地铁隧道裂缝成因调查分析及处置

地铁隧道裂缝成因调查分析及处置

杨波,林圣奖

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摘要：在隧道施工过程中，加强施工管理，清理干净隧道底部虚渣或软弱夹层，控制钢筋保护层厚度，仰拱、填充分次浇注等细节不容忽视，看似微小的质量问题也会导致安全隐患存在，为确保运营安全，必须高度重视。建议在岩溶发育地区，施工单位应进一步加大隧道基底竖向探测深度，如有不良地质夹层、脱空或空洞，应采用注浆、灌注砂浆或混凝土等措施，改良固结土体或填充密实，以利于后期运营安全。

关键词：地铁隧道；裂缝成因；调查分析；处置措施

随着中国基础设施的推进，越来越多的百年工程，如地铁站和隧道建设，出现在我们的生活中，大体积混凝土也应运而生。然而，由于对掺合料的高需求和大体积混凝土的水胶比大，混凝土结构非常容易干燥和开裂。同时，销售市场上的沙子和石头等优质混凝土原材料日益稀缺，导致混凝土的自收集量增加。此外，施工企业过分追求完美工期在一定程度上不利于裂缝控制，这些方面共同导致隧道施工中大体积混凝土结构的干裂越来越严重。必须解决大体积混凝土的干裂问题。有必要了解干裂的主要原因。温度塌陷是混凝土结构特别是大体积混凝土系统裂缝的主要原因之一。温度裂缝可能是由混凝土初始集中凝固引起的温度地面应力和混凝土内部结构中水胶比收敛引起的温差引起的。因此，为了防止结构温度裂缝，有必要降低结构混凝土的温度。您可以尝试添加一种具有温度控制效果的温控膨胀剂，它不仅可以引起吸水和膨胀以抵抗混凝土的坍塌，还可以减缓大体积混凝土的早期固化速度，降低最高温度和温度峰值的持续时间，同时也降低了中后期温度大幅度降低导致坍塌和干裂缝的风险。

1隧道基本概况

贵阳某隧道设计起止里程YD1K1+327～YD1K1+855，全长528m，单洞双线结构，开挖面积约110m2（宽×高：11.8m×9.3m），马蹄形复合式衬砌。其中，进口端YD1K1+327～+425(98m）段隧道拱顶最大埋深23m，为Ⅳ级围岩，主要为二叠系下统茅口组（P1m）中厚层至块状、白云质灰岩地层，为较硬岩；隧道洞顶、侧壁、洞底大部为中风化岩体。

支护参数：洞口YD1K1+327～YD1K1+360段33m为双线Vb型衬砌，初支厚度28cm，采用I20b工字钢，间距0.6m/榀，二衬采用55cm厚C35钢架混凝土；YD1K1+360～YD1K1+380段20m为双线IVb型衬砌，初支厚度26cm，采用I18工字钢，间距0.8m/榀，二衬采用45cm厚C35钢架混凝土；YD1K1+380～YD1K1+456段76m为双线IVd型衬砌，初支厚度28cm，采用I20b工字钢，间距0.5m/榀，二衬采用50cm厚C35钢架混凝土。中隔墙采用30cm厚钢筋混凝土。

隧道主体于2015年12月施工完成，2017年12月开通初期运营。

2裂缝分布情况

2022年2月中旬，隧道运营里程2+400（对应施工里程YD1K1+380）、2+803～+840（对应施工里程YD1K1+780）左右线均发现不同程度的开裂现象，随即对裂缝进行监测，至3月25日现场勘查共计有裂缝11条：右线仰拱填充顶面3条，右线边墙1条；左线边墙3条，仰拱填充顶面2条；中隔墙2条。裂缝大部出现在拱腰、仰拱填充顶面及中隔墙部位，以环向裂缝为主，裂缝未出现渗漏水及无明显表面错台现象，其中，2+400附近5条裂缝较为严重，监测数据显示，单条裂缝宽度累计变化最大值达4.1mm。根据地质纵断面显示，隧道裂缝范围基底均位于中风化岩体内，本文以对该段的调查分析为主。

