郁前军 上海铁路局九景衢铁路指挥部

衢宁铁路松阳隧道二衬混凝土裂缝原因分析及整治

郁前军 上海铁路局九景衢铁路指挥部

根据隧道二衬混凝土裂缝分布特点分析出现裂缝的原因，提出施工缝对齐、仰拱沉降观察、改进衬砌浇筑工艺、控制原材料质量等裂缝防治措施，并分类采取裂缝表面封闭修复和裂缝注浆修复的整治措施。

隧道；裂缝；整治

衢宁铁路全长366.5 km,其中浙江省境内206.9 km，隧道46座，共124.36 km。10 km以上隧道4座，其中松阳隧道就是其中之一。

松阳隧道为单线单洞隧道，起讫里程DK97+211～DK110+ 377.5，全长13 166.5m。施工分明洞、大路下斜井及孔漕源斜井3个工作段面组织施工，明洞工区向小里程施工179 m，向大里程施工2 800 m。在明洞向二端施工中隧道二衬混凝土连续出现裂缝。

1 地质地貌情况

明洞二端山体存在偏压、浅埋，同时洞顶存在蒙脱石、高岭土等不良地质，设计围岩等级均为Ⅳ级和Ⅴ级。

2 裂缝分布特点

（1）裂缝分布范围

集中在明洞口向小里程130 m范围，向大里程300 m的范围。

（2）裂缝水平角度

裂缝角度为斜向上发展，0～45°区间有5条，占总数的9%；45°～90°区间50条，占总数的91%。

（3）裂缝发育起始点

自仰拱施工缝处开始发育的有38条，占总数的70%；自综合洞室衬砌端头等其它位置开始发育17条，占总数的30%。

（4）裂缝尺寸

裂缝长度为（1～5）m，宽度为（0.1～1.5）mm,深度为（20～50）mm。

施工中二衬出现裂缝是常见的一种病害，一般情况下表层的裂缝对隧道的结构不会产生威胁，但是任其发展，长时间的裂隙水的渗透衬砌对围岩支承能力降低，难以保持围岩稳定，特别是对涌水量较大的隧道造成难以整治的渗漏水病害，对列车运营造成安全隐患。

3 二衬裂缝原因分析

3.1 仰拱与二衬施工缝不对应产生应力集中

通常一板二衬施作为12 m，仰拱为6 m。由于仰拱施工缝与二衬施工缝没有对齐，不在一个段面上，仰拱与二衬混凝土分批浇筑，龄期差引起的二者收缩变形不同步，且相互约束，加之二衬与仰拱施工缝不对应造成的缺口效应，致使局部收缩应力集中导致裂缝从仰拱施工缝处开始发育（见图1）。

图1 二衬施工缝与仰拱施工缝不对应产生应力集中

原始施工记录显示，出现裂缝区域的二衬滞后于仰拱14～60天施工，先浇筑和后浇筑之间的相互约束造成收缩错缝，超过混凝土的抗拉强度造成开裂。

3.2 地基承载力的影响

明洞二端山体存在偏压、浅埋，围岩等级均为Ⅳ级和Ⅴ级，隧道开挖对山体的扰动影响地基承载力。仰拱施工时基底虚碴没有清理干净，造成基底沉降不均匀，影响二衬混凝土整体应力分布，衬砌混凝土就会出现裂缝。

3.3 爆破震动影响

二衬混凝土每板灌注时间长达10 h以上，掌子面可能发生放炮、出碴，掌子面的爆破冲击震动和重载车辆通行时发生震动，对新浇筑的二衬影响非常大。由于二衬和仰拱施工缝不对齐，二衬压到仰拱上面断缝的位置，爆破震动时首先作用在有断缝的位置使仰拱上下振动，从而在仰拱施工缝位置把二衬混凝土摆裂。

