鐵路隧道預(yù)留室襯砌開裂成因及防治措施

李金攀

（中鐵二十二局集團第四工程有限公司，天津301700）

1 工程概況

何家地隧道位于云貴高原侵蝕構(gòu)造中低山區(qū)，雙線隧道，設(shè)計為單面坡，起訖里程DK974+535～DK977+232，全長2 697m。隧區(qū)內(nèi)地形總體為東低西高，最大埋深364m，正常涌水量14 800m3/d，雨洪期最大涌水量30 200m3/d。隧道出口段覆蓋有0～2m 粉質(zhì)黏土，洞門及塹坡地質(zhì)條件較差，采用明挖法施工。出口端地層為含煤地層，部分瓦斯氣體可能沿裂隙在洞身附近積聚，施工時應(yīng)加強監(jiān)測及通風(fēng)。全隧Ⅲ級圍巖總長1 415m，Ⅳ級圍巖長度為675m，Ⅴ級圍巖長度為442m，Ⅱ級圍巖長165m。

施工便道數(shù)量見表1。便道斷面形式見圖1。

表1 何家地隧道施工便道數(shù)量表

圖1 施工便道斷面結(jié)構(gòu)示意圖

2 形成原因

2.1 混凝土溫度差產(chǎn)生裂縫

隧道工程需要對主體及部分結(jié)構(gòu)實行混凝土澆筑，混凝土在澆筑完成溫度下降后產(chǎn)生水熱化，導(dǎo)致混凝土表面溫度遠遠低于內(nèi)部溫度，即使混凝土表面無荷載，其內(nèi)部也會產(chǎn)生一定的應(yīng)力?；炷劣不捌趶姸冗€未達到標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力過大會造成混凝土破裂，并產(chǎn)生裂縫，這種裂縫的產(chǎn)生與溫度有關(guān)。當(dāng)混凝土澆筑體積過大時，也容易因溫度差產(chǎn)生裂縫，主要原因是混凝土體積大，其內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力就大，不容易散熱，混凝土表面和內(nèi)部的溫差也更大【1】。因溫度差產(chǎn)生的裂縫非常普遍且沒有有效的解決辦法，一般情況下會通過控制表面溫度，或者澆筑完成后科學(xué)養(yǎng)護，避免裂縫寬度過大產(chǎn)生其他影響。

2.2 混凝土濕度差產(chǎn)生干縮裂縫

混凝土澆筑之后，表面濕度會迅速下降，而內(nèi)部濕度需要長時間揮發(fā)。因內(nèi)外濕度差異將產(chǎn)生干縮裂縫，主要是因為混凝土表面收縮速度更快，而內(nèi)部收縮程度偏低，混凝土表面和內(nèi)部會產(chǎn)生抵抗拉力的應(yīng)力，很容易導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生裂縫。一般情況下，混凝土表面會產(chǎn)生干縮裂縫，且裂縫方向各有不同，錯綜復(fù)雜。水泥品種、砂礫質(zhì)量、外加劑質(zhì)量、水泥用量、水灰比例等都是導(dǎo)致混凝土干縮裂縫產(chǎn)生的因素。

2.3 養(yǎng)護不到位產(chǎn)生荷載變形裂縫

混凝土澆筑和后期養(yǎng)護都會影響荷載變形裂縫的產(chǎn)生，部分隧道工程因施工中一些其他原因?qū)е鹿て谘诱`需要在后期施工中加快施工速度，因此混凝土在澆筑完成之后缺乏充足的養(yǎng)護時間，影響了混凝土強度，沒有足夠的荷載能力從而產(chǎn)生裂縫。另一方面，趕工期使施工質(zhì)量無法得到保證，很難避免混凝土發(fā)生沉降，從而出現(xiàn)裂縫。

2.4 案例分析

何家地隧道預(yù)留室襯砌開裂原因具體分析如下：

1）地質(zhì)設(shè)計原因。隧道施工現(xiàn)場地處大山深處，其地區(qū)應(yīng)力較大，最高可達21.3MPa，隧區(qū)位于華夏系構(gòu)造，隨區(qū)內(nèi)巖層單斜、巖層節(jié)理裂隙發(fā)育。隧道進口段主要發(fā)育2 組節(jié)理，節(jié)理產(chǎn)狀分別為N75°E/75°S、N-S75°E/75°W，較規(guī)則，呈共軛X型，以構(gòu)造型為主，節(jié)理間距多數(shù)＜0.40m，多呈密閉型，部分為微張裂隙，少有充填物。節(jié)理較發(fā)育～發(fā)育，巖體被節(jié)理切成塊狀。隧道出口段主要節(jié)理有2 組，分別為N20°E/36°N、N50°W/90°。泥巖中節(jié)理間距0.2～0.5m，砂巖中節(jié)距0.4～0.8m。在隧道施工期間，隨著圍巖壓力增大，圍巖變形嚴(yán)重，二次襯砌承載能力不足，最后導(dǎo)致開裂。

2）線性施工因素。位于2 條間距較小的并行隧道處發(fā)生開裂，并行隧道的施工難度較大，彼此產(chǎn)生的影響較大。若在后續(xù)隧道開挖施工過程中，隧道圍巖的承重力分布不均勻，前期施工部分很容易發(fā)生開裂。

