隧道混凝土衬砌裂缝原因及处理方式

  • 来源:建筑网   2019-07-12 16:06
摘要:

我国社会经济目前迅速增长,交通发展迅速,各种铁路、公路、隧道、地铁也是大兴大建。但是在隧道工程建筑中,极为容易出现的就是混凝土衬砌裂缝,使得隧道受到损坏,造成经济损失。本文主要对隧道工程中混凝土衬砌出现裂缝的原因以及裂缝如何维修处理预防做了详细研究,具体探讨了隧道工程混凝土衬砌裂缝的类型、裂缝形成的原因、裂缝的治理、预防或者缓解裂缝的措施,希望对我国隧道工程类似裂缝问题提供参考借鉴。

工程建筑过程中,混凝土衬砌容易出现裂缝,使得隧道受到损坏,造成经济损失。本文主要对隧道工程中混凝土衬砌出现裂缝的原因和裂缝维修处理预防做了详细研究。具体探讨了隧道工程混凝土衬砌裂缝的类型、形成原因、治理、预防或者缓解裂缝的措施,希望对我国隧道工程混凝土衬砌裂缝问题提供参考借鉴。

1隧道混凝土衬砌裂缝的类型

目前,我国隧道工程衬砌混凝土裂缝种类繁多,但主要是温度裂缝、干缩裂缝、荷载变形裂缝和施工缝(接茬缝)这四种。

1.1温度裂缝

不仅仅在隧道工程中经常出现,在许多混凝土工程中温度裂缝是一种不可避免的裂缝。温度裂缝是由于混凝土内外温差造成的,所以称为温度裂缝。工程结构在浇筑混凝土的时候,由于混凝土的特性,其在硬化冷却时容易发生一系列化学反应,放出大量的水化热,致使混凝土内部温度和混凝土表面的温度相差过大,产生内应力。但是混凝土在早期硬化阶段的强度并不高,如果内应力较大的化就能撑破混凝土,使得混凝土开裂产生裂缝,这种裂缝就是温度裂缝。而且在大体力混凝土浇筑时更容易产生,因为大体积混凝土内部水化热更高,更难散热,更易产生内外温度差。温度裂缝极为容易产生且不可避免,因此往往采取控制温度、科学养护的方法,以达到控制裂缝在允许范围内的目的。

1.2干缩裂缝

混凝土产生干缩裂缝一般是由于混凝土内外湿度变化不一致,使得混凝土内部收缩和混凝土表面收缩程度不同,从而产生拉应力引起混凝土表面开裂的裂缝。干缩裂缝往往出现在混凝土表面处,而且裂缝纵向、横向交替没有规律。如果混凝土构件长期露天堆放,使得构件表面湿度大,则极为容易产生。影响混凝土产生干缩裂缝的因素有很多,例如混凝土用料中水泥的品种及用量、砂砾的粗细、水灰比、外加剂等等[1]。

1.3荷载变形裂缝

这是一种与施工紧密相关的裂缝,隧道工程中或者一些建筑工程中,由于各种各样的原因可能存在赶工期的情况,而赶工期往往使得混凝土在浇筑后其养护时间缩减,最终混凝土达不到预期标准强度,受力不够产生裂缝。而且赶工期也很容易使工程出现不均匀沉降导致裂缝出现,这种由于赶工期加快施工效率而使得隧道混凝土衬砌结构开裂产生的裂缝的称为荷载变形裂缝。由于其裂缝产生的原因也可知道,这种荷载变形裂缝通常危害较大,处理不好可能导致工程塌陷等重大事故,一旦发现需要严肃对待处理。

1.4施工缝(接茬缝)

施工缝不是一种真正存在的“缝”,施工缝是由于在工程结构设计中要求混凝土分段浇筑或者在工程施工中由于各种各样的原因致使混凝土分段浇筑,分段浇筑中断时间已经超过混凝土初凝时间,因此先、后浇筑的混凝土之间形成一个结合面,如同一个裂缝,这就是施工缝。有时候由于设计必须留下施工缝,此时施工缝应留设在结构受剪切力最小处且便于施工。

