隧道衬砌开裂原因分析及其整治

寒区隧道衬砌开裂原因分析及其整治一、隧道设计施工情况1、梅花洞左线隧道设计情况（1）隧道概况梅花洞隧道左幅全长920m，起讫里程为K90+760K91+680，地处吉林省延边朝鲜族自治州龙井市境内。该隧道为复合式衬砌，单心圆弧拱衬砌断面，净宽10.6m，净高7.1m，紧急停车带净宽13.61m，净高7.82m，端墙式洞门。全隧设一处行车横洞，一处紧急停车带。（2）工程与水文地质概况梅花洞隧道在山体鞍部通过，山体走向近南北，洞身段冲沟发育，但无区域性断裂通过。洞身地下水类型为基岩裂隙潜水，部分地段地下水发育，隧道通过地段地层主要由华力西晚期的花岗岩及后期的闪长岩和闪长玢岩组成，上覆第四纪松散堆积层，隧址区基本地震烈度为度，地震动峰值加速度0.1g。（3）隧道所处地区气象条件长珲公路敦化延吉段路线处于东北东部山地湿润季冻区，年平均降水量延吉504.0毫米，历史日最大降水量延吉105.3毫米，初雪10月中旬，终雪在翌年4月，历史最大冻深延吉2.00米。春季干旱多大风，春融期一般在45月上旬。夏季炎热多雨，每年7月至8月是雨季。日极端最高气温延吉37.6，日极端最底气温延吉-32.7。由于该隧道进出口处于沟谷旁，冬季风雪较大，隧道进出口气温较延吉更低一些。（4）隧道横断面设计梅花洞隧道初期支护结构：其中类、类弱围岩初期支护采用格栅及锚网喷形式、类围岩采用锚网喷形式，各类围岩支护参数详见表-1。梅花洞隧道各类围岩支护参数表表-1衬砌类型初期支护二次衬砌仰拱及回填(cm)预支护措施备注锚杆长度(cm)锚杆间距(cm)喷层厚度(cm)模注砼厚度(cm)仰拱回填QM235080*80257040105超前小导管注浆格栅拱架1m/榀SM3-130080*100254040105超前锚杆格栅拱架1m/榀SM330080*100154040105超前锚杆SM4250100*1001235不设不设SM5200120*120830不设不设JJ5250120*120154540105型钢门架MD钢筋混凝土变截面衬砌:拱顶60cm,拱脚80cm（5）隧道防排水设计梅花洞隧道左线采用初期支护与二次衬砌之间设置PVC防水板进行防水，防水板厚度为1.2mm，防水板与初期支护表面设300g/m2的土工布作为缓冲层，二次衬砌采用S8、C30防水混凝土进行自防水。隧道初期支护与防水层之间每隔一定的间距（类围岩5m/道，类围岩10m/道，类围岩15m/道，类围岩20m/道）设置环向50弹簧排水管一条，衬砌两侧的边墙底设置110纵向排水管，然后在仰拱底部每隔25m设置一道110横向排水管将两侧水排至中心排水沟，中心排水沟设于路面以下1.9m处，中心排水沟通过保温出水口将水排出洞外。施工缝处设置中埋式止水带，施工缝处设22螺纹钢筋，长度1.2m，环向间距60cm。（6）隧道设计变更情况梅花洞隧道K91+100K91+053段原设计为类围岩，实际开挖后由于渗水严重且围岩破碎，调整初期支护参数：K91+100+075段局部增加挂网锚喷，挂网85片170m2，增加3米长锚杆50根，局部增加喷砼6.8m3；K91+075+070段钢筋网设置按类围岩段施工，其它支护参数执行原设计；K91+070+058段挂网锚喷，锚杆长度3米，间距1米。K91+504K91+515、K91+532K91+534段开挖后发现围岩严重破碎，将初期支护的原设计的SM3变更为SM3-1，增加15榀格栅拱架，二次衬砌厚度不变。