铁路隧道二衬混凝土裂缝的防治

铁路隧道二衬混凝土裂缝的防治

2008年后，隧道工程在新建和改建铁路中的市场份额有所增加。隧道施工技术不断提高，但隧道工程实施后的问题依然频繁。其中，隧道二衬混凝土爆炸的风险。为预防和避免隧道衬砌混凝土裂缝病害的发生,笔者就裂缝形态分析一下原因,提出新建隧道防范二衬混凝土开裂以及既有隧道裂缝的加固处理措施。1衬混凝土施工裂缝主要特点(1)邻近洞门口二衬裂缝。该类裂缝的特征是集中在一块板上,一般从某一处向多处发展,由宽到窄,有长有短,规律不明显,也有的是从一处向多处发展(图1)。(2)洞内水平裂缝。一般在轨顶面以上1.8～2.5m之间,基本呈水平发展,有宽有窄(图2)。(3)洞内沉降缝位置斜向裂缝。该类裂缝的特征是从截面最宽处向下向大里程或小里程单方向或大、小里程双方向斜向30°～60°向下发展,裂缝上宽下窄(图3)。(4)基本沿水平施工缝方向的不规则的裂缝(图4)。(5)矮边墙与二衬混凝土间的裂缝(图5)。(6)相邻两板沉降缝处裂缝(图6)。(7)二衬混凝土表面网状龟裂。2裂缝危害裂缝是一种可接受的结构特征,《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)规定,构件裂缝最大宽度允许值的确定与构件的工作条件和构件所采用钢筋的种类相关,在室内正常工作环境、露天或室内高潮湿度环境等不同环境下,构件所承担的功能及重要程度等对山岭隧道而言,要求会更高。一般钢筋混凝土允许带裂缝工作的宽度为不超过0.2mm,当裂缝宽度超过了控制宽度时,对隧道而言,超标裂缝将导致隧道耐久性降低且不美观。另外,裂缝为水的渗流创造了条件,对电气化铁路而言,轻则影响行车,重则会出安全事故。因此,对隧道开裂应引起足够的重视,在设计阶段,应运用综合分析手段选择合理的技术参数,在施工阶段要加强混凝土的施工组织和过程控制,尽最大可能采用工程技术措施对隧道裂缝予以杜绝,对运营阶段应建立不同隧道开裂的档案,通过研究和分析,为改进设计提供依据。3各种裂缝产生的原因分析3.1爆破能量造成裂缝分析该类裂缝特点,结合多年来工程实践经验,该类裂缝应属洞外爆破开挖产生的爆破能量传到已施工完毕的二衬混凝土上导致炸裂,爆破震动强,则产生的裂缝多且长,相反爆破震动弱则产生的裂缝少且短,属典型的施工工序组织不当引起的裂缝。3.2循环土体裂缝失稳问题为探明该类裂缝产生的原因,首先,用回弹仪对衬砌混凝土做无损检测,发现强度满足设计要求;其次,用取芯机抽点取样复核强度,满足设计要求;第三,用地质钻机在隧道水沟内钻孔取芯对隧底进行检查,取芯结果见图7,8;第四,检查发现开裂地段存水较多,但泄水孔已基本被泥砂堵塞。因此,该类裂缝产生的内因是边墙下存在软弱岩层或仰拱清底不彻底,外因是隧道衬砌混凝土背后或隧底存在长期径流水或季节性渗流水。在水的作用下,对于软弱岩层则易被软化,如泥岩、风化碳质页岩等,软化后在边墙底部与围岩间形成空隙,此时若隧道泄水孔再泄水不畅,水压力增大将会引起该类水平裂缝;对于清底不彻底地段,若衬砌混凝土背后和边墙下长期被水冲刷,也会形成边墙与围岩不密贴,同样,若泄水孔泄水不畅,水压力增大也会引起该类水平裂缝。3.3基性地质裂缝经钻探发现,该类裂缝范围内隧道边墙下部肯定存在软弱下卧层或溶洞,这类裂缝是由于基础沉降引起的裂缝,将相对较宽的各点连线发现,裂缝的主要走向基本呈45°,符合地基沉降裂缝的特点。3.4“地下”的隐性裂缝—沿水平施工缝方向的不规则裂缝该类裂缝是由于施工缝处理不当或在浇筑混凝土中断后未按施工缝要求进行处理,恢复施工后没有采取任何措施而是直接浇筑混凝土,该类裂缝原为隐性裂缝,在水压力或不稳定围岩作用下沿原有的隐性裂缝这个薄弱面发展,进而由“地下”的隐性裂缝现身为“地上”的明裂缝,其特征是缝的发展方向基本是沿施工冷缝的走向发展的,这类裂缝在没有水压力作用下一般显现不出来。3.5低侧墙与二衬混凝土之间的裂缝该类裂缝与3.4中裂缝有一定的相似之处,主要原因是矮边墙顶面未清理干净或顶面未按要求涂刷界面剂,还有就是未进行施工缝的有效处理。3.6衬混凝土端部裂缝该类裂缝是由于两板二衬混凝土相对沉降或伸缩而形成的,形成的主要原因为先浇筑的二衬混凝土端部因封端胀模而不在一个面上,该类裂缝一般不会对结构有大的破坏,仅是将沉降缝表面拉裂,主缝仍在沉降缝范围内,沉降或伸缩结束后趋于稳定后将不会再发展。