3裂缝成因勘察调查情况

鉴于该隧道二衬结构开裂情况有发展趋势，为及时采取措施，确保运营安全，2022年3月25日，勘察单位重点对隧道运营里程2+400（对应施工里程YD1K1+380）段采用地质雷达法及地震散射波法进行探测，进一步查明隧道基底是否存在隐伏岩溶的情况，并采用两种方法进行复核，保证探测质量。

1）地质雷达探测分别沿隧道左右线底部各布置2条测线，沿拱脚布置1条测线，共计布置6条测线，测线总长约3.2km。

地质雷达测线成果如下：

测线1为左线拱脚测线：探测有效深度约3m，探测范围内未见明显空洞、塌陷异常，局部存在欠密实异常，对应运营里程分别为2+387m～2+398m。

测线2、测线3为左线底板相邻测线：探测有效深度约3～10m，探测范围内未见明显空洞、塌陷异常，局部存在欠密实异常，对应运营里程分别为2+422m～2+426m。

测线4、测线5为右线底板相邻测线：探测有效深度约3～10m，探测范围内未见明显空洞、塌陷异常，局部存在欠密实异常，对应运营里程分别为2+423m～2+428m。

测线6为右线拱脚测线：探测有效深度约3m，探测范围内未见明显空洞、塌陷异常。

2）地震散射波法探测在道床上布设2条地震散射波法测线，均沿着轨行区方向铺设。

地震散射波测线成果如下：

L1测线（Z2+363～+448）：本测线无明显异常。

L2测线（Y2+362～+430):Y2+376-+378，该区道床下方16～20m存在低速区，判定为岩溶。Y2+418～+421，该区道床下方10～13m存在低速区，判定该区域存在岩溶。

根据地质雷达、地震散射波法探测成果显示，沿测线10m深度范围内未见明显脱空及岩溶现象，局部存在异常区域，体现在拱脚侧面3m深度范围内存在欠密实异常，道床下方3m深度范围内存在欠密实异常，道床下方6m范围内存在破碎带异常。

3）结合检测结果，在运营里程Y2+400裂缝前后区域进行钻孔验证，并在钻孔内开展孔内电视录像工作。

通过钻孔及孔内电视录像验证，所有混凝土浇筑层多较完整，混凝土层无较明显的异常，但在混凝土和灰岩接触界面处左侧3个孔、右侧2个孔局部3m深度范围内存在一定残渣、欠密实。

4裂缝主要类型

4.1温度裂缝

温度裂缝是由混凝土内部和外部温度的变化引起的。在浅开挖法的二次衬砌混凝土中，水泥水化时会产生更多的热量，这也会导致混凝土温度升高。如果没有有效的降温方法，混凝土内部温度可以达到80~90℃。在升温过程中，热值仍处于变化规律的过程中，并不断迁移扩散，导致混凝土各部位温度分布不均，从而形成一定的温度地应力。温差越大，温度地应力越大，这是一个正关系。裂缝的形成与过高的温度地应力密切相关。如果高于内外管束的地面应力，则通常会导致温度裂缝的产生。

4.2收缩裂缝

干缩裂缝是指混凝土内部和外部环境中由于湿度变化不均匀和水分损失不均匀而产生的裂缝。在地下隧道施工过程中，当二次衬砌混凝土硬化至底部时，含水量将逐渐降低，导致固化胶体溶液的干燥和剧烈变形。这种类型的变形受到各种因素的影响，如模板或软岩，这些因素会产生地面应力。当变形产生的地面应力值超过混凝土的抗压强度时，就会产生干缩裂缝，这在过程中基本没有明显的规律性。

4.3施工裂缝

施工裂缝是指施工过程中因施工问题而产生的裂缝，如下图3所示。主要包括以下几个方面。

（1） 施工过程中混凝土砂搅拌不足或模板支撑点不好也会降低工程质量，导致施工裂缝的产生。

（2） 沉降缝布置不良极易造成施工裂缝的产生。如果突然情况导致铸件最终断裂的时间较长，也就是说，很容易在后续铸件中造成施工裂缝（特别是如果没有凿毛处理，这不是一个好的解决方案）。

