鐵路隧道無(wú)配筋二襯早期裂縫的控制實(shí)踐

張進(jìn)

摘要：混凝土開(kāi)裂的問(wèn)題始終困擾著工程的使用和壽命，施工中如何控制混凝土早期裂縫的產(chǎn)生有著重要意義。在蒙華鐵路MHTJ-17標(biāo)雙線隧道工程中，基于現(xiàn)有的技術(shù)工藝水平，通過(guò)理論分析與實(shí)踐驗(yàn)證，準(zhǔn)確判定二襯混凝土產(chǎn)生裂縫的各種因素，并優(yōu)化施工組織措施，最終無(wú)配筋地段二襯早期裂縫得到有效控制和消除。希望為以后同類混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生和控制提供幫助。

Abstract： The problem of concrete cracking always affects the use and life of the project. It is of great significance to control the early cracks in concrete during construction. In the MHTJ-17 standard double-track tunnel project of Inner Mongolia-Jiangxi Railway， based on the existing technical level， through theoretical analysis and practical verification， it can accurately determine the various factors causing cracks in the secondary lining concrete， and optimize the construction organization measures. Early cracks in the secondary lining of the rib section are effectively controlled and eliminated. It is hoped to help the generation and control of cracks in similar concrete structures in the future.

關(guān)鍵詞：鐵路隧道;無(wú)配筋;早期;裂縫;控制;實(shí)踐;消除

Key words： railway tunnel;no reinforcement;early;crack;control;practice;elimination

中圖分類號(hào)：[U25]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）34-0135-03

0? 引言

混凝土為非均質(zhì)材料，在溫度、濕度等環(huán)境因素影響下，隨著混凝土逐步硬化，水泥石、骨料因其收縮與膨脹差異產(chǎn)生相互約束應(yīng)力出現(xiàn)裂縫，說(shuō)明了混凝土裂縫的固有論和絕對(duì)論。根據(jù)實(shí)際工程調(diào)查，地下工程外墻壁（等同于隧道）的開(kāi)裂數(shù)量占被調(diào)查工程總數(shù)的85%以上，在控制外墻裂縫的技術(shù)難度是很大的，在國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐中都沒(méi)有成熟有效的技術(shù)措施。

蒙華鐵路是我國(guó)首條軸重最重、線路最長(zhǎng)、覆蓋面最廣的煤運(yùn)專用線，是“北煤南運(yùn)”新的國(guó)家戰(zhàn)略運(yùn)輸通道，隧道施工中始終落實(shí)科學(xué)合理的工裝、工藝和工法，強(qiáng)化質(zhì)量控制。然而施工中二襯混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象依舊出現(xiàn)了，且尤其在無(wú)水隧道取消防水板后，二襯無(wú)配筋地段早期裂縫現(xiàn)象嚴(yán)重，直接影響到工程質(zhì)量及運(yùn)營(yíng)使用要求。在混凝土裂縫的絕對(duì)論和固有論的基礎(chǔ)上，從裂縫產(chǎn)生的理論上對(duì)其產(chǎn)生的機(jī)理和施工中的有利和不利因素進(jìn)行闡釋，對(duì)施工缺陷進(jìn)行辨識(shí)和辯證，并提出具體化的施工控制措施，對(duì)開(kāi)裂原因進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，最終克服了多方因素影響，完全消除了此類裂縫，取得了很好的效果。

1? 工程概況

蒙華MHTJ-17標(biāo)段是蒙華公司晉豫指揮部管轄范圍的綜合土建標(biāo)段，標(biāo)段內(nèi)有隧道工程26座，合計(jì)16.8km。標(biāo)段地處山區(qū)，山高谷深，橋隧緊密相連，線路穿過(guò)了多個(gè)大中型斷裂帶，褶皺發(fā)育，巖體多較破碎，局部破碎。標(biāo)段范圍地處暖溫帶向北亞熱帶過(guò)渡地帶，為北亞熱帶季風(fēng)型大陸性氣候，春季冷暖多變，夏季炎熱，雨量集中，秋季氣涼陰雨多，冬季天冷雨雪少，日均最低氣溫為1℃左右。