3.7二甲混凝土表面的脂质裂缝该类裂缝是由于温度过高或二衬用混凝土水化热过大而引起,一般比较常见,基本属正常裂缝。4各种裂缝的预防4.1分层爆破的安排(1)合理组织各施工工序施工,洞门端墙、挡墙以及其他附属工程截面不足要重新爆破开挖,或堑坡爆破开挖未到位前不要安排施作最后一板衬砌混凝土浇筑。(2)洞门口附近爆破时一定要采取松动爆破或预裂爆破且炸药用量要小。(3)当已施作完最后一板衬砌、洞门,仍需在附近进行爆破的可采用静态爆破方式,爆破前要编制完善的爆破方案,避免炸裂洞门及衬砌。4.2基层组织施工(1)若开挖揭示的围岩级别与设计不符时,要及时向设计单位提出,尤其是软弱围岩地段,如遇水易软化的泥岩、泥灰岩、碳质页岩和煤层地段,初衬及二衬施作前要进一步核查承载力,不满足要求时要进行变更设计。(2)加强施工过程控制,做好报验工作,清底要彻底,不得留有浮渣,隧底超挖时严格按规定用同级混凝土回填,不得回填虚渣,隧底欠挖处理后的松渣也要清除,之后用同等级混凝土回填。(3)岩溶富水隧道地段的环向盲管直径不宜小于10cm,间距宜适当加密,建议不大于5m,环向盲管在矮边墙内宜改为直径不小于15cm的PVC管。4.3单位变更设计时一板抗辩(1)加强管理,施工过程中揭示的溶洞和溶槽等,现场作业时不能随意回填,要报相关单位按变更设计要求进行处理。(2)围岩级别变化处宜设施工缝断开,当不足一板长度或不断开时,整板都要按支护和衬砌较强的措施施作,不得出现一板内一端有钢筋、一端无钢筋的现象。(3)加强施工过程控制,做好报验工作,清底要彻底,不得留有浮渣。4.4按规定分层浇筑(1)在开盘前要认真检查机械设备和器具的状态,各类工器具不能带病作业,现场一定要配备用电源。(2)混凝土泵送浇筑程要按既定方案进行,混凝土布料要及时移动台车进料窗口上的泵管,严格按既定的分层厚度控制浇筑高度,不允许混凝土沿溜坡面滑动,不允许将泵管布在台车最高布料窗口上或上一级窗口上,若能坚持这样做,即使混凝土中断也易于按要求留置施工缝。(3)对不可避免的二衬施工中断,按要求留置施工缝,在后续恢复施工前先浇筑一层约2cm厚的同强度等级砂浆。4.5预防低侧墙和衬砌之间的裂缝(1)矮边墙顶面要清扫干净,不得有杂物和污油。(2)按设计要求刷好界面剂或留置接槎钢筋或接槎石。4.6预防相邻两板沉降缝的开口(1)衬砌车台端头模板采用制式模板,保证端头不胀模,上下成环且在一个垂直断面上。(2)相邻两板的接缝和错台控制在允许范围内。4.7二甲混凝土表面网络破裂的预防(1)改善混凝土的配合比设计,采用低水化热水泥,加入粉煤灰、矿粉等,改善混凝土性能。(2)采用喷雾式或保湿膜式养生。5加强措施5.1注浆专用的s-126微型电子注浆机(1)对宽度小于0.2mm的裂缝一般不予以处理,当洞内空气湿度大于60%时,宜采用表面处理材料如原子灰、封缝胶等封闭裂缝表面,避免潮气通过裂缝造成钢筋锈蚀。(2)对宽度大于0.2mm的裂缝要做结构性处理,可采用注浆专用的S-512微型电动高压注浆机注环氧树脂型灌缝浆液。具体操作方法可按S-512微型电动高压注浆机的操作说明执行,该机具有环保、便携、安全、压力持续、带水堵漏和多功能等优点,现场实用效果好。(3)环氧型注浆材料经氧化一般易变黑,影响美观,注浆结束后在表面涂刷一道掺结构胶的水泥浆,水泥浆中水泥的基准配合比按体积比计,以白水泥:黑水泥=1:2.5～1:3的比例试配拌制,以调整色差。5.2锚固端混凝土注浆该类裂缝在处理前要重点对隧底或边墙底进行加固,只有从根本上消除导致裂缝产生的内因,再处理裂缝,裂缝才不会再反复。(1)对隧底、边墙底打钢管桩进行注浆加固,固结消除底部松散层,以增强隧底承载力。(2)隧底采用地质钻机成孔,边墙处采用气腿式风枪斜向打眼成孔,孔径不小于50mm,间距距隧底软弱层的厚度和深度在2m×2m的基础上予以调整,深度要穿过软弱松散层,进入持力层至少500mm。(3)成孔后立即下钢花管,钢花管直径不小于42mm,并用注浆泵注浆,先注隧底孔,最后注边墙部位,为避免注浆时堵塞泄水孔,注浆前宜用木棍上缠棉布塞入泄水孔,水泥浆终凝后取出,对部分已堵塞的泄水孔尽快掏开。(4)注浆结束后,切掉外露的钢管头及注浆嘴,并用高标号砂浆进行孔口封闭。(5)按5.1中的措施进行裂缝封闭处理。5.3水平施工缝的加固(1)洞内沉降缝位置开始(或终止)的斜向裂缝加固措施同上述5.2中措施。(2)基本沿水平施工缝方向的不规则裂缝的加固,按5.1中的措施进行裂缝封闭处理。(3)矮边墙与二衬混凝土间的裂