朱效荣  1970出生,教授、研究员级高级工程师,北京城建集团高级顾问,冀东发展集团首席科学家。
       论文
 
 
某隧道二次衬砌裂缝成因与预防处理措施
 

某隧道二次衬砌裂缝成因与预防处理措施

周  鹏1,苏海峰1 ,董艳召1,李亚玲2,崔文一1

(1.中建市政建设有限公司,北京  100161;2.中国地质大学(北京)工程技术学院,北京  100083)

 

摘  要:在隧道施工中,二次衬砌是隧道支护体系的重要组成部分,如果二次衬砌施工质量不佳会出现裂缝,影响隧道混凝土衬砌美观,甚至会影响隧道结构的安全,产生不可估计的后果。为保证隧道二次衬砌施工质量及后期运营安全,本文通过对某隧道进行现场排查,进而掌握该隧道二次衬砌裂缝的分布及发育情况,并分析二次衬砌裂缝的形成原因,同时根据工程实际提出了预防及修复措施,为今后二次衬砌施工提供参考,从而在二次衬砌中尽可能少地甚至避免出现裂缝。

关键词:隧道;二次衬砌裂缝;成因;预防措施;修复措施

A tunnel secondary lining cracks and preventive treatment measures

ZHOU Peng1,SU Haifeng1,Dong Yanzhao1,LI Yaling2,CUI Wenyi1

(1.China Construction Municipal Corporation Limited,Beijing 100161,China;

2.School of Engineering and Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

Abstract:In tunnel construction, tunnel support secondary lining is an important part of the system, if the poor quality of secondary lining cracks will affect the appearance of concrete lining the tunnel, and even affect the safety of the tunnel structure, resulting in unpredictable consequences. To ensure the quality of the tunnel secondary lining construction and post-operational safety, this paper on-site investigation of a tunnel, and then grasp the tunnel secondary lining cracks in the distribution and development, and analyze the reasons for the formation of cracks in the secondary lining, but also with practical engineering prevention and rehabilitation measures proposed for future construction of the secondary lining to provide a reference to the secondary lining in even as little as possible to avoid cracks.

Key words:tunnel; secondary lining cracks; causes;precaution; restoration measures

 


1  前言

          

作者简介:周鹏(1981.10-),男,汉族,河北邯郸,毕业于河北理工大学,学士学位,工程师,主要从事公路隧道施工技术与管理工作。

工作单位:中建市政建设有限公司

地    址:北京西四环南路52号中建一局大厦中建市政建设有限公司

电    话:13513532580

邮    编:100161

E-mail:subwayzhou@163.com

通讯地址:山西省阳泉市平定县巨城镇中国石化加油站斜对面中建市政307复线LJ1标项目经理部

邮编:045200

在隧道施工中,二次衬砌(以下简称“二衬”)是必不可少的一步,二衬施工质量的好坏,轻则影响衬砌美观性,重则影响隧道施工质量及运营安全。本文基于某隧道工程实际,通过对二衬裂缝进行现场排查,了解该隧道混凝土二衬裂缝的分布及发育情况,并结合该隧道的施工情况,分析产生二衬裂缝的原因,同时提出了预防及修复措施,从而在今后施工中尽量减少、避免二衬裂缝的出现。

2  某隧道二衬裂缝分布概况

某隧道为分离式公路特长隧道,双向四车道,双洞单向通车。左线全长3540m,右线全长3450m。设计净空(宽×高)为:10.25m×5.0m,净空断面面积S=64.09 m2。地貌属于黄土覆盖低山区,隧道围岩主要由奥陶系中统峰峰组(O2f)石灰岩,石炭系本溪组(C2b)砂岩、泥岩、灰岩、铝土页岩及石炭系太原组(C3t)砂岩及泥岩,第四系中更新统离石组(Q2l)黄土及上更新统马兰组(Q3m)黄土组成。围岩级别以Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级为主,主洞二衬设计参数见表1。


表1  主洞二次衬砌支护设计参数

类型

Ⅴ级

浅埋

Ⅴ级衬砌

Ⅳ级浅埋

Ⅳ级

有仰拱

Ⅳ级

无仰拱

Ⅲ级

衬砌

车行横通道

人行横通道

正常段

加强段

正常段

加强段

衬砌

厚度

(cm)

C25

混凝土

-

-

40

40

35

30

-

25

-

C25钢筋

混凝土

45

45

-

-

-

-

35

-

25

仰拱

厚度

(cm)

