混凝土施工中产生裂缝的原因及防治.docx

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混凝土施工中产生裂缝的原因及防治

混凝土施工中产生裂缝的原因及防治

摘要：

从隧道二次衬砌混凝土施工的特点出发,结合工程实例,分析产生裂缝的原因和防治措施。

关键词：

隧道混凝土裂缝防治措施

1．前言

隧道二次衬砌是指初期支护之后进行的最后一层支护，一般地下工程中不进行最后装修，由于对二次衬砌结构的完整性要求高，外观也要求平顺，美观，无瑕疵、裂缝。

现在各施工单位对二次衬砌混凝土施工都引起了高度重视。

但是由于隧道二次衬砌混凝土属大面积、薄壁连续结构，且处于地下围岩中，受力及施工环境复杂，与露天施工有其特殊之处。

本文对隧道内经常出现的裂缝产生的原因进行初步的分析研究，并提出相应的预防措施及处理裂缝的办法。

2．非结构性裂缝

非结构性裂缝可分为收缩裂缝、温度裂缝、沉陷裂缝

2.1收缩裂缝

该类裂缝在隧道施工过程中较为常见，但由于各种裂缝产生的原因不同，因此产生的时间及部位也不尽一样，在二次衬砌混凝土施工中，灌筑模板通常长度为9～12米的整体全断面模板台车。

附着式振捣经过多年实验，发现其弊端较多，且较易在混凝土灌注间歇或倒换泵送管子时形成纵向微台阶纹路，得不偿失，因此逐渐被局部插入式振捣或免振捣混凝土所代替。

为保证混凝土浇捣的和易性，混凝土中加入的水量往往比水泥水化作用需要的要多几倍以上，这部分游离水蒸发后，在混凝土内部留下许多毛细孔，混凝土会产生体积收缩，一般称为游离水蒸发收缩。

另外水泥水化作用也会引起混凝土体积的收缩，称为混凝土自收缩或称混凝土干缩。

后者收缩量是前者的1/5～1/10。

所以说混凝土本身存在肉眼看不见的微细裂缝是它固有的一种特性。

2.1.1塑性收缩裂缝

一般在干热或刮风天气易于出现，裂缝多为中间宽、两端细且长短不一，互不连贯。

裂缝产生原因是由于混凝土在塑性状态时，刚开始终凝，而由于天气炎热，阳光直射，刮大风，使混凝土表面水分蒸发过快，混凝土表面产生急剧的体积收缩，此时混凝土尚未有强度，而致使混凝土表面出现龟裂。

在隧道施工中较常出现在洞口几组衬砌，特别是中短隧道开挖贯通后，靠近洞门处的衬砌，由于空气对流速度大，空气干燥，阳光直射，较易形成此类裂缝。

为控制塑性收缩的产生，可采取以下防治措施：

①严格控制混凝土配合比、水灰比和砂率，宜掺加高效减水剂来增加混凝土的坍落度和和易性；②可能阳光爆晒的可在混凝土中加入聚合物微纤维，如四川华神化学建材有限责任公司生产的“好亦特”微纤维，每立方混凝土中加入0.9公斤微纤维即可有效达到防塑性收缩和缓和裂缝。