2隧道二衬开裂典型案例及原因分析

2010.11~2013.7位于甘肃省岩县境内的新城子隧道出现开裂。其开裂段是先行施工左线段,开裂双线地段150m,单线隧道地段71m,总长221m,开裂主要分布在480m范围内,属于严重开裂情况。2014.3~2015.3位于山西省临汾市内的南吕梁山隧道出现开裂。开裂从隧道出口左线ZDK319+396~ZDK319+342、右线YDK319+387~YDK319+311向进口方向蔓延。在隧道1050m范围内出现不同程度的开裂,二次衬砌混凝土发生剥落、掉块现象,且左线1段右线4段的156m发生严重开裂[2]。从上述两座隧道二衬开裂情况分析可知,其均具有开裂程度严重,开裂分布范围广,开裂隐伏周期长的特点。开裂原因分析:①地质设计原因。新城子隧道处于高地应力区域,其地区应力较大,最高可达21.3MP,而且该地区地质岩石主要为碳质板岩,遇水易软化,为IV级围岩,承载能力较差。因此,在隧道施工期间,随着围岩压力增大,围岩变形严重,二次衬砌承载能力不足,最后导致开裂。南吕梁山隧道所处地质条件也不好,隧道经过泥岩、灰岩、煤层、膏溶角砾层,围岩等级为IV级甚至部分是V级,围岩承载能力较差,开裂段也大部分出现在IV和V级围岩处。因此关于此类地质条件差的隧道设计应该更为严格,考察勘探更为细致,避免出现严重开裂。②线性施工因素。南吕梁山隧道开裂段是两条间距不大的并行隧道,并行隧道施工时容易受到相互影响,如果施工规范不当,容易使得后施工的隧道开挖引起隧道围岩应力重分布,从而使得先施工段的二衬开裂。③原材料差。裂缝的出现与混凝土的原材料密切相关,材料的不合理往往使得混凝土的质量不高,因此裂缝容易出现。所以在混凝土原材料的选取上应严格把关,确保混凝土的质量。

3预防或缓解混凝土裂缝的措施

在工程中混凝土衬砌出现裂缝在所难免,工程人员只能尽量做到预防缓解混凝土裂缝,阻止裂缝进一步扩大,控制裂缝在可接受的标准内。对于混凝土衬砌裂缝的预防通常从两点考虑,其一是在隧道工程施工前的设计阶段,在一阶段应该尽量加强对周围地质环境的勘探,做好做全周围的工程地质情况调研,以提高隧道工程设计的合理性和准确性;其二是在隧道工程施工中对施工材料施工工艺技术严格把控,许多裂缝的产生与施工材料息息相关,施工质量也是裂缝产生与否的一个重要因素。

3.1在隧道工程设计前尽可能的提高设计精度

确保设计的隧道工程合理施工方便。这就需要工程地质勘察人员尽心尽力的勘察调研,但隧道施工往往在山间地下区域,勘察困难,难度较大,还需要我国技术进一步进步来保证设计质量。