2? 裂縫的產(chǎn)生與調(diào)查

2.1 裂縫的產(chǎn)生

起初，標(biāo)段內(nèi)先行施工的部分隧道二襯局部發(fā)現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，因裂縫細(xì)微，范圍很小，主要集中在仰拱二襯施工縫不貫通處、投料窗口處，多滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，初步分析為施工過(guò)程中混凝土結(jié)構(gòu)物正常的發(fā)展特征。

根據(jù)要求取消無(wú)水地段防水板后，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)多處縱向及環(huán)向貫通裂縫與長(zhǎng)大無(wú)規(guī)律裂縫共存，裂縫均為貫穿墻厚且寬度大于0.2mm，Ⅲ級(jí)圍巖地段二襯無(wú)配筋處居多，一般在脫模后一天后二襯裂縫集中出現(xiàn)。

2.2 裂縫的調(diào)查

2.2.1 裂縫程度及分布

首先對(duì)標(biāo)段內(nèi)所有隧道重新排查統(tǒng)計(jì)二襯混凝土開(kāi)裂情況。其中無(wú)防水板二襯35板，裂縫共69條，其中<5m的25條，占比36%，≥5m的26條，占比38%，貫通18條（在7板內(nèi)）。占比26%，設(shè)置防水板二襯194板，裂縫共62條，其中<5m的46條，占比74%，≥5m的16條，占比26%，無(wú)貫通裂縫。

設(shè)置防水板地段，裂縫產(chǎn)生的頻率低，數(shù)量少，裂縫較輕微。而取消防水板地段裂縫產(chǎn)生的頻率大大增加，裂縫密度且長(zhǎng)大裂縫密度大，平均裂縫寬度和裂縫間距明顯增大，裂縫現(xiàn)象較嚴(yán)重。

2.2.2 裂縫類型

裂紋大致分三種類型，一種是仰拱施工縫延伸造成的環(huán)向裂縫，第二種是表面收縮裂縫，一般出現(xiàn)在某一板二襯的中間位置，從矮邊墻開(kāi)始環(huán)向延伸，第三種是取消防水板地段出現(xiàn)的縱向裂縫及不規(guī)則裂縫，縱向裂縫一般出現(xiàn)在Ⅳ級(jí)圍巖有鋼架地段，不規(guī)則裂縫一般出現(xiàn)在Ⅲ級(jí)圍巖無(wú)鋼架地段。

2.2.3 裂縫的判定

對(duì)裂縫分析可以看出，產(chǎn)生裂縫的部位大部分為二襯拱墻無(wú)配筋地段， 一般都是拆模1天以后發(fā)現(xiàn)，約5天后裂縫即可停止發(fā)育，這個(gè)過(guò)程正是混凝土早期硬化的過(guò)程，導(dǎo)致其開(kāi)裂的原因，要在前期硬化過(guò)程中查找，失水、沉縮可能性極大。

3? 裂縫產(chǎn)生的理論分析

3.1 外部荷載的影響

蒙華鐵路隧道設(shè)計(jì)原則采用新奧法，即初期支護(hù)承受施工期間的全部荷載，二次襯砌只是長(zhǎng)期性及特殊條件下的在使用過(guò)程中的安全儲(chǔ)備。本工程初期支護(hù)措施采取了比較強(qiáng)的支護(hù)措施，且二襯混凝土施工前初支是經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)已經(jīng)穩(wěn)定無(wú)變形的，可以排除由外荷載引起裂縫的原因。

