法反映出这方面的变化，以定态参数设计的结构去适应动态的应力变化，难免会出现二衬砼设计抵抗应力达不到外界应力，故二衬砼会出现裂缝；
（3）部分隧道洞室设计断面结构形式与实际受力状态不协调，即洞室断面形式在围岩压力作用下，压力拱轴线与断面环向轴线不协调。断面环向轴线越偏离受力拱轴线，则二衬砼断面上产生的附加应力越大，二衬砼就越容易出现裂缝。因此马蹄形断面形式的隧道较三心圆或割圆断面形式的隧道出现裂缝的情况多。
2.3施工影响的因素
因施工原因影响隧道二衬砼质量，导致二衬砼出现裂缝的因素很多，通过调查分析，认为主要存在以下几个方面：
（1）隧道开挖工艺
隧道开挖光面爆破的效果将直接影响到隧道初期支护的强度和稳定性，这也是造成二衬砼是否出现裂缝的重要因素。
首先，良好的光面爆破效果使开挖断面环向轴线能够与围岩压力拱轴线基本相协调，围岩自拱能力强，表面平顺度有保障，初期支护稳定性好，开挖后围岩对二衬砼的压力小，因此减少了二衬砼产生裂缝的可能；
其次，隧道开挖爆破时的震动力对周边围岩的稳定产生较大的影响，如果周边围岩的沉降收敛变形在较长时间内尚未趋于稳定，则将使二衬砼承受较大的外部压力。
（2）初期支护的平顺度与二衬砼的厚度
初期支护的平顺度直接影响着二衬砼的受力状况及内部收缩变形自由度。良好的平顺度能在一定程度上避免二衬砼外部应力的集中，同时直接影响到二衬砼厚度的均匀性，如果二衬砼的厚度均匀性差，则在外应力作用下极易在厚度薄弱部位出现二衬砼裂缝。
（3）施工量测
隧道一般采用新奥法施工，但实际施工过程中不少施工单位并未真正地按新奥法的要求进行动态的施工管理，尤其在施工过程中没有认真地对待施工量测工作，不能做到以量测资料指导施工与修正设计。在围岩是否收敛稳定确认上，往往通过人眼观察、经验判断代替实际量测，因此常常在围岩尚未真正趋于稳定的情况及浇筑二衬砼，这势必增加二衬砼出现裂缝的可能。
（4）防水卷材
防水卷材是界于初期支护与二衬砼之间的一个结构层。防水卷材所具有的一定厚度及光滑面能为二衬砼提供一定的自由伸缩度，防止二衬砼出现裂缝；同时二衬砼出现裂缝后，防水卷材将发挥起其防渗漏水的作用。如果防水卷材的厚度过薄，一方面降低了二衬砼自由伸缩度，另一方面防水卷材又容易被挤压破坏，导致隧道渗漏水。
（5）衬砌台车模板长度
为提高隧道施工进度，目前施工单位的二衬砼衬砌台车长度都较长，一般为9m~14m，但每模纵向长度越长，二衬砼出现裂缝的可能性则越大。
（6）二衬砼水灰比
为保证二衬砼的密实性和与岩壁的密贴性，目前隧道施工均要求采用泵送砼。但泵送砼的水灰比较大，在二衬砼凝固成型时将产生较大的内部收缩应力，从而可能导致二衬砼出现裂缝。从另外一方面经笔者调查发现，早年不采用泵送砼浇筑的二衬砼出现裂缝的数量反而相对偏少，因此在某种意义上也证明了这一点。
（7）二衬砼中的添加剂
添加剂能提高二衬砼性能，如加膨胀剂能提高砼的抗渗性能，加早强剂有利于及早脱模以加快施工进度等。但添加剂在不同的季节、不同的骨料、不同的水泥中使用均会产生意想不到的“副作用”，这也将导致二衬砼出现裂缝。
（8）二衬砼的养护
一方面，必须保证拆模时的砼强度（即保证拆模时间）。如果拆模时的二衬砼强度过低，极易使二衬砼在拱顶（抗拉）与边墙中部（抗压）的位置出现水平裂缝。同时拆模时如有较大的挠动将直接影响二衬砼内在强度。
另一方面，拆模后必须及时对二衬砼进行洒水养护并注意温差控制。据调查发现：目前大部分隧道施工时，由于施工单位未及时进行洒水养护，而隧道内部的潮气尚不能完全满足砼养护成型需要的水分，将导致砼因内部收缩应力增大而出现裂缝。同时温度对尚未完全养护成型的二衬砼影响较大，在昼夜温差较大或急剧气温变化时极易出现较多的裂缝。
3二次衬砌混凝土裂缝防治措施
3.1设计方面
（1）切实加强地质勘察与试验分析，提供准确的设计参数；
（2）针对不同的地质条件，采用适宜的洞室断面结构，不应在不同的地质条件下都千篇一律地套用同一个洞室断面结构形式；
（3）设计人员应密切注意隧道工程的施工现场情况，根据具体施工工艺与地质情况及时修正设计；
（4）建议适当地增加防水卷材的厚度。根据有关试验验证，防水卷材厚度以1.2~1.5mm为宜；
（5）在条件允许的情况下，建议隧道二衬砼采用具有良好的整体抗拉及抗压性能的钢纤维砼。
3.2 施工方面
(1）切实改进施工工艺，提高隧道开挖的光面爆破效果，同时改进爆破工艺，控制炸药量，以减少开挖爆破时炸药对围岩的扰动，降低外部应力对二衬砼的影响；
(2必须保证初期支护的平顺度及二衬砼的结构层厚度；
（3）二衬砼每模长度不宜超过9m，以减少砼内部的收缩应力；
（4）二衬砼宜采用较大的骨灰比，降低水灰比，并通过全面细致的试验，保证砼外加剂的使用安全；
（5）保证拆模时最后浇筑的二衬砼强度至少达到2.5MPa，同时减少拆模时对砼的挠动；
(6) 及时对二衬砼进行洒水（雾化水）养护，并采取必要措施严格控制砼温度的急剧变化，要求砼拆模时的内外温差不得大于20 0C，养护期内砼表面温度的变化速度不宜大于5 0C/h；
(7) 认真贯彻新奥法施工要求，进行及时、详细的施工量测，以量测的数据及时修正设计并指导施工。
公路隧道衬砌裂缝的治理是一项综合性很强的施工技术，它需要有经验的工程师及时分析施工进展与现场施工数据，调整原设计方案施工细节，以便施工措施更能符合病害实际情况，从而避免在治理段重新产生新的病害
4 结语
隧道二衬砼出现裂缝是一种较普遍的现象。一旦二衬砼出现裂缝，就必须对裂缝进行及时、仔细、认真的观测，以具体的观测数据，通过理论分析，判断二衬砼裂缝的危害程度，并决定是否采取进一步的措施予以处理。
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