③混凝土脱模后要有专人进行喷水养护，脱模前模板变热即需洒水降温；④如遇风季，需设置挡风设施。

2.1.2沉降收缩裂缝

该裂缝一般多沿主筋通长方向，在混凝土表面出现，常在浇灌后发生，硬化后停止。

裂缝产生原因是混凝土浇捣后，骨料颗粒沉落，水泥浆上浮，受到钢筋或埋设件或大骨料的阻挡，而使混凝土互相分离。

另外混凝土本身组成材料沉落不均匀造成开裂。

该类裂缝在结构较复杂的建筑物中较易出现，在钢筋混凝土顶面如墩柱顶部主筋处、在隧道衬砌表面中较少见，即使出现也在衬砌顶面靠防水板处，另外可能出现在边墙基础顶面。

防治措施如下：

①可采用稠度适当的低流动性混凝土；②加强混凝土振捣，不能漏振；③初凝前两次振捣和两次抹压混凝土表面。

2.1.3干燥收缩裂缝

多在混凝土养护一段时间后才出现,为表面性的较浅较细裂缝,多沿短方向分布。

裂缝产生的原因主要是混凝土养护不周，受风吹日晒，表面水分散失太快，而混凝土内部湿度变化小，表面干缩变形受到混凝土内部的约束，而产生较大拉应力后产生裂缝。

该裂缝与塑性收缩裂缝主要区分在出现的时间上，该裂缝出现的相对较晚。

防治措施如下：

①严格控制混凝土配合比，提高混凝土抗裂度；②加强混凝土结构的早期养护或覆盖，适当延长养护时间；③采取密封保水养护措施；④洞口如果为素混凝土，建议人为增加收缩缝：

如每6m设置1条收缩缝；⑤发现混凝土有微小裂缝，应马上洒水养护。

2.2温度裂缝

2.2.1内约束裂缝

由于混凝土内外温差过大而引起的。

例如隧道混凝土养护期间受寒流侵袭，使混凝土表面急剧降温超过7～10℃就有可能引起混凝土表面裂缝，但其裂缝深度一般只有30mm左右，表层以下仍保持结构完整性。

控制内约束温度裂缝的措施：

①主要控制混凝土内外温差，表面与外界温差，防止混凝土表面急剧冷却，采用混凝土表面保温措施，一般洞口二次衬砌混凝土应尽量避免在冬季施工，如果确实有必要进行冬季洞口段二次衬砌混凝土施工，混凝土拌合时可加入防冻剂，并对洞口设置保暖设施；②加强混凝土养护，严格控制混凝土升降温度，使混凝土表面覆盖温差小于8～10℃。

2.2.2外约束裂缝

由于混凝土体积过大，混凝土绝热温度与浇灌温度之差超过25℃以上而引起的。

当混凝土结构厚度超过2.0m以上时,混凝土在硬化期间放出大量水化热,内部温度上升很快,一般在混凝土浇筑后72h达到最高温度（可达80℃左右），由于混凝土内部散热慢而混凝土表面散热快，这种温差在混凝土表面引起拉应力。

而后期均匀降温冷却时，受到基岩或老混凝土垫层约束，又会在混凝土内部出现拉应力。

当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土产生温度裂缝。

外约束裂缝多发出在施工后2～3个月或更长时间，多在结构中部出现。

裂缝为较深或贯穿性的，破坏结构的整体性。

由于隧道二次衬砌混凝土一般厚度不超过1米，因此此种裂缝较少出现。

控制外约束温度裂缝的措施①主要从采取控制混凝土浇灌温度、温升、减少温差，改进施工操作工艺，改善结构约束条件等方面入手来削减温度应力；②采用低热水泥；③改善骨料级配，如大体积基础混凝土可掺加15％块石；混凝土中添加粉煤灰或高效减水剂等减少水泥用量，减少水化热；④拌和水掺冰屑降低水温度，对砂石骨料喷凉水冷却，降低混凝土的浇灌温度；⑤合理安排施工工序进行薄层浇捣，均匀上升，以利散热；⑥大体积混凝土基础施工，可在基础内埋设蛇形冷却水管，使混凝土内外温度差小于25℃；⑦合理分缝分块，对基岩或原老混凝土垫层，在表面铺设50～100mm砂垫付层，以消除基岩约束和嵌固作用；⑧应适当配置温度钢筋，减少混凝土温度应力；⑨加强混凝土养护，适当延长养护时间，使混凝土表面缓慢冷却。

2.3沉陷裂缝

裂缝多为深进或贯穿性的，其位置与沉陷方向一致。

较大的沉陷裂缝，往往有一定的错位，裂缝宽度与沉降值成正比。

裂缝产生的原因是二次衬砌混凝土落在未经处理的松软地基上或在边基施工时基底有积水及杂物没有清理干净。

混凝土浇灌后，因地基松软或浸水软化引起不均匀沉降而导致裂缝。

另外因模板台车刚度不足，模板支撑间距过大或支撑底部松动以及过早拆模，也常致此类沉陷裂缝出现。

对此类裂缝防治措施如下：

①松软的围岩基础应在边基施工时进行加强处理，如扩大基础，配筋等，边墙基础灌注之前应清理干净基底稀泥、虚渣。

②保证模板有足够的强度和刚度，支撑牢固，并使地基受力均匀；模板台车轨道下道渣应整平夯实，建议有条件时应隧道铺底超前。

③防止混凝土浇灌过程中地基被水浸泡。

3.其它施工裂缝

其他施工裂缝经常出现的有:

