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隧道衬砌裂缝的分析与整治
第二工程有限公司一隧 张铁成
关键词：衬砌裂缝 分析 整治
摘 要：本文阐述了隧道衬砌裂缝成因种类、成因判断及针对不同裂缝的修补技术，对今后类似工程具有借鉴性。
一、裂缝的危害
裂缝是隧道衬砌最常见的病害之一。没有裂缝的衬砌是极少的。衬砌裂缝往往是多种因素共同作用的结果，其对衬砌的危害程度也不一，严重的裂缝不仅危害衬砌的整体性和稳定性，还会引起其它病害的发生，如渗漏、冻融溶蚀以及钢筋锈蚀等。这些病害与裂缝形成恶性循环，对衬砌的美观性及耐久性都会产生影响。
二、裂缝的分类
1、裂缝可分为：
a、按裂缝深度可分为表面裂缝，深层裂缝和贯穿裂缝。
b、按裂缝宽开度（包括长度和宽度）变化可分为死缝（裂缝长度宽度不再变化）和活缝（其长度和宽度随外界环境变化而变化）。
三、裂缝成因种类
a、温度裂缝
混凝土浇筑后（体积较大时）水泥水化热使内部温度升高，而周围环境温度相对较低，因此外部砼开始降温，在降温过程中砼发生收缩，在内部砼（不降温、不收缩）的约束下，当降温收缩变形超过了砼的极限拉伸变形时，砼容易发生裂缝。我们把这种裂缝称为温度裂缝。
为了减少温度裂缝的发生，首先在建筑材料上做文章。一般可选用水化放热慢，放热量低的矿碴，粉煤灰和火山灰碴硅酸盐水泥，同时在施工过程中还要采取温控措施。
b、收缩裂缝
砼在空气中硬结时体积会缩小，这种现象叫收缩，砼收缩变形与徐变变形不一样。它是一种非受力变形，收缩变形可分为凝缩和干缩，凝缩是指水泥的膨胀性水化物在砼凝结过程中体积逐渐缩小。而干缩是指未与水泥水化的自由水在砼硬结过程挥发掉而引起的体积变化。
凝缩裂缝主要发生在施工接缝处，这是因为两个衬砌单元在时间上有个差，而且这两个单元在硬结过程中都有向各自中心收缩的趋势，这使得在施工接缝处的砼受到拉力的作用。施工接缝是靠水泥浆的粘结作用而使两个单元体连成一体的界面，该处的抗拉强度要低于每个单元体内部的抗拉强度，这样在两个单元体收缩变形能的作用下在衬砌接缝处就出现了环向裂缝。我们在隧道施工中经常会看到这种裂缝，裂缝形成示意图如下：
单元体a
而干缩裂缝则在砼内部产生微小裂缝。这是因为砼中的砂和碎石不收缩，水泥浆则要收缩，这样在水泥浆与碎石接触面上会产生拉应力，如果这种拉应力大于水泥浆与碎石接触面处的抗拉极限时就会产生裂缝，另外干缩时蒸发掉的自由水会在砼内部留下毛细孔
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洞，在有水段这些裂缝和毛细孔洞会造成砼渗漏。这也是不容忽视的病害，所以在施工中我们一定要限制水灰比和水泥用量，水灰比一般不宜超过0.6，选择合理的骨料级配，加强振捣和养护，充分认识砼收缩的特性，以减少收缩给衬砌带来的不利影响。
c、钢筋锈蚀裂缝
砼中含有大量的Ca(OH)2，它是一种碱性物质。所谓的炭化就是指砼中的Ca(OH)2吸收空气中的CO2而变成CaCO3的现象，从而中和了钢筋表面的碱性保护膜，使钢筋发生锈蚀反应。钢筋碱性保护膜被中和后，在某些条件下（如保护层厚度不够，砼保护层破损等）与水和空气中的CO2发生反应。其原理同钢铁置于空气中在雨水滋润下发生反应是同样的，其锈蚀产物Fe(OH)3的体积将要膨胀，从而对周围砼产生膨胀应力，这种裂缝被称为钢筋蚀裂缝，这种裂缝一般都是沿着钢筋形成顺筋裂缝。