3.4 原材料质量对衬砌的影响

（1）水泥游离氧化钙比表面积超标对混凝土质量的影响。水泥中游离氧化钙、铝酸三钙、碱含量过高、细度过细往往会引起混凝土开裂。现在铁路建设用的水泥要求游离氧化钙在1%以下，比表面积（300～350）m2/kg。由于现在水泥市场供大于求，厂家为了在市场上占有一席之地，采用是低价中标，为降低成本大量增加粉煤灰矿粉等矿物掺和料，水泥越磨越细。公路、市政、房建等工程对水泥比表面积要求300m2/kg以上即可，而水泥厂对铁路建设用的水泥没有专用的设备和储存设施，属共用。因此送到铁路隧道工地的水泥技术指标极容易超标。水泥越细水化速度加快，吸附更多的减水剂和水，释放大量的水化热，引起混凝土开裂。水泥中的游离氧化钙超标，往往会引起水泥体积安定性不良，也是引起混凝土早期开裂的因素。而水泥中碱含量过高，过量的碱与骨料中的活性SiO2发生碱骨料反应，生成膨胀的碱硅酸盐凝胶体，也会导致混凝土开裂。

（2）水泥新鲜程度对混凝土的影响。供应商为了赶进度，有时把刚生产出来的水泥就运到工地，罐体发烫，水泥温度很高，当现场使用刚磨出来还未来不及散失热量的水泥拌制混凝土，水化快，释放热量大，需水量大，对减水剂的吸附量也大，减水率降低，坍落度损失明显加快，影响混凝土的质量。

3.5 现场施工不当的影响

（1）混凝土拆模过早，混凝土强度达不到设计强度或拆模后养护不当是衬砌开裂的重要原因之一。

（2）养护不当的影响。隧道在初期支护和二次衬砌之间设有防水板、土工布，故混凝土和外界热交换主要发生于衬砌表面，混凝土灌注后，由于水泥水化热使混凝土温度升高，一般3～5天达到峰值，此后温度下降（见图2），由于养护不当，当混凝土体积收缩，使衬砌受拉应力，拉应力超过混凝土极限时衬砌表面开裂。

图2 水泥水化热与时间关系

4 二衬混凝土裂缝防治措施

二衬混凝土裂缝是多种因素综合作用的结果，故在施工过程中应综合考虑加以防治。

4.1 施工缝对齐控制

为了避免仰拱施工缝与二衬施工缝不对应而产生的缺口效应，提前安排仰 拱施工缝留置位，仰拱小边墙与二衬施工缝保持一致。

4.2 仰拱沉降观察

（1）仰拱和底板浇筑混凝土前，必须采用高压水和高压风将基底虚碴清理干净，有水的地段在仰拱端模外1 m位置设置集水坑，集水坑水位必须低于仰拱底面，保证基底无虚碴无积水的情况下浇筑底板和仰拱。现场技术人员必须严格把关。

（2）选定试验段。根据不同隧道不同围岩选定试验段，仰拱浇筑完后在填充表面设置沉降测点，每天进行观察并做好记录。仰拱沉降稳定后方可进行下的道工序施工。

4.3 改进衬砌浇筑工艺

（1）改进混凝土投料布料方式：每浇筑层在中间及两端三个投料孔均匀投料，每车混凝土左右侧各投1/2,保证浇筑过程中分层、对称浇筑，并振捣到位。加强振捣,加固端头模板，调整附着式振捣器位置，加强端头模板附近混凝土振捣。

（2）延长脱模时间，加强混凝土养护：二衬脱模混凝土强度应大于8 MPa以上。脱模后加强混凝土养护，养护时间3～7天，每天洒水养护3次以上，保证养护水与混凝土表面温差小于15℃，且混凝土表面处于潮湿状态。

4.4 原材质量控制

（1）水泥比表面积和游离氧化钙纳入常规检测项目。每车次水泥进场均应由试验室检验比表面积指标，合格后方可卸车，其余各项指标检验合格后准予使用。每批次粉煤灰进场拌和站试验室应检验细度、烧失量、需水量比等指标。

（2）为确保水泥的稳定性要求水泥厂家设置铁路专用的水泥生产线和储存设施。

（3）粗、细骨料严格按铁路验标TB10424-2010的要求检验。

（4）减水剂必须保证原厂生产，经出厂检验合格的产品。严禁在现场复配，进场减水剂外包装应用明确的标识和封条，随车携带出厂过磅单据、过路费单据、发料单、材质单、产品合格证明每一批进场必须做匀质性试验，合格后方能使用。存储要有遮阳保温措施，夏季严禁暴晒。