C25

混凝土

-

-

40

-

-

-

-

-

-

C25钢筋

混凝土

45

45

-

-

-

-

-

-

-


为了解二衬裂缝的分布情况,作者对该隧道二衬裂缝进行排查,并对排查结果进行详细的记录、统计。根据排查统计的数据可知,该隧道二衬裂缝共有三种:其一,二衬表面(不含矮边墙)纵、环向裂缝(a裂缝);其二,每板二衬施工缝下端矮边墙裂缝(b裂缝);其三,预留洞室顶部拐角裂缝(c裂缝)。107条二衬裂缝中,a裂缝条数(36条)占裂缝总数的33.6%,b裂缝(61条)占57.0%,c裂缝(10条)占9.4%。由此可见,该隧道二衬裂缝主要以矮边墙裂缝为主,次之为二衬表面纵、环向裂缝,而预留洞室顶部拐角裂缝不多见。

3  裂缝成因分析

3.1  荷载问题

荷载过大包括两方面:一是指围岩压力过大,二是指二次衬砌自身重力荷载及矮边墙强度未达要求。就本隧道而言,前者导致二衬裂缝的可能性较小,因为在浇筑二衬时,初支早已完成,根据监控量测数据显示,沉降收敛已趋于稳定,具备二衬施工条件,故可排除因围岩压力过大而导致二衬裂缝产生的可能性。对于长度为12m的隧道二衬台车,每次浇筑混凝土(C25)方量约为120 m3,每方混凝土重约2.4t,则一板二衬的自重可达288t,故矮边墙承受压力约0.34MPa。在实际施工中矮边墙浇筑3天后便开始浇筑二衬,而3天内矮边墙混凝土强度能达到设计强度的30%左右(约7.5MPa),故矮边墙可以承受二衬混凝土的自重。所以,每板二衬施工缝下方矮边墙开裂与荷载无直接关系。

3.2  不均匀沉降

不均匀沉降的因素主要有两个:第一,是因为相邻两板二衬之间的浇筑时间不连续;第二,矮边墙下地基不密实,导致地基承载力不足。在施工过程中因浇筑相邻两板二衬需要经历脱模(一般至少20小时后脱模)、台车定位,所以相邻两板二衬的浇筑时间至少间隔一天,因此相邻两板二衬作用于矮边墙上的力的时间并不连续,这样极有可能导致不均匀沉降。

在浇筑矮边墙之前,地基会经过以下两道工序:地基浮渣整平与浇筑二衬台车行走梁。浮渣主要由隧道下坑道爆破出的碎石和泥土构成,在处理矮边墙地基时仅用挖机整平,而没有进行有效地压实,整平后浇筑行走梁,由于浮渣没有经过较好的处理导致地基承载力不足,进而在二衬浇筑完成后造成不均匀沉降。又因在相邻两板二衬施工缝处矮边墙未设沉降缝,两板二衬的不均匀沉降使矮边墙内产生剪应力,从而导致矮边墙开裂。若剪应力过大矮边墙上的裂缝将延伸展布至二衬内,一般裂缝会延伸至两板二衬中先浇筑的那板二衬中(见图1、图2)。此外,在同一板二衬中央部位也分布有竖向细长裂缝,此裂缝很可能因为该板二衬不同部位地基的不均匀沉降而形成(见图3)。

图1  ZK0+562.5处矮边墙裂缝延伸至二衬中

图2  ZK0+553.5处矮边墙裂缝延伸地面

图3  YK0+741.4处矮边墙裂缝

图4  ZK4+025处预留洞室拐角裂缝

图5  ZK0+650.8处二衬表面裂缝

3.3  应力集中

通过现场排查发现在预留洞室的顶部拐角处亦有裂缝发育。在混凝土构件几何形状、外形尺寸发生突变处会引起局部范围内应力显著增大,产生应力集中,故在预留洞室的拐角处易导致混凝土开裂(图4)。

3.4  温度差异与混凝土自身干缩

大体积混凝土在施工过程中会产生大量水化热量,从而使混凝土内部温度升高,混凝土拆模后由于混凝土内部和表面散热条件不同,容易造成温度变形和温度应力,当这种温度应力和变形超过混凝土的内部约束条件时,就会使混凝土表面产生初始细微裂纹,这种裂纹随着时间的延续会继续扩大,冬季尤为明显。并且,因二衬台车模板为钢板,表面较光滑,使浇筑在上面的混凝土在结合面上抓合力很小,无法抵抗混凝土在硬化过程中因温度改变而产生的收缩变形。同时,因为水泥是水硬性材料,具有干缩性,在硬化初期如果水分不足则可能产生裂缝,这种裂缝多出现在二衬混凝土的表面,比较细?。ㄍ?)。

3.5  其他原因

除了上述四点主要原因外,以下几点也有可能导致二衬裂缝的形成:

(1)多数里程段二衬没有配筋且无仰拱

通过数据统计发现,在素混凝土二衬区域裂缝数量明显多于有衬砌钢筋段的二衬。这说明,有钢筋段二衬在抗裂方面效果比较明显,故二衬裂缝的生成可能与二衬是否有钢筋有关。同样,在有仰拱与无仰拱地段也有同样的问题,加设仰拱形后可使全断面闭合,使得初支与二衬构成了一个有效的整体支护体系,有效预防了支护结构的不均匀沉降。