3.2在隧道工程施工中严格控制原材料的质量、技术标准

(1)水泥:水泥的种类繁多,经常使用的六大通用水泥在隧道工程施工中用的最多的就是普通硅酸盐水泥。在施工时不同规格、不同批次的水泥不允许混用,确保水泥质量。(2)碎石:一般根据施工现场的泵输送内径确定,碎石粒径通常越大对混凝土质量越有利,但也不能太大,最大碎石粒径不宜超过40mm,在5~31.5mm范围内为佳,越大越好。而且要求碎石的含泥量小于1%,片状物的含量也要求小于15%。(3)砂:砂的优良与砂的级配相关,为了混凝土的质量越高,在成本范围内优先选用级配良好的砂砾,且中砂为宜。砂的粒径要求小于0.315mm的颗粒所含量占比15%~20%,砂砾的含泥量必须控制在3%以内,以保证最后混凝土的质量。(4)水:混凝土的形成除了上述的水泥、碎石、砂以外还需要大量的水。混凝土的一个重要参数指标水灰比与水的含量密切相关,而水灰比又决定了混凝土的干缩性,这个干缩性能是混凝土出现裂缝的一个重要因素,因此,在搅拌形成混凝土的过程中水的用量尤为重要。成本允许的条件下最高选用饮用水,水的含量应适中,保证混凝土的水灰比在0.45~0.55之间,尽量减少裂缝出现的可能性。(5)掺合料:混凝土除了基本组成原材料外,还需要添加掺合料。掺合料一般用于强度等级小于C25以下的混凝土中,目前主要的掺合料为粉煤灰掺合料和膨胀剂掺合料。粉煤灰掺合料主要是用作降低混凝土的干缩性、降低混凝土硬化过程中释放的水化热并延迟水化热峰值出现的时间,这极大的减低了温度裂缝出现的可能性,而且粉煤灰掺合料还可以改善混凝土的保水性、流动性,能全面优化混凝土的各类性能。粉煤灰掺合料用量一般为水泥用量的10%~15%,具体用量结合工程实际经验选用;膨胀剂掺合料主要的作用是增加混凝土的密实度,在一定程度上加大混凝土的防渗性能。膨胀剂掺合料用量一般为水泥用量的8%~12%,具体用量结合工程实际经验选用。(6)外加剂:外加剂种类繁多,只需要在混凝土的搅拌过程中加入些许(不到水泥含量的5%),就能极大的改善混凝土相应性能。目前混凝土中常用的有减水剂,在其他条件相同的情况下能减少10%~25%的水泥用量,大大节约成本。但是外加剂在掺入前必须进行预实验,确保质量合格效果优良。

3.3严格控制混凝土施工工艺质量

混凝土的施工质量直接影响着混凝土的成品质量,也就影响着裂缝。为了减少混凝土衬砌裂缝的出现,务必严格控制好混凝土的施工质量。其一控制好二次衬砌的施工时间。二次衬砌应在初期支护变形稳定后进行施工,在初期支护施工完毕后保持对周围围岩应力的监控测量,如果发现围岩应力不足的情况可提前进行二次衬砌施工,确保周围围岩的稳定,避免变形裂缝的产生;其二在混凝土衬砌施作期间,着重加强对外部应力的控制。在隧道地下施工时可能破坏周围土层应力分布情况,出现一些高地应力、或者土层承载力不足的不均匀沉降等突发情况,这个时候就需要我们提前预测监控,在突发时能及时处理确保隧道内部混凝土衬砌结构稳定,避免出现危害程度大的变形裂缝。

3.4加强施工养护

隧道工程施工一般在地下,因此其混凝土衬砌结构也在地面以下,温度湿度情况与地面上建筑施工的混凝土不同,因此其养护也存在差别。隧道内部湿度大,隧道贯通后通风温差也大,易使混凝土衬砌结构出现干缩裂缝,因此,在隧道两侧的洞口应适当设置一定的防风防雨板,尽量降低混凝土的温差及湿差,避免出现干缩裂缝。

3.5控制拆模时间

混凝土工程施工完成后均需要拆除模板,拆模是一个危险的工作,必须按照拆模标准一步一步的进行拆除。如果初期混凝土衬砌支护变形稳定后再进行的二次衬砌,则在混凝土试件达到8.0MPa后可进行模板拆除工序。但是若初期混凝土衬砌支护变形尚未稳定不得提前进行二次衬砌支护时,其混凝土的强度应达到设计值的100%后方可进行模板拆除。

我国目前的交通发展迅速,城市的地面交通已满足不了需求,所以地下隧道、地铁交通规划就显得尤为重要。因为在地下隧道工程中经常遇到混凝土衬砌出现裂缝的情况,因此,解决隧道工程裂缝问题、完善隧道稳定性越安全性迫在眉睫。文章分析了隧道混泥土衬砌裂痕的原因和处理方法,期望工程能逐步解决完善裂缝问题,提高我国隧道施工质量。

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