中铁五局集团路桥工程有限责任公司 广东广州
摘要：本文以粤东地区某高铁隧道为依托工程，详细介绍了该隧道在施工过程中，出现二衬混凝土裂缝情况，分析相关原因及采用相关的处理措施，以防治二衬混凝土开裂影响结构耐久性，相关经验可为类似工程的处理与防范提供参考。
关键词：高铁隧道 二衬 混凝土 嵌固裂纹 裂缝
一、前言
隧道施工过程中，为保障二衬快速作业循环，二衬混凝土配比时易采用较高水胶比以保障早期强度提升，尽快拆模快速循环作业施工，但由于衬砌配筋、底部约束及不同混凝土浇筑时差问题，二衬混凝土施工完成后，易在受前期高水化热影响收缩变形，底部变形受约束在孔洞等薄弱部位，形成嵌固裂缝，影响混凝土耐久性，因此要防微杜渐，从混凝土、预防措施，施工工艺、过程控制方面，提前采取措施进行防治，消除隐患。
二、裂缝特征规律统计分析
粤东地区某高铁隧道施工过程中，通过对全隧已施工二衬表观检查，发现已施工的二衬存在裂缝，统计情况如下表1所示。
表1 各级衬砌类型裂缝/纹整体情况
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2.1 Ⅱa类衬砌裂缝特征
在已施工的Ⅱa类衬砌47模二衬中发现37模出现类似的裂缝（合计48道），裂缝位置呈现规律性：
1、如图1-1所示，有36道缝（72%）出现在每模第2、3个泄水孔附近位置，裂缝呈倒“八”字型，从底部出现发展，长度1~2.5米（自曲墙底开始）。
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（1）倒“八”字型裂缝 （2）竖向裂缝 （3）斜向裂缝
图1 裂缝示意图
2、如图1-2所示，有7道（14%）环向（垂直）裂缝，长度1~2.5米（自曲墙底开始），自隧底开始出现在每模二衬中间位置。
3、如图1-3所示，有7道（14%）斜向裂缝，长度1~2.8米（自曲墙底开始），自隧底开始出现在每模二衬中间位置，且现场发现均在左侧边墙，裂缝呈倒八字型。
通过对裂缝进行了检测，测定深度与裂缝宽度，经超声波裂缝检测仪检测、钻芯验证，发现二衬裂缝宽度在0.3-0.6mm之间，裂缝深度为贯穿型裂缝，深度35cm以上（如图2所示）。
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图2 Ⅱa类衬砌裂缝宽度深度
2.2 Vb/明洞/洞门类衬砌裂缝特征
在隧道已施工的32模Vb/明洞/洞门类衬砌二衬中发现21模出现类似的裂缝（合计45道），裂缝为环向（垂直）裂缝，长度0.6~4.5米，自矮边墙顶开始大部分出现在每模二衬中间位置，呈现规律性。通过对裂缝深度与裂缝宽度检测，采用超声波裂缝检测仪检测、钻芯验证，发现平均二衬裂缝宽度在0.7-1.0mm，最大宽度0.58-2.8mm，钻芯验证为贯穿型裂缝（如图3所示），。
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图3 隧道Vb/明洞/洞门类衬砌裂缝取芯验证
隧道Vb/明洞/洞门类衬砌有仰拱段裂缝情况，对比与仰拱浇筑时间差，其裂缝产生情况如表2所示，仰拱与二衬浇筑时间差越大，裂缝出现概率大幅度增加。
表2 Vb/明洞/洞门类衬砌仰拱浇筑时差与裂缝产生情况
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隧道Ⅱb、Ⅲa、Ⅲb、Ⅳb含仰拱段各类围岩共浇筑21模，见表3，裂缝发生率为0%。
表3 Ⅱb、Ⅲa、Ⅲb、Ⅳb类衬砌仰拱浇筑时差与裂缝产生情况
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三、裂缝防治浇筑试验
粤东地区某高铁隧道出现裂缝后，针对大概率发生裂缝的Ⅱa类衬砌段落，利用排除法开展试验，共浇筑Ⅱa实验段9模，采取①改善浇筑工艺、分窗入模、逐层加强振捣；②直墙增设钢筋网片抗裂；③取消直边墙中部横向泄水孔，去除薄弱环节；④直边墙底部找平，减少底部约束；⑤直边墙挂防水板找平，减小墙后约束；⑥降底混凝土入模温度，控制混凝土高温条件；分别验证。
第1模改进了施工工艺，增设直墙段钢筋网，严格控制浇筑与振捣质量，延长拆模时间后，但仍然在二衬开孔的横向排水管位置出现裂缝，因此，可初步排除二衬浇筑过程中的质量、及拆模强度问题；
第2模在保障浇筑工艺，保障拆模时间前提下，增设直墙段钢筋网，去除横向排水管的薄弱位置，但在距端头3米及中部位置，仍然出现裂缝，因此，初步排除孔洞处结构过度薄弱问题；
第3模在保障浇筑工艺，保障拆模时间前提下，增设直墙段钢筋网，二衬先浇筑底板，改善底部约束条件，仍然在左右侧中部出现裂缝，因此，可基本判定混凝土出现裂缝主要的应力还是在内部收缩过快，收缩应力过大，影响程度大于基底的约束应力。
第4模在保障浇筑工艺，保障拆模时间前提下，增设直墙段钢筋网，二衬单纯降低入模温度，仍然出现裂缝，表明芯部与表面、表面与环境温差过大并不是造成混凝土开裂的主要因素。