3）原材料質(zhì)量不達標(biāo)?；炷敛牧腺|(zhì)量的優(yōu)劣會影響裂縫的產(chǎn)生，材料使用不當(dāng)會影響混凝土質(zhì)量，從而促使裂縫的產(chǎn)生。因此，在原材料進場前后，一定要嚴(yán)格進行質(zhì)量檢測，避免裂縫問題的產(chǎn)生。

3 防治措施

3.1 勘查數(shù)據(jù)要精準(zhǔn)

隧道工程在設(shè)計之初就要綜合考慮各方面施工因素，負責(zé)地質(zhì)勘查的工作人員要認真負責(zé)，克服隧道工程施工地區(qū)的地形阻礙，確?？辈閿?shù)據(jù)的精確性。同時，要不斷創(chuàng)新和發(fā)展高技術(shù)勘查手段，為隧道工程高質(zhì)量設(shè)計提供支持。

3.2 原材料的選擇和使用要規(guī)范化

隧道工程施工中所用到的原材料一定要保質(zhì)保量，具體有以下幾種。

1）水泥：水泥有多種品牌和型號，在工程施工中最常用的水泥有6 種，其中，普通硅酸鹽水泥是使用率最高的水泥類型。在施工過程中，水泥按照生產(chǎn)批次和型號的不同要分開保存，并且同一部位施工不可以混用水泥，避免影響混凝土質(zhì)量。

2）碎石：碎石的粒徑一般與施工中使用的泵輸送內(nèi)徑一致，在適當(dāng)范圍內(nèi)，碎石粒徑越大混凝土質(zhì)量越好，但碎石的最大粒徑要在40mm 以內(nèi)【2】。在5～31.5mm 這個區(qū)間范圍內(nèi)，碎石粒徑越大越有利于保證混凝土質(zhì)量。要求碎石含泥量≤1%，片狀物含量≤15%。

3）砂：通常級配越高的砂質(zhì)量越好，因此，在有效控制成本的同時應(yīng)選擇級配最高的砂。要求粒徑≤0.315mm 的砂礫占總量的15%～20%，含泥量≤3%，以利于提高混凝土的質(zhì)量。

4）水：水是構(gòu)成混凝土必不可少的原材料，而且用量非常大。水灰比是衡量混凝土質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，其對于混凝土是否會產(chǎn)生裂縫起著決定性作用，所以，混凝土攪拌過程中要嚴(yán)格控制水的用量。飲用水是混凝土原材料的最佳選擇，控制好用水量，水灰比以0.45～0.55 為最佳，可有效降低裂縫的產(chǎn)生。

5）摻合料：為保證混凝土的質(zhì)量，還需要摻合料的加入。強度等級不足C25 的混凝土需要加入摻合料，在現(xiàn)代工程施工中，膨脹劑和粉煤灰是最常用的2 種摻和料。加入膨脹劑摻合料的混凝土更加密實，混凝土?xí)懈玫姆罎B漏效果。通常按照水泥用量的8%～12%添加膨脹劑摻合料，具體需根據(jù)工程實際施工要求最終定量。加入粉煤灰摻和劑的混凝土可有效避免水熱化和干縮性引起的溫度裂縫和濕度裂縫，為混凝土性能的發(fā)揮提供幫助【3】。按照水泥用量的10%～15%添加粉煤灰摻和劑，并根據(jù)工程實際施工要求最終定量。

6）外加劑：外加劑有多種不同類型，按照水泥用量的5%添加外加劑，可有效提高混凝土性能。減水劑的使用率非常高，加入減水劑可以節(jié)省大量的水泥，有利于成本控制。但外加劑添加需要先通過實驗驗證方可進行，以避免發(fā)生其他不良后果。

3.3 重視混凝土施工工藝的質(zhì)量

混凝土質(zhì)量除了受原材料的影響，也離不開施工質(zhì)量，良好的施工質(zhì)量可以有效避免裂縫的產(chǎn)生，因此對混凝土施工質(zhì)量要有足夠的重視。首先，二次襯砌施工要在恰當(dāng)?shù)臅r間范圍內(nèi)進行。首次支護變形穩(wěn)定便可實行二次襯砌施工，支護施工完成之后要實時掌握圍巖的承載力，圍巖承載力較小的情況下二次襯砌時間可以提前，這樣圍巖才更具穩(wěn)定性，不易產(chǎn)生裂縫。其次，混凝土襯砌施工過程中，要重視外部應(yīng)力。隧道地下室功能難免影響周圍土層的應(yīng)力，出現(xiàn)分布不均的問題，很容易發(fā)生沉降。針對這些問題要具備預(yù)測能力，一旦發(fā)生狀況要在第一時間處理，混凝土襯砌結(jié)果必須具備穩(wěn)定性，避免更大的裂縫和事故發(fā)生。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著我國社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，再加上龐大的人口基數(shù)，地面交通的局限性對城市發(fā)展極為不利，所以地鐵、隧道等交通線路應(yīng)運而生，并為我國社會經(jīng)濟發(fā)展做出了重要貢獻。而混凝土襯砌開裂成為隧道工程中的常見施工質(zhì)量問題，為了有效解決這一問題，本文給出了幾點可行性建議，希望有助于我國鐵路隧道工程的發(fā)展。