但是存在仰拱施工縫與二襯施工縫不貫通，或長(zhǎng)仰拱基底受力不均導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，不能排除仰拱不均勻沉降及變形引起上部拱墻變形，造成從仰拱的環(huán)向施工縫或應(yīng)力集中點(diǎn)向上在二襯拱墻產(chǎn)生環(huán)向裂縫。

3.2 混凝土的收縮

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的原因大部分是由于溫度、濕度和不均勻沉降等變形作用引起的。我們知道混凝土的收縮包括“自生收縮”，是混凝土硬化過(guò)程中化學(xué)作用引起的硬化收縮，這種收縮與外界濕度變化無(wú)關(guān)。二是“塑性收縮”，混凝土澆筑4-15小時(shí)，水泥水化反應(yīng)出現(xiàn)泌水及蒸發(fā)引起失水收縮，對(duì)于壁厚較薄的結(jié)構(gòu)因塑性收縮引起裂縫的主要原因。三是“碳化收縮”，在一般環(huán)境中不加以考慮。四是干縮即“失水收縮”是混凝土收縮變形的主要部分。

3.3 溫度應(yīng)力變形

地下隧道的溫度收縮應(yīng)力研究等同于大面積混凝土整體式基礎(chǔ)、底板、地面，該類結(jié)構(gòu)物的特點(diǎn)是厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺寸，受地基較大水平阻力影響造成對(duì)基礎(chǔ)混凝土收縮應(yīng)力的約束影響和約束程度大的特點(diǎn)。在堅(jiān)硬地基高低變化頻繁，大大增加地基阻力系數(shù)和水平應(yīng)力。

收縮及溫差越大、變化速度越快越容易開(kāi)裂，結(jié)構(gòu)越薄溫差梯度越大抵抗溫度收縮應(yīng)力越小、基層對(duì)結(jié)構(gòu)的約束作用越大、結(jié)構(gòu)幾何尺寸越大越容易開(kāi)裂。溫度應(yīng)力首先與溫差成正比，升溫為正，應(yīng)力為負(fù)，引起壓應(yīng)力，降溫為負(fù)，應(yīng)力為正引起拉應(yīng)力，降溫階段，混凝土彈性模量迅速增加，約束拉應(yīng)力也隨著增加超過(guò)抗拉強(qiáng)度即出現(xiàn)貫穿裂縫。

3.4 混凝土的沉縮

因混凝土流動(dòng)性不足或流動(dòng)度過(guò)大，硬化前沒(méi)有沉實(shí)或沉實(shí)不足或不均勻就會(huì)產(chǎn)生裂縫，流動(dòng)度大的混凝土其相對(duì)沉縮變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通干縮變形，容易引起早期裂縫。混凝土的沉縮裂縫與混凝土的沉縮量與流動(dòng)性關(guān)系很大，遇灌注高低差大、混凝土沉縮不均、流動(dòng)性不勻、澆灌速度過(guò)快或慢、硬化不均和差異沉縮產(chǎn)生裂縫。

4? 裂縫施工控制與實(shí)踐驗(yàn)證

4.1 預(yù)防和控制混凝土收縮

4.1.1 自生收縮

施工中混凝土的收縮大都與使用原材料的工作性質(zhì)有關(guān)，本工程中摻加了粉煤灰對(duì)混凝土的抗裂是有益的，選擇了JW-11高性能緩凝減水劑對(duì)混凝土的收縮影響很小，每方膠材用量分別為375kg（其中水泥281kg）、400kg（其中水泥275kg），水灰比分別為0.39、0.41，砂率分別為42%、43%，初凝時(shí)間分別為10h10min、10h55min，塌落度均為180±20mm。水灰比較小，水泥量較少，粗骨料含量、集料級(jí)配經(jīng)試驗(yàn)良好，用水量不大，外加劑減水率符合標(biāo)準(zhǔn)要求、經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察其保水性較好。再有施工中，嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)，尤其對(duì)砂石料的含泥量、集料級(jí)配嚴(yán)格控制，同時(shí)對(duì)外加劑、水泥質(zhì)量波動(dòng)及時(shí)分析總結(jié)，過(guò)程中屢次進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn)，有效的消除和控制了由于混凝土原材料引起的自生收縮變形。