(2)支护结构与围岩的影响不可忽略

经排查统计,在支护形式(主要指初支)及围岩地质条件变化段,二衬裂缝较为常见。由此说明支护形式的变化及围岩条件差异对二衬裂缝生成的影响不可忽略。

(3)爆破震动的影响

在上、下台阶爆破作业时,由于爆破产生的强烈震动对二衬结构具有一定的损伤,这也是二衬裂缝形成的一个潜在因素。

(4)施工班组的施工技术问题

根据目前二衬作业班组的施工情况来看,该隧道二衬作业班组技术较为娴熟,已有5年左右的施工经验,但是不排除在施工过程因施工技术问题而造成的偶然因素影响二衬的结构。

(5)混凝土使用的水泥、配合比问题

通常水化热大、坍落度越大,也就越容易造成混凝土开裂。

(6)与二衬台车尺寸有关

因二衬台车尺寸长细比过大,也容易因为长方向、短方向收缩应力差别过大造成开裂。

4  裂缝预防及修复措施

根据上述分析的原因及实际施工情况,二衬裂缝有以下预防与修复措施:

4.1  二衬裂缝预防措施

(1)在浇筑二衬台车行走梁、矮边墙之前,将隧道底部基础浮渣充分夯实、压实,保证二衬结构地基基础承载力;

(2)尽可能保证矮边墙的混凝土强度达到可承受二衬荷载后再浇筑二衬,此需要加快下台阶跟进掌子面速度,这样可为矮边墙留出更多施工作业面,同时可保证矮边墙混凝土充分凝结,达到一定的承载强度;

(3)以二衬台车长度作为参考,在浇筑矮边墙时设置变形沉降缝,从而有效避免不均匀沉降导致的矮边墙及二衬开裂;

(4)在预留洞室处加设钢筋网,以此减小应力集中的影响;

(5)二衬浇筑前,落实好模板支设工序,保证二衬台车模板能够发挥最有效的支撑作用;浇筑时,要充分振捣,严格按规范与设计要求施工;浇筑完成后要进行必要的养护,控制好脱模时间,以防过早脱模造成提前加荷;

(6)通过试验优化二次衬砌混凝土的配合比,充分保证混凝土施工质量;

(7)对爆破作业进行必要的改进,以减少爆破震动对二衬结构的损伤。

4.2  二衬裂缝修复措施

根据现有裂缝的情况分析,目前来说,二衬中的裂缝还没有对二衬整体结构构成直接威胁及重大质量、安全隐患。对现有的二衬裂缝可采取以下修复措施:

(1)对于较深较宽的二衬裂缝可对其进行注浆,以水泥浆液填充裂缝;

(2)对于二衬表面的细小裂缝可采用普通水泥、白水泥与建筑胶水混合浆液或环氧树脂系胶结剂进行抹面处理;

(3)若裂缝继续发生明显的变化,出现展布路径更长、宽度更大、深度增加的情况,则需及时采取处理措施,可沿此缝对二衬混凝土进行切割,减少二衬结构整体受力变形。

5  小结

本文通过对某公路隧道二衬裂缝进行现场排查,该隧道二衬裂缝共有三种类型:二衬表面(不含矮边墙)纵、环向裂缝,每板二衬施工缝下端矮边墙裂缝,预留洞室顶部拐角裂缝,且前两类裂缝占到裂缝总数的90%以上。根据现场观测二衬裂缝分布及裂缝的长、宽、深度参数,总结了二衬裂缝的成因并对其进行分析,同时考虑隧道施工情况,提出了二衬裂缝的预防及修复措施。

通过对该隧道二衬裂缝排查分析,当前二衬裂缝没有对二衬结构安全性构成严重威胁,但对二衬质量有一定的影响,所以必须重视二衬裂缝问题。对该隧道而言,应对现有裂缝进行及时修复及后期观测,同时深入探讨裂缝成因及预防措施,从而更加严格控制后期二衬的施工,保证二衬质量。

本文对隧道二衬裂缝的成因分析可能会存在不少纰漏,产生裂缝的具体原因还需进一步研究,更好地预防及修复措施有待继续探讨。

参考文献:

[1] 关宝树. 隧道工程施工要点集[M]. 北京:人民交通出版社,2003:244-247.

[2] JTG/T F60-2009,公路隧道施工技术规范[S].

[3] JTG/T F60-2009,公路隧道施工技术细则[S].

[4] JTG F80/1-2004,公路工程质量检验评定标准(第一册 土建工程)[S].

[5] GB/T 50476-2008,混凝土结构耐久性设计规范[S].


 

 
 

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