爆破造成的裂缝、脱模时操作失误造成的裂缝、注浆回填压力过大造成的裂缝、围岩失稳造成的裂缝、基础悬空造成的裂缝、工序安排不当造成的裂缝，混凝土厚度不够形成的裂缝、混凝土受到意外外力造成的裂缝等。

3.1爆破造成的裂缝

该种裂缝产生的原因主要为掌子面开挖爆破：

在大家的印象中，二次衬砌混凝土不能滞后开挖太远，并且在日常安全检查中都明确规定离掌子面的距离不大于100～150米，经过多个工程发现，在硬岩地段，该距离的二次衬砌混凝土根本就抵抗不了掌子面多达上百公斤炸药的爆破震动，更不用说刚灌注强度还远远没有达到设计要求的混凝土，该原因是造成裂缝的主要原因。

经验证明二次衬砌应离掌子面300米以上才能确保二次衬砌混凝土的安全。

至于施工安全，应该由符合设计要求的初期支护来承担这个重担。

对于软弱围岩，特别是处理较大塌方，衬砌紧跟是一种重要的手段，在这种情况下，掌子面一般采用分断面开挖、弱爆破人工开挖，出现裂缝的现象反而较少见。

其次底部捡底开挖也是造成裂缝的主要原因之一：

捡铺底不应滞后在二衬之后，并且应该超前二次衬砌混凝土施工之前100米左右，特别是有仰拱的地段更应超前，这对二次衬砌混凝土模板台车的运行及准确就位及其稳定性都是极为有利的。

欠挖剥皮离模板台车较近，也是造成二次衬砌混凝土裂缝的一个原因，解决的办法是在防水板铺设架子上安设断面轮廓检查尺，做到能够提前检查处理欠挖。

各种洞室也应尽早检查欠挖并及时处理。

3.2脱模时操作失误造成的裂缝

该种裂缝主要产生在模板台车脱模时，由于模板台车使用时间长，前后端总会有一定的变形，脱模时台车拱部被卡，操作人员为了使台车拱部松动，从而油缸上下来回顶降，由于泵送混凝土时，拱部前端处难以在本组混凝土填满，而脱模时混凝土强度也只有2.5～3.5Mp，因此较易在空洞区形成顶升裂缝，该裂缝位于拱顶空洞部位，成圆弧状。

此类裂缝主要是人为操作原因，液压系统方向应明确标识，电机接线应相对固定，并每次应进行核实，拱部混凝土有空洞时，严禁向上顶升。

3.3注浆回填压力过大造成的裂缝

该种情况分掌子面注浆和衬砌背后回填注浆两种，前种情况较为少见，掌子面进行封赌注浆时，应对注浆压力和注浆量进行动态管理，时刻了解有无在二次衬砌混凝土处溢浆。

如发生则改变注浆方式，如采用间歇式注浆，减少浆液不必要的远处扩散。

二次衬砌混凝土背后注浆回填空隙、注浆堵水、处理裂缝等是注浆中较易出现裂缝的主要原因。

控制注浆压力，设置排气管是防范产生裂缝的主要办法，计算表明，单线铁路隧道衬砌45cm厚，只能承受0.35Mp的周边均布荷载，双线隧道二次衬砌钢筋混凝土厚度达80cm也才能承受1Mpa的均布荷栽，由此可见，设置排气管和控制注浆压力的重要性。

3.4围岩失稳造成的裂缝

该种裂缝较易出现在洞口及浅埋段，由于设计二次衬砌混凝土的结构是按照全断面进行受力检算的，而实际施工是一个相对间隔分步的过程，特别是地质不良地段，施工单位应提前作好施工期间可能出现的不利因素（如遇暴雨，山体滑坡失稳等）的应对措施及结构的临时支护措施，必要时提早申请变更，否则一旦二次衬砌混凝土开裂、错位，处理起来相当困难。

笔者在多处隧道工程中遇到过该类问题。

另外裂缝较易出现在塌方空洞及衬砌空洞处。

在塌方空穴处理时一般采用拱上套拱，填背柴、填浆砌片石，预留注浆孔的办法，这些方法都要求洞穴内回填稳定，支撑牢固，出水点引排水通畅，并确保注浆时水路不被堵塞，二次衬砌混凝土施工后要及时注浆回填密实是确保塌穴不再失稳造成破坏二次衬砌混凝土的关键。