4.1.2 塑性收縮

施工中，一方面嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)，其次強(qiáng)化二襯混凝土施工質(zhì)量控制，對(duì)二襯臺(tái)車工裝進(jìn)行改裝，確?；炷凉嘧⒎謱?、分段均勻灌注均勻振搗。實(shí)現(xiàn)二襯混凝土從下至上利用灌注窗逐窗澆筑、逐窗分層振搗，拱頂逐板注漿，拱頂混凝土采用不少于2個(gè)孔澆筑，邊墻以下部分采用插入式振搗為主，附著式振搗為輔;邊墻以上部分采用附著式振搗為主，合理使用插入式振搗、附著式振搗互補(bǔ)雙控，以施工工藝保證其均勻密實(shí)性。拆模后及時(shí)進(jìn)行自動(dòng)噴淋養(yǎng)護(hù)，達(dá)到混凝土表面“全天候、全濕潤(rùn)、全方位”的養(yǎng)護(hù)效果，固化二襯混凝土原材、半成品、澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)施工標(biāo)準(zhǔn)化工藝，減小混凝土的塑性收縮。

4.1.3 失水收縮

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)膠合材料標(biāo)準(zhǔn)磨細(xì)度、骨料種類不是造成混凝土失水收縮的主要原因，混凝土在灌注完成30小時(shí)左右即開(kāi)始脫模，大面積混凝土表面暴露，雖環(huán)境氣溫不高，但無(wú)法采取覆蓋措施，表面失水是存在的，不可避免產(chǎn)生紋理細(xì)小、走向沒(méi)有規(guī)律、表面性的干縮裂縫。

取消防水板施工段，在二襯臺(tái)車走行合模前提前三天噴水充分濕潤(rùn)初支混凝土表面，但是，初支混凝土表面干燥吸漿吸水現(xiàn)象仍然存在，從某隧道裂縫處取芯樣觀察發(fā)現(xiàn)，初支接觸面水泥漿流失嚴(yán)重，說(shuō)明混凝土在硬化過(guò)程中水分散失較多，干縮較快。

4.2 控制溫度應(yīng)力

4.2.1 溫度應(yīng)力明顯

畢竟隧道二襯屬于薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，尤其Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖地段二襯混凝土厚35cm-40cm，水化熱流失過(guò)快，部分圍巖好如Ⅲa地段，噴混薄，水化熱流失速度會(huì)更快，混凝土溫度下降速度快，溫度梯度大，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力就大，而對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的二襯抵抗溫度收縮應(yīng)力的能力較小、溫度應(yīng)力容易超過(guò)混凝土自身內(nèi)外的抗拉力。

4.2.2 變形約束大

取消防水板后，初支表面局部平整度差、不平順，凹凸不平（根據(jù)規(guī)范要求初支表面平整度深長(zhǎng)比小于1/10即可），噴射混凝土表面摩阻系數(shù)明顯加大，對(duì)混凝土溫度應(yīng)力變形和干縮變形產(chǎn)生了極大的約束應(yīng)力，阻礙了二襯的自由收縮，無(wú)法釋放大部分變形，且二襯混凝土厚度不均勻，應(yīng)力集中也容易導(dǎo)致從較薄弱的部位大面積開(kāi)裂。

4.2.3 減小溫度應(yīng)力約束

在本工程沒(méi)有構(gòu)造鋼筋的情況下，為了提高抗裂性能，設(shè)置滑動(dòng)層和壓縮層，基面形成逐漸變化的過(guò)渡形式，減小地基約束阻力，避免結(jié)構(gòu)或斷面突變產(chǎn)生溫度收縮應(yīng)力集中，同時(shí)設(shè)計(jì)考慮防排水措施也是合理的裂縫防治原理。這就是后來(lái)在施工中增設(shè)防水板與緩沖層的深層原因。