d碱骨料反应是指水泥中的碱性物质(Na2O、K2O)与骨料中的活性ＳiO2发生化学反应，在骨料表面形成复杂的碱性硅酸凝胶，这种物质在有水条件下体积膨胀3倍以上，从而在砼内产生比较大的膨胀作用。当这种膨胀应变超过了砼的抗拉极限应变时，就会产生裂缝。它的分布和形貌与钢筋有一定的关系。当在无筋限制时，常出现网状裂缝；在有筋处，常出现顺筋裂缝。
e、其它裂缝
包括建筑物受超载作用时产生的裂缝，基础不均匀沉降裂缝，还有在施工中由于振动过大会使初凝的砼出现裂缝。
四、裂缝成因的判断
a、裂缝调查
裂缝的调查是判断裂缝成因及决定补强前所必须进行的。裂缝调查是指查裂缝的长度、宽度、走向、形状、深度、缝内是否有异物，裂缝是否贯通，是否有发展等，并绘制位置图（包括里程）平立面图，裂缝末端位置及状态。
（一）裂缝宽度：
裂缝宽度是指在砼表面测得的与裂缝垂直方向的宽度，调查裂缝宽自出现起到现在是否发展，是否随外界条件的变化而有规律的变化（如季节交替、温湿度变化等）。为测定裂缝变化可在裂缝上抹几处刚性薄层以观察裂缝宽度是否变化，用游标卡尺测定变化多少，持续观察并反复以上操作，同时做出详细记录。
（二）裂缝走向
裂缝并非全都是全方位发展的，而是有路径可查，裂缝的走向暗示了应力的方向，也就有了分析裂缝成因的线索，裂缝走向很容易观察，一般是指裂缝由宽变细的方向。
（三）裂缝长度
根据裂缝的长度可大致判断开裂是由局部原因引起的，还是由较广泛围原因引起的。我们施工的毛角堕隧道出现了几条纵向裂缝。经过数月的跟踪观察，认为该缝为死缝。又调查施工时的记录，认为施工配合比正常，浇筑过程正常。后又经骑缝钻孔以检查衬砌厚度及背后回填情况，均无异常。最后我们发现裂缝长度有一定的规律性即每条裂缝的长度就是两施工接缝的间距，把这一规律与施工记录一对照我们终于找到原因了。原来是处理欠挖时的震动使初凝的砼发生了裂缝。另外裂缝还不是对称出现，也无溶出物浸出且不发展，这就排除了材料方面（如配合比、碱骨料等）和荷载（如为荷载素砼裂缝应发展）及温度（应对称）等多方面原因，更加验证震动结果的正确性。
（四）裂缝深度调查
可用骑缝钻孔后，在钻孔边缘缝内注入墨水等颜料进行观察。如有水或气体溢出则为贯通缝。
（五）破裂面的调查
详细观察破裂面情况可区分作用于破裂面上的应力类型，有助于分析裂缝成因，如
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果破裂面贯穿骨料，则破坏应力为剪力。另外破裂面有白色胶凝物质或裂缝有白色浸出物，则可考虑为碱骨料反应裂缝或为贯通缝。
（六）施工条件的调查
（1）地质资料的调查：裂缝处的围岩情况，有无涌水渗水等。
(2)施工记录的调查：砼原材料种类、性质（如是否为高热水泥等）砼施工配合比、砼养护、现场施工质量控制数据、施工气候等。
b.裂缝成因分析
裂缝成因分析是基于裂缝调查的基础上，它对裂缝处理至关重要。如果无顾裂缝成因而盲目行事，往往会导致无效而返工，造成人力、物力、财力的浪费，甚至会出现不可预测的后果。
砼裂缝成因是多面的复杂的，其中定有主要因素和次要因素。从辩证法可知，解决问题先要解决主要矛盾。裂缝成因分析同样也要对多方面因素加以分析找出主要因素。
隧道衬砌发生裂缝的原因主要可分为1材料2施工3荷载4环境变化几个方面（见表）。裂缝成因分析有以下几步：
Ⅰ根据裂缝特征对裂缝进行分类（表一） Ⅱ然后参照表二初步判断原因
Ⅲ再对表二中的确定的条目进行相关的详细调查，以确定具体的原因 五、裂缝修补技术
根据分析的结果结合构筑物的耐久性和稳定性、美观性等分析判断发生等裂缝的构筑物是需要加强修补还是采用其它方法（如换拱）