K91+036.5K91+053段原设计为类围岩，开挖后围岩破碎且渗水，施工过程中发生局部坍塌，经现场办公会议研究，决定此段全断面挂双层22钢筋网，纵向间距50cm；环向采用8钢筋作为连接筋，间距60cm。K90+862K90+878段原设计为类围岩，支护形式采用SM3，实际开挖后围岩较破碎，裂隙比较发育，且有淋水现象，局部水平裂隙发育且有坍塌危险，将本段初期支护变更为SM3-1，对出水点较集中处增加双排弹簧排水管，外包土工布，在铺设防水板前每5米设一道环向排水管，每榀格栅拱架增加4根锁脚锚杆，局部坍塌部位用喷射混凝土回填。2、梅花洞隧道施工情况（1）施工概况梅花洞左线隧道于2004年4月开工建设，2004年4月2004年9月由原施工单位进行了上断面K91+680K91+558（长122m）、下断面K91+680K91+606（长74m）的开挖支护；2004年10月我部接管梅花洞隧道工程，为确保隧道洞口段结构稳定，对该段的混凝土仰拱进行了施作；2005年3月18日28日对K91+606K91+558（长48m）段下断面进行了开挖支护，随后便转入全断面法开挖支护，于2005年10月24日前对K91+558K90+800（长758m）段进行了开挖支护；由于进入软弱围岩段，10月24日后便转入台阶法进行施工，2005年11月18日实现了上断面贯通（K90+800K90+760，长40m），2005年10月24日11月27日对K90+800K90+776下断面进行了开挖支护；2006年4月对剩余16m的下断面进行了开挖支护，至此全隧开挖支护工作全部完成。梅花洞隧道二次衬砌工作于2005年6月17日开始，截止2005年10月份梅花洞隧道完成二次衬砌648m，具体段落为K91+680K91+275（长405m）、K91+225K90+982（长243m）；2006年6月26日10月25日完成了剩余272m的二次衬砌，具体段落为K91+225+275、K90+982+760。（2）二衬施工方案及顺序梅花洞隧道采用12m和9m整体式钢模板台车、泵送混凝土入模的施工方案。混凝土生产采用PLD1200型配料机配料、JS750型强制式拌合机搅拌，全过程电脑自动计量。水泥分别采用通化水泥厂山泉牌P.O32.5和吉林市冀东水泥厂万厦牌P.O32.5型水泥，砂采用安图县石门镇镜城砂场所产中粗砂，碎石采用安图县高台石场所产碎石。所有原材料都是在施工现场按规程要求的抽检频率进行抽检合格后才用于混凝土施工中的，混凝土开工前配合比都是经过试验室检验合格、经监理工程师审查后才开始施工的。二次衬砌施工顺序如下：第一步：仰拱及填充：施工中心水沟、拱脚纵向盲沟、横向排水管及环向排水盲沟、边墙防水板、绑扎仰拱钢筋、预留边墙钢筋关模（仰拱端头模、纵向模板、电缆沟基础模板）测量组检查质检工程师检查监理工程师检查混凝土浇筑混凝土养生。第二步：边墙基础施工。边墙基础凿毛处理、基础清理关模测量组复核质检工程师检查监理工程师检查混凝土浇筑混凝土养生。第三步：拱墙衬砌施工。测量组检查超欠挖初期支护基面处理质检工程师检查监理工程师检查铺设土工布、防水板质检工程师检查监理工程师检查模板台车就位预留预埋工程模板架设关挡头模、安装止水带质检工程师检查监理工程师检查混凝土浇筑养生脱模继续养生。