不应等到全部二次衬砌完成后再进行这项工作。

至于超挖造成的二次衬砌背后的较大空洞，也应注浆回填，不宜久拖，近年来，运营隧道出现坍塌主要是该类空洞没有回填日久造成围岩失稳所致。

3.5基础悬空造成的裂缝

基础悬空主要是由于二次衬砌混凝土分步施工时，单侧悬空距离过长造成的，在先拱后墙施工时要求交叉接边墙，在进行仰拱施工时也必须坚持以上原则，另外隧道施工中，二次衬砌混凝土要全断面一次成型，有些单位已明确规定严禁先拱后墙法施工。

仰拱及捡铺底必须超前二次衬砌混凝土施工。

3.6工序安排不当造成的裂缝

工序安排不当在上述问题中已经有所讲到，如先拱后墙法施工、仰拱开挖滞后、二次衬砌混凝土跟掌子面太近等，在此不再详述。

3.7混凝土厚度不够形成的裂缝

这里专指由于施工原因造成的厚度不够。

工程投标时设计允许超挖回填都不再单独计列，而作为综合单价而被一带而过。

目前如何控制超欠挖是各个施工单位都较为重视的，也想出了一些对策，如改善光面爆破的效果、测量放线时减免予留沉落量、予减液压凿岩台车开挖的过多超挖、二次衬砌混凝土施工时充分利用规范上允许施工单位将设计净空扩大5cm的要求等，这些措施的采取，都会有意无意地造成二次衬砌混凝土厚度的减薄，从而引起严重的后果，特别是软弱围岩施工地段，在灌注之前一定要对混凝土的实际厚度进行检查，目前所有隧道竣工验收时都要进行雷达检查厚度并取芯。

各施工单位要引起足够的重视。

软弱围岩施工地段厚度不够是二次衬砌混凝土出现裂缝的主要原因。

3.8混凝土受到意外伤害造成的裂缝

隧道在施工期间可能遇到的伤害主要为模板台车顶撞造成，主要原因有以下几种，模板台车收缩量较小、隧道曲线半径较小而台车较长、台车轨道底部道渣铺垫不平顺。

这些都应该在施工初期研究方案时彻底解决。

3.9洞口裂缝

洞门混凝土施工中，有时过多的抹压触动，使表面形成含水量大的砂浆层或施工中撒干水泥抹压，也常使表面出现龟裂。

对表面应避免过分压抹，过稀可撒水泥和砂抹压，严禁撒干水泥压抹。

洞口25米范围内，由于洞口温差较大，热胀冷缩，常常造成二次衬砌混凝土组与组之间的工作逢较大，有时甚至将工作逢处混凝土挤裂或掉块，只需要稍加修整即可，另外混凝土灌注后有水化热由低到高再到低的过程，因此混凝土组与组之间也会有环向的缝隙，由于有防水层及止水带，因此此缝不足为奇。

4.裂缝处理方法

掺加纤维是控制混凝土裂缝的一种有效方法。

在混凝土拌制时加入短纤维（合成纤维或钢纤维）搅拌均匀，按常规方法浇筑成型。

由于纤维的存在，可减少混凝土早期坍落收缩；提高混凝土的抗拉强度，减少早期微裂缝的开展；减少混凝干缩；增加混凝土的密实性，保护结构钢筋，延缓混凝土碳化速度。

掺加纤维宜选用抗拉强度高、化学性能稳定、价格相对便宜的合成纤维或钢纤维，纤维长度约10～20mm，直径100μm用量约为混凝土体积的0.1％。

对于表层性裂缝，不影响结构使用的，可待裂缝停止发展后用装饰性沙浆进行找平抹面，也可用添缝剂进行填缝。

对于深入贯通性裂缝，应对裂缝进行发展观测，如围岩较好地段，裂缝属稳定性裂缝，可以免于处理，对表层进行凿整齐的槽用沙浆进行填槽。

对于在软弱及其他不良地质地段的裂缝，经过不良时期检验，如雨季等仍然为稳定的，仍需要对裂缝进行分段打孔注浆，视必要采用暗锚杆进行混凝土连接。

裂缝处于发展状态的，一般都需进行返工处理，对于处于发展、但裂缝发展趋于收敛的，也要认真对待，因为一旦进入运营状态，震耳欲聋的重载高速列车及其他荷栽的作用都是不容忽视的。

对于在软弱及其他不良地质地段、裂缝位于拱腰，纵向连通，或位于拱顶纵向连通，证明拱结构已经遭到彻底破坏，除返工外，还要考虑到结构应该予以加强。

相比之下，环向裂缝是可以通过裂缝处理得到解决的。