对于非结构构件由于其不承受主荷载（如水沟电缆槽），所以即使有裂缝也无需加强，应以防水性、安全性和美观性为主来判断是否需要修补。对于结构构件除要考虑以上几点外，主要考虑的是它的受力性能。对于结构构件上的死缝可以同非结构构件同样对待。但对结构构件上的活缝就要慎重对待，应根据具体情况采用相应的加固或其它措施。
（一）修补技术分类
裂缝的修补方法有充填法和注入法。充填法采用固体材料；注入法采用液体材料。 （二）修补材料 a、充填材料：
Ⅰ水泥砂浆及预缩水泥砂浆：干硬性预缩水泥砂浆是一种水灰比小稠度低搅拌好后堆置30—90min再用的砂浆，其强度高收缩小，施工简单。
Ⅱ环氧砂浆：环氧砂浆具有强度高拉伸大等优点。但其热膨胀系数大，易老化，适用于温度变化小日光不易照射部位。
Ⅲ弹性环氧砂浆：弹性环氧砂浆在环氧基砂浆的基础上加入柔性固化剂，使得其既具有环氧砂浆的优良粘结力，又具有弹性。
ⅣSR嵌缝材料：它是以沥青为主体的改良性沥青材料，用于伸缩缝、裂缝的防渗止水处理（针对成品砼）。
Ⅴ丙乳砂浆：与普通砂浆相比具有以下性能：极限拉伸提高2—3倍，抗拉强度加大1倍，与老砼面粘结强度提高2倍，此外丙乳砂浆成本低施工方便，是一种理想的裂缝修补材料。
b、灌浆材料（液态材料）
Ⅰ水泥类浆体：浆体材料有普通水泥浆、膨胀水泥浆、硅粉水泥浆，配合比为0.5—1.0。普通水泥宜用525#硅酸盐水泥；硅粉水泥浆硅粉掺量为10%—15%。
Ⅱ环氧树脂浆：环氧树脂浆由环氧树脂、固化剂、稀释剂、增塑剂组成，其已被广泛使用于裂缝修补和大面积防渗工程中。
Ⅲ丙凝浆：其具有粘度低，可靠性好凝结时间可调节，抗渗性好的优点。
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c、修补工艺 Ⅰ填充法
1）沿裂缝两侧凿成U形或V形槽，顶宽5—10cm，底宽3—5cm，槽深3—5cm； 2）清除槽内残碴；
3）烘干槽壁（亲水材料可不烘干，但应无明水）； 4）涂刷粘结剂；
5）填入填充材料并抹压； 6）表面装饰 Ⅱ灌浆法
1）灌浆孔布置：布孔方式有骑缝钻孔和斜孔两种，对于深缝可采用骑缝式；对当缝深且走向不规则时可两者兼用，孔距视具体情况而定，以能保证浆体通畅为原则。
2）钻孔清洗：钻孔后将孔内残屑冲洗干净并测其深。
3）嵌缝止浆：做法同Ⅰ-1～4，然后第隔一定间距设排气管，最后填压水泥砂浆。 4）压水检测：压水检测裂缝是否通畅及确定排水时间和制浆量。 5）配制浆液：根据裂缝处理要求选择合适的浆液。
6）灌浆：灌浆前将所有阀门打开，用压缩空气将孔缝内水分吹干，然后开始灌浆。对细缝采用单液浆，因为其凝结时间短；对宽缝则要采用快凝型浆液或用双液浆。
7）封孔；固化后强度能达到砼强度的材料固结在灌浆孔内的固化物不必清除，否则清除孔内固化物再用水泥砂浆封孔。
表 一
特征 形态 一天 网B2、B3 状 有 表B2、B3、A11 层 贯B2、B3、B4 通 网B7 状 一月 数十天 一天 1、砼初凝时发生的裂缝较多，且多为表层裂缝 2．裂缝与砼的施工与养护有关 一月 1．砼产生的裂缝机率较少 2．裂缝发生在表层与水化热和外界数十天 1．发生裂缝机会最多，原因也最多，最复杂 2．贯通贯裂相对较多 原 因 总 结 A10、B2、B3 A8、A10、B2、B3、A2、B10、D4 B11、B12、B13、C5、C6、C7、D1、D3、D5、 A10、B2、B3、B4、 A2、A5、B3 C1、C3、C4、C5、D2 D4、D5、D6、D7 A4、B8 A5、A7、A3、A4、A6 B1、B8、C2、C3、C4 C5 无 4