二、衬砌混凝土裂纹、裂缝的规律分析梅花洞隧道左线二次衬砌分别是2005年和2006年完成的，2005年和2006年冬季收工时并未发现有裂缝，仅在洞口段附近发现很细的毛细裂纹，2007年春季复工时才发现有环向裂缝，具体情况详见梅花洞隧道裂纹、裂缝展开图（附件-2），并呈现以下规律：1、裂纹、裂缝呈环向分布；2、环向裂纹、裂缝多处于混凝土的中间部位或靠近施工缝附近；3、环向裂纹、裂缝开展大部分呈现从边墙逐渐向拱顶延伸的趋势；4、较多环向裂纹、裂缝与拱脚纵向排水管、中心排水沟之间的横向排水管设置里程相同；5、部分环向裂纹、裂缝与环向预埋钢管重合，部分消防洞室上方出现斜向裂纹、裂缝，始于预埋洞室上方的两个角点处，其方向与水平方向呈现45度角；三、衬砌混凝土裂纹、裂缝的成因分析梅花洞左线隧道裂纹、裂缝出现后，我公司和项目部非常重视，立即组织了隧道专家和工程技术人员对原因进行分析，专家们首先从自身施工情况查找原因，对二衬混凝土强度进行了钻芯取样检验，从试验结果来看芯样的强度符合设计规定和相关规范要求，邀请有资质的单位对混凝土厚度进行地质雷达扫描，检测结果表明衬砌混凝土厚度符合相关设计和规范要求。另外与会专家经过认真分析，认为造成混凝土裂纹、裂缝的形成有以下几方面的因素：1、由于采用整体式钢模板台车、泵送混凝土施工二次衬砌，其工艺要求混凝土本身坍落度较大，流动性要好，再加上12m和9m的模板台车整体式混凝土浇筑，导致以下几方面的问题出现：（1）水化热温度应力增大。有关试验研究表明：当模板台车长度为12m、衬砌厚度为0.8m时，3天龄期的混凝土表面拉应力为0.553MPa，混凝土中心部位的拉应力为0.464MPa，初期支护与二衬接触面呈现压应力，值为-0.558MPa；7天龄期的混凝土表面拉应力为0.304MPa，混凝土中心部位的拉应力为1.187MPa，初期支护与二衬接触面开始表现为拉应力，值为0.232MPa；28天龄期混凝土表面的拉应力为0.364MPa，中心部位的拉应力为1.995MPa，上述试验混凝土标号为C30，每立方米混凝土水泥用量为290kg，并掺加20%的粉煤灰，而梅花洞隧道衬砌混凝土水泥用量为430kg，再加上二衬混凝土脱模后养护不到位等因素造成梅花洞隧道衬砌混凝土水化热温度力增大。（2）干缩变形增大。混凝土干缩可在混凝土表面产生一定的拉应变，但干缩变形数量不大，由于裂纹自表向里发生发展，所以干缩可起到诱发或增大裂纹发生概率的作用。另外，减水剂、引气剂、粉煤灰的掺入，对干缩是有影响的，减水剂可使干缩增大30%50%，引气剂可使干缩增大15%30%，粉煤灰掺入20%时，可使干缩减小20%30%。（3）混凝土自身体积变形增大。混凝土的自身体积变形与水泥品种、水泥用量及掺用混合料种类有关，水泥用量少，自身体积变形小，反之水泥用量越大体积变形也就越大。综上所述，混凝土施工过程中水化热温度应力增大、干缩变形增大、自身体积变形增大，导致混凝土表面出现拉应力，混凝土表面以及结构内部出现了肉眼观测不到的微观裂纹。2、冬季严寒是衬砌混凝土裂纹、裂缝形成的重要外部因素。冬季严寒季节，混凝土因温降会产生较大的拉应力，试验结果表明：若温降14，产生的拉应力=1.1MPa，若温降10，则=0.825MPa，若温降15，则=1.24MPa。梅花洞隧道地区冬、夏季温差近60，按温降与应力变化关系推算，混凝土表面的拉应力高达4.98MPa，已经远远大于C30混凝土容许拉应力。