4.2.4 溫差控制

我們知道潮濕狀態(tài)及養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土的影響程度均較大，除保濕養(yǎng)護(hù)外還要控制內(nèi)外溫差。因當(dāng)時(shí)氣溫為0-10℃較低，采用了10-15℃溫水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。但不排除水化熱降溫速率仍較快，可能導(dǎo)致產(chǎn)生溫度收縮應(yīng)力。

但大量的施工經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明，對(duì)于鐵路橋梁隧道的混凝土結(jié)構(gòu)，只要合理選擇水泥品種、標(biāo)號(hào)、用量和外加劑、模板種類，正確確定混凝土配比、入模溫度，改進(jìn)混凝土性能及生產(chǎn)、澆筑工藝，實(shí)施溫度監(jiān)控和正確養(yǎng)護(hù)，完全可以控制混凝土內(nèi)最高溫度與環(huán)境溫度差不大于25℃，保證混凝土內(nèi)外側(cè)、芯部與表面及表面與環(huán)境溫差均小于15℃，根據(jù)二襯試驗(yàn)板的測(cè)溫記錄顯示，也證明這一點(diǎn)，可以排除溫差產(chǎn)生溫度變形的開(kāi)裂。

4.3 解決混凝土差異沉縮問(wèn)題

雖然施工中嚴(yán)格控制較小的水灰比、適當(dāng)緩凝、控制混凝土灌注下料速度、控制溫度、避免失水，再有上部附著式振搗器對(duì)下部混凝土澆灌1-2小時(shí)后進(jìn)行適當(dāng)二次振搗，保證振搗密實(shí);但是實(shí)際施工中還要進(jìn)一步加強(qiáng)控制以下幾點(diǎn)。

4.3.1 杜絕操作缺陷

往往存在個(gè)別混凝土窗口不開(kāi)啟，沒(méi)有做到逐窗進(jìn)灰、拱頂只用一個(gè)孔，灌注不均勻現(xiàn)象;再有插入式振搗棒振搗盯控較難，如插入式振搗棒平拖趕平混凝土，振搗不充分，沒(méi)有達(dá)到振搗勻質(zhì)密實(shí)的要求，此問(wèn)題需要加強(qiáng)盯控及時(shí)糾正。

4.3.2 優(yōu)化施工組織

局部部位混凝土灌注時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，灌注不連續(xù)有時(shí)有停頓間斷現(xiàn)象，灌注速度也無(wú)法避免的出現(xiàn)過(guò)快或過(guò)慢現(xiàn)象，灌注前后上下部混凝土凝固、收縮不均勻，施工中應(yīng)積極協(xié)調(diào)組織。

4.3.3 控制混凝土差異

雖要求對(duì)混凝土出機(jī)混凝土塌落度、溫度、現(xiàn)場(chǎng)性能指標(biāo)、入模溫度嚴(yán)格檢測(cè)控制，保證混凝土入模的工作性能，也不免出現(xiàn)混凝土塌落度、流動(dòng)性時(shí)好時(shí)差存在性能差異，前后澆筑的混凝土沉縮、收縮、變形不一致導(dǎo)致開(kāi)裂，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制出機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)混凝土的工作性能。

4.3.4 工藝影響

拱部混凝土無(wú)法插入式振搗，采用附著式振搗不少于5-15s，在混凝土澆筑2小時(shí)左右即將凝固時(shí)，再次振搗不充分，導(dǎo)致混凝土的密實(shí)度不好，減少微裂和提高強(qiáng)度，提高抗裂性效果不明顯。

普遍存在壓頂方量較大，同時(shí)拱腰以上部位混凝土受初支磨阻力及拱部模板重力坡度小等影響不易下沉密實(shí)，導(dǎo)致混凝土自身沉縮不均勻而出現(xiàn)拱腰縱向裂縫，施工中要加強(qiáng)附著式振搗盡量減小壓頂方量。