第5模在保障浇筑工艺，保障拆模时间前提下，增设直墙段钢筋网，降低入模混凝土，浇筑底部调平层改善隧底约束条件下，表面出现裂缝，因此，其处理措施仍然不足。
第6、7、8、9模在保障浇筑工艺，保障拆模时间前提下，增设直墙段钢筋网，再降低入模温度、浇筑底部调平层改善隧底约束条件、底部直墙部初支与二衬间增加防水板改善基础后方约束条件情况下，在浇筑完成后均无裂纹出现。
表4 Ⅱa类衬砌裂缝浇筑实验情况
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四、衬砌裂缝成因
粤东地区某隧道二衬形成裂缝的主要原因有：
如图4所示，Ⅱa类衬砌隧道由于在底部与基岩面接触，底部混凝土在浇注后降温过程中，由于底部基岩面的约束较大（基础面不平整），其自由收缩受阻，因此将在底部表面形成较大的拉应力，产生贯通裂缝。
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图4 混凝土收缩约束受限时产生基础部裂缝
Ⅱa类衬砌通过计算模拟，当底部受纵向约束情况下，混凝土降温收缩时，衬砌混凝土浇筑至132小时间，衬砌内部及表面容许拉应力与实际拉应力比值内外表面应力均超过容许值，且内部较表面值更高，因此，在本情况下，在混凝土内表面形成裂缝并向外扩展。裂缝出现时间在72-82小时左右，此时容易出现裂缝，属于嵌固裂缝。底部不受纵向约束情况时，当混凝土降温收缩时，衬砌混凝土浇筑至132小时间，衬砌内部及表面容许拉应力与实际拉应力比值内外表面应力均未超过容许值，混凝土不会出现裂缝。但在早期混凝土未凝结前，内表面局部易产生裂纹。
Vb/明洞/洞门混凝土在仰拱与二衬浇筑时间差较长时，出现裂缝概率与时差成正比。因混凝土在水化时产生最高温度至降温至常温的过程当中，按照《铁路混凝土工程施工技术规程》Q/CR9207-2017中相关内容计算，混凝土在施工过程中，60d时温度收缩量为2.4mm/6m，干缩为0.877mm/6m，256d时温度收缩量为2.4mm/6m，干缩为1.794mm/6m，混凝土在早期温度收缩与干缩较速率较快，因此，当先后浇筑混凝土时差较大时，下部混凝土先期收缩速率减小，后期混凝土浇筑后收缩速率较大，下部混凝土对上部混凝土产生约束，加之Vb/明洞/洞门衬砌均有配筋，下部混凝土通过钢筋或者表面凹凸对上部混凝土约束，裂缝产生内应力机理类似于Ⅱa无仰拱段裂缝，属于嵌固裂缝。
混凝土配合比选用时，为保障二衬强度，水泥掺量取大值，粉煤灰掺量取小值，增加了混凝土在凝结过程中的水化热，加大了降温过程中与周围介质的对流温差，增加了收缩的温度应力。
五、防止衬砌裂缝方案
根据隧道裂缝试验段衬砌分析，对隧道围岩衬砌出现裂缝/纹防治按以下方案进行处理：
1、将所有的混凝土配比优化，降低混凝土施工过程中水化热总量及放热速率，降低混凝土早期收缩应力大小和发生速率，减少混凝土开裂风险，增强混凝土自身抗裂性能。
（1）、在保证胶凝材料总量不变，强度保障的情况下，降低水泥用量，提高粉煤灰掺量减速少混凝土水化热总量，如表5所示，项目已完成配合比的初步试配；
表5 混凝土配合比调整情况（单位kg/m3）
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（2）、调整减水剂外掺料，适当增加缓凝成份，控制早期混凝土水化速率，减少混凝土放热速率；
（3）、增加素混凝土段底部内表面配筋，使用钢筋网片、纵向钢筋等措施，增强混凝土表面抗裂性能。
2、由于裂缝由于嵌固裂缝的类型，因此，采取适当的措施，增加基底与基岩面，后期与先期浇筑混凝土之间的缓冲作用，以减小二衬混凝土收缩变形受到的约束。
（1）、Ⅱa衬砌设置混凝土垫层改善底部约束，并形成不同介质的缓冲层。底部直墙后改善表面平整度，采用增加砂浆带或挂设防水板的形式减小墙后约束。
（2）、Vb衬砌增强仰拱与二衬界面处理措施，增加界面剂厚度或设置高强砂浆过渡带形成缓冲层，以解决先后混凝土浇筑时差过长，收缩不同步造成约束形成裂缝。
3、提高施工工艺，减小混凝土的不均质而形成薄弱部位，优化施工组织，缩短先后混凝土浇筑时差。
（1）、持续加强混凝土施工过程中的分窗入模、逐层振捣，控制混凝土浇筑速度，保障施工连续性，保障混凝土浇筑质量。
（2）、缩短先期与后期混凝土浇筑时差，可有效减少前后混凝土收缩不同步的情况。
（3）、加强混凝土浇筑完成后拆模前及拆模后的养护，采用温水喷雾养护，减小混凝土的降温速率，同时，提升混凝土的强度。
六、结语
本文以某高铁隧道施工过程中，衬砌出现裂缝的统计、观测、试验、分析为基础，对于隧道衬砌嵌固裂缝的成因，以及降低水化热，增强界面处理的办法，对裂缝进行防止，对后续类似工程施工时，提供相关经验及指导。
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