梅花洞隧道二次衬砌混凝土由于水化热温度应力、干缩变形以及混凝土体积变形等因素，在脱模后就形成了很多微观裂纹，在其工作环境产生巨大温降的作用下，在混凝土的最薄弱环节诸多微观裂纹就表现为宏观裂缝；由于整体式钢模衬砌，衬砌混凝土长度为12m，且施工缝处均存在一定的约束，在冬季巨大温降的作用下，造成了衬砌混凝土靠中间部位出现了环向裂纹、裂缝。这种分析与梅花洞隧道裂纹、裂缝是2006年冬季产生的，裂纹、裂缝是环向开裂而且其位置位于混凝土的中间部位的现象是吻合的。根据资料及调查：某铁路隧道地处我国西北部严寒地区，2002年12月2122日工程所在普降大雪，24日早晨气温骤然下降至-28，当天上午观测时，该隧道裂缝明显增大，最大的较23日增大了0.3mm。东北地区某高速公路隧道也存在着较多环向裂纹、裂缝，正在施工中的严寒地区某铁路隧道二衬混凝土也出现了较多环向裂缝。另外小模板衬砌混凝土较整体式模板台车衬砌混凝土裂缝少得多，这基本上可以判定巨大温度变化是裂缝形成并导致其加大的最敏感因素之一。3、拱脚纵向排水管与中心排水沟之间的横向排水管施工对衬砌混凝土环向裂纹、裂缝形成可能有影响。通过展开图分析，部份环向裂纹、裂缝出现的里程与横向排水管设置的里程相同，由于横向排水管施工过程中将隧底的完整基岩进行开挖，横向排水管敷设完毕后用少混凝土将其包裹后进行碴土回填（指SM4、SM5衬砌结构）并夯实，而其它部位则为完整基岩，这造成了隧底刚度的不连续性，对衬砌混凝土环向裂纹、裂缝的形成可能有影响。4、洞身预埋钢管以及预留洞室对衬砌混凝土裂纹、裂缝有一定影响。洞身预埋钢管处沿钢管表面的混凝土不同程度的开裂，因为预埋钢管的保护层较小，混凝土施工过程中粗骨料很难进入保护层内，其保护层均由砂浆充填，混凝土脱模后由于钢管变形或钢管变形与混凝土变形不同步，造成了钢管保护层的混凝土沿钢管方向出现裂纹、裂缝。预留面积较大的消防洞室在衬砌模板台车脱模后，洞室的角点处出现应力集中，从两个角点开始出现斜向45的裂纹、裂缝。铁路隧道施工中，大小避车洞起拱线处出现的这种裂缝较多。5、梅花洞隧道施工过程中的特殊性：1）右线隧道爆破振动对左线隧道衬砌裂纹、裂缝的形成及发展有一定的影响。梅花洞隧道左、右线的间距为32m左右，右线在全断面开挖爆破，而左线同时进行二次衬砌，右线隧道爆破对左线二次衬砌有一定的影响。2）左线大批载重5060T车辆通行对刚脱模的衬砌混凝土裂纹、裂缝的发展也有一定的影响。2006年左线隧道正在进行衬砌的同时，大批的重载施工车辆通行于隧道中，而且车速快，造成隧道内风速较大，对微观裂纹的形成有直接影响。3）梅花洞隧道短且全隧为直线段，隧道贯通后洞内风速大，空气干燥、洞内外温差小。4）灌注混凝土速度较快也是产生混凝土裂纹、裂缝的因素之一。5）混凝土脱模后养护不到位也是产生混凝土裂纹、裂缝的因素之一。6）梅花洞隧道地下水发育，开挖过程中渗水量较大也是混凝土产生裂纹、裂缝的因素之一。高严寒地区隧道二衬混凝土出现裂纹、裂缝是一种较为普遍的现象，其成因是多方面的，是多种因素综合作用的结果。四、衬砌混凝土裂缝建议整治方案由于隧道支护结构的强度及衬砌厚度满足设计要求，隧道产生裂缝是不良现象，但环向裂缝不影响支护结构的承载能力，可视为工作缝或沉降缝，因此，对梅花洞隧道衬砌混凝土裂缝拟采用冶金工业部建筑研究总院北京冶建工程裂缝处理中心提供的YJ-自动压入灌浆技术方案，灌注的浆液为AB树脂，其采用低粘度环氧树脂、高聚物乳液等为主剂，配以添加剂、活性助剂改性研制而成，AB树脂的性能参数详见附件-1。