5 裂缝整治措施

当二衬混凝土裂缝基本稳定不再发展时，采用分类进行处理：

（1）裂缝宽度小于0.2 mm的裂缝采用表面封闭工艺进行修复。

（2）裂缝宽度大于等于0.2 mm的裂缝采用低压注浆工艺进行修复。

5.1 二衬砼裂缝表面封闭修复方案

（1）修补材料。选用CARS-J型修补材料进行表面封闭修复处理，该材料是由高分子乳液和无机粉料构成的双组份新型防水涂料，其技术指标见表1。

表1 CARS-J型表面封闭材料技术指标

CARS-J型表面封闭材料具有如下特点：

①材料与基面的亲和性好。即使基面较为潮湿（无明水）的情况下，也不会影响施工；

②冷施工，涂层整体性强，对异形部位适应性强。材料结构缺陷少，柔韧性好，耐久性高；

③可以灵活地设计材料的性能。可以通过调节聚合物乳液和粉料以及助剂的比例，来得到不同性能的产品。

（2）修补机具。主要用到的修补机具包括：钢丝刷、砂纸、真空吸尘器、吹风机、角磨机、喷枪、毛刷、羊毛辊、手持式搅拌器等。

（3）修补工艺。①基层处理。用钢丝刷或砂纸对旧混凝土表面进行清理，除掉表面灰尘、杂质清理干净后，用清水进行冲洗，清理出坚硬的混 凝土表面；②界面处理。在正式刷涂涂料前，将乳液与粉料按1：1比例混合搅拌均匀，对于小面积修补采用毛刷刷涂或羊毛辊辊涂，对于大面积修补采用喷枪喷涂，界面剂触干后即可进行下一步涂料的施工；③涂料涂覆。用涂覆工具毛刷、辊子（小面积施工）或手持式喷枪等（大面积施工）按“十字法”涂覆 2～3次，两次涂覆方向相互垂直，各层之间的时间间隔以前一层涂膜不粘手为准。在大风干燥等条件下适当采取薄膜覆盖等方法养护，防止涂层材料失水过快导致涂层开裂。

5.2 二衬砼裂缝注浆修复方案

（1）修补材料。二衬混凝土裂缝采用低压注浆工艺进行修补，宜采用CARS-B低粘度树脂材料，该材料的技术指标如表2所示。

表2 CARS-B型低粘度树脂材料技术指标

该工艺的关键在于修补材料的选取，要求修补材料具有较低的粘度、较长的适用期，能够在外加压力作用下渗透到混凝土的 细微裂缝中；具有较好的环境适应性，可以在较低的温度及潮湿 环境中固化；具有较高的粘接强度、抗拉强度和抗压强度，可以 对结构起到较好的补强作用。

（2）修补机具。低压注浆器、毛刷、吹风机、角磨机、电子称、喷枪等。

（3）修补工艺。①用钢丝刷、毛刷等清理裂缝表面灰尘及浮渣，采用吹风机或者高压空气清除裂缝内的灰尘及杂物等；②采用专用封缝材料沿裂缝走向将裂缝周围封闭，在预留注浆嘴位置设置注浆嘴，防止封缝材料将注浆嘴堵塞；③待封缝材料完全固化后，按照低粘度树脂材料的配比将A、B两组分混合均匀后，采用低压注浆器吸取胶液，并与注浆嘴连接，开始自动缓慢注入低粘度树脂材料；④待注浆器内浆液全部渗入后不断补充注浆，浆液能够渗透至极细微的裂缝，直至浆液不再向下渗透为止；⑤待修补材料完全固化后，用角磨机打磨去除表面修补材料，直至表面平整。最后在表面喷涂或刷涂一层聚合物水泥浆 (（CARS-J型修补材料）保护层。

责任编辑：许耀元

来稿日期：2016-08-31