4.4 排除其他因素

4.4.1 實(shí)際設(shè)計(jì)特點(diǎn)

大量工程實(shí)踐證明，適當(dāng)配筋能夠提高混凝土的極限拉伸控制收縮裂縫，但現(xiàn)有的鐵路隧道設(shè)計(jì)中，圍巖較好地段是不設(shè)混凝土構(gòu)造配筋的，這樣大大增加了二襯混凝土的開(kāi)裂比例。

按照抗放兼施以放為主的設(shè)計(jì)原則，施工中由于外側(cè)沒(méi)有模板且接觸表面粗糙不平，各結(jié)構(gòu)之間存在某種粘連，變形不自由，結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生約束應(yīng)力，設(shè)計(jì)施工中應(yīng)盡量考慮給予避免。

4.4.2 濕度收縮、溫度應(yīng)力疊加

薄壁結(jié)構(gòu)開(kāi)裂主要因素是收縮，混凝土二襯結(jié)構(gòu)的降溫與收縮幾乎是同時(shí)發(fā)生，混凝土結(jié)構(gòu)將承受互相疊加的拉應(yīng)力，極易開(kāi)裂。施工中還要嚴(yán)格控制溫度、濕度變化，防止其后引起的拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。

4.4.3 施工周期因素影響

初期混凝土模板拆除較早，一般控制在24小時(shí)，雖然強(qiáng)度已經(jīng)滿足要求，但帶模養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短，二襯內(nèi)外側(cè)溫差較大、收縮變形不同步。再有二襯混凝土施工局部有因與仰拱澆筑時(shí)間差較長(zhǎng)，與仰拱收縮變形不同步、不均勻現(xiàn)象。

隨后通過(guò)嚴(yán)格控制了拆模時(shí)間，保持在30-36小時(shí)，此時(shí)混凝土強(qiáng)度達(dá)10MPa以上，抵抗了因早期強(qiáng)度低受自重的影響因素，且混凝土降溫收縮大部分已經(jīng)釋放，同時(shí)盡量縮短二襯與仰拱施工的時(shí)間差，通過(guò)合理的施工組織，消除了因施工周期對(duì)混凝土裂縫的影響。

5? 結(jié)論和建議

經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行定期排查統(tǒng)計(jì)、觀察分析，裂縫沒(méi)有繼續(xù)變化發(fā)展?；诖蟛糠至芽p寬度大于0.2mm，大于國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范和試驗(yàn)資料要求的最大裂縫的控制寬度，根據(jù)裂縫性質(zhì)、部位及隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，此變形裂縫對(duì)承載力無(wú)嚴(yán)重影響，從持久強(qiáng)度和使用要求初步評(píng)定屬于中等程度裂縫，需要適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)處理。

標(biāo)段自2016年12月份設(shè)計(jì)變更取消部分地段防水板后，裂縫問(wèn)題凸顯，經(jīng)過(guò)一系列的分析研究和施工全過(guò)程的主動(dòng)控制，在2017年2月份對(duì)三座隧道二襯混凝土施工進(jìn)行試驗(yàn)，確定各項(xiàng)施工參數(shù)和措施，經(jīng)過(guò)施工實(shí)踐驗(yàn)證，于3月份標(biāo)段內(nèi)二襯裂縫問(wèn)題得到了有效控制，后續(xù)施工沒(méi)有出現(xiàn)類似的裂縫現(xiàn)象，取得了很好的實(shí)際效果?；谀壳暗目茖W(xué)技術(shù)水平現(xiàn)狀下，從設(shè)計(jì)、施工、材料、結(jié)構(gòu)等綜合性因素出發(fā)，研究減輕這種裂縫的方法及控制措施，鐵路隧道無(wú)配筋地段二襯早期裂縫是完全可以消除的。

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