YJ-自动压力灌浆器是一种袖珍式可对混凝土微细裂缝进行自动灌浆注入的新型工具，注浆时根据裂缝长度可数个或数十个同时并用，不断注入树脂，并可用肉眼直接观察和确认注入情况。1、施工顺序：清洁裂缝、统计裂缝宽度预留注浆口封闭裂缝安设注浆底座浆液注入拆除灌浆器清除封缝胶及底座。1、清洗裂缝表面2、确定注浆口4、裂缝表面封堵3、安装注浆底座5、自动低压注浆6、混凝土表面恢复原状图-1 低压自动灌浆技术施工顺序图2、施工要点 仔细测量裂缝宽度、长度和基层状况。以裂缝为中心，将10cm宽度范围内衬砌混凝土表面的灰尘、油污清理干净。 确定注浆口：注浆口间距应根据裂缝宽度确定，一般裂缝宽度在0.3mm以下的注浆口间距为2030cm；宽度在0.30.5mm之间的注浆口间距为3040cm；宽度在0.5mm以上的注浆口间距为4050cm。每条裂缝的起点和终点均要设置注入口。注入口位置应尽量设在裂缝较宽、开口较通畅的部位，设置方式在需要留注入口的位置贴上胶带。 安设灌浆底座：揭去预留注入口上的胶带，用封缝胶将底座粘于注浆口上。施工过程中应注意，底座上的封缝胶一定要涂均匀，注浆口周围不能出现漏浆的现象；也不能出现底座下面裂缝被封缝胶给封死而出现浆液不能被注入裂缝的现象。注浆底座安设完成后要认真仔细检查是否将注浆底座周围裂缝封闭好，施工技术人员应及时进行抽查。 采用专用快干型封缝胶沿裂缝表面均匀涂刮，封缝胶的涂刮宽度以能封闭裂缝为宜，一般控制在57cm，厚度在12mm。施工过程中应注意封缝胶一定要将裂缝除注浆口外全部封闭，否则在注浆过程中可能产生漏浆现象。 改良后的环氧树脂为甲、乙两组分胶液，使用时按甲:乙=4:1（重量比）的配合比混合均匀后方可注入。混合后的树脂50分钟之内不会硬化，50分钟后就会出现硬化现象，树脂的混合液应随配随用，一次配合量以不超过500g为宜。注浆顺序应由低向高进行，先注较低部位的注浆口，再注较高部位的注浆口，一般情况下奇数系列的底座作为注浆口，偶数系列底座作为观察口，若此口有浆液冒出说明注浆口与此口之间的裂缝已被浆液注满。 待注入速度降低确认不再进胶、此口上面的注浆口冒浆后，可拆除灌浆器，用堵头将底座堵死，待树脂固化后敲掉底座及堵头，清除混凝土衬砌表面的封缝胶，使之恢复原状。五、对控制、减少目前施工中的衬砌混凝土裂纹、裂缝的措施为控制、减少衬砌混凝土裂纹、裂缝，下一步我们将采取以下措施：1、混凝土施工施工方面：采用P.O.42.5型水泥取代P.O.32.5型水泥，并掺加适量粉煤灰以降低每方混凝土的水泥用量，降低水化热，施工中严格控制混凝土的坍落度并加强混凝土养生，以降低混凝土本身的温度应力、干缩和自身体积变形。2、衬砌混凝土施工宜采用边墙基础与拱墙衬砌一次成形的施工工艺；3、减弱衬砌混凝土施工缝处的约束，将施工缝的连接钢筋增设套管，使混凝土自身形变时，减少对其约束。4、适当延长混凝土脱模时间，混凝土施工期间洞内不允许通车，洞门应增设棉帘子，以保证洞内的湿度。5、加强混凝土脱模后的养生工作，混凝土表面用土工布覆盖并洒水的方式进行养护。6、混凝土脱模后施工缝部位立即用切割机将其断开，以保证混凝土自由胀缩。7、加强混凝土施工工艺控制，严禁施工人员随意调整坍落度。8、边墙底部设的纵横向盲沟处的墙基进行加固处理。9、适当加大预埋管的保护层厚度。 - 14 -