（3） 在冬季施工中，澳大利亚现浇混凝土的隔热预防措施不够，并且正在维护的预制构件的温度下降越来越快，因为混凝土可能会因冷冲击而干燥和开裂。

（4） 暗挖隧道施工中，二次衬砌弧形模板拼装不当。拆除模板时，强制外力拆除模板。混凝土的承载力不均匀，经常导致变形裂缝。

5裂缝预防控制措施

5.1入模温度控制

根据GB50496-2018标准化要求，混凝土浇筑温度应控制在5至30℃之间。在原材料中，砾石对混凝土出口温度的影响较大，其次是沙子和水，混凝土的影响较小。因此，降低混凝土浇筑温度的最有效方法是控制砾石和沙子的温度。砾石和砂的温度每降低1℃，混凝土温度应分别降低0.45℃和0.32℃。砂石仓和料仓上依次设置遮阳棚，避免阳光直射砂石，混凝土浇筑前检测原材料温度，避免原材料温度过高；如果夏季天气酷热，如果条件允许，最好在原料储罐周围设置环形冷却循环水冷却系统，以冷却粉末材料。现场作业应尽量避免在恶劣天气下浇筑。夏季，混凝土浇筑宜选择16:00后逐渐浇筑，因此混凝土浇筑温度应控制在规定范围内。

5.2施工过程控制

（1） 严格执行规范和标准工程施工，分层浇筑。每层的厚度应为≤ 700毫米。应根据要求监测现场混凝土的坍落度。现场混凝土的坍落度应保持在160至180mm之间；（2） 禁止现场从混凝土中排水。模板内不得有水。现场工人振动不得过大或过少；（3） 模板应装配牢固。禁止切断钢筋。切割和振动强度不得造成建筑钢筋的偏差；（4） 底板和现浇板应采用二次修整的形式，以消除早期塑性裂缝。

5.3干燥收缩和温度裂缝的预防和控制方法

（1） 建议使用合适的二次衬砌原材料。主要包括以下几个方面：优先选用粒径小、水胶比低的水泥材料拌制混凝土；对于采用的砂、砂砾等原材料，含砂量必须保持相对较小，有利于抑制褶皱变形；选择适合自己的石材类型，如使用花岗岩和其他类型的石材，有利于抑制折叠变形；科学合理地使用膨胀剂，以补偿混凝土坍塌；一些添加剂用于抑制变形，例如，采用双掺技术将水泥用量控制在一定范围内；适量使用粉煤灰可以全面提高混凝土的透水性和流动性，减少折叠变形。（2） 高度重视混凝土试拌。应分析和设计最佳制剂，并使用科学指标进行评估和分析，包括变形、水胶比和抗压强度。此外，建议尽量减少混凝土及其需水量，并将坍落度保持在较低水平。（3） 沉降后浇带应科学设置。考虑到具体的地理条件和结构类型，应科学设置沉降后浇带，以合理有效地抑制塌陷变形。（4） 除上述类型的对策外，还可以适当采取其他对策。

5.4预防施工裂缝的控制措施

（1） 建议科学设置施工工艺及其生产工艺，综合考虑可能出现的膨胀和变形问题，综合考虑各种问题，避免极有可能造成此类问题的施工工艺。高度重视二次衬砌混凝土的养护任务，保持环境湿度和温度等自然条件在适当范围内，有利于抑制初期坍塌。应尽可能使用机械设备翻斗车，以提高翻斗车的质量。

（2） 对基坑开挖断面进行监测分析，采用科学专业技术进行即时监测，对可能出现的超挖和欠挖进行综合管束。

（3） 成型和维护。必须严格控制混凝土模板的持续时间。混凝土抗压强度未达到设计方案、标准和工程施工方案规定的拆板期限前，不得强行拆板。当需要满足模板变形时，应采取有目的的措施逐个拆除模板，不得用外力强行拆除板；混凝土养护应严格按照标准和工程施工方案进行，并保证浇水养护的时间和平衡水平。如有必要，可使用适量的养护液来提高混凝土的初始抗压强度，同时弥补传统养护的不足。

（4） 混凝土搅拌。在测量和验证过程中，应根据施工配料表对使用的测量设备进行校准，以确保准确性和可靠性，并有效设置搅拌水流量。过高或过低的水流也会产生不利影响；科学控制浇注温度。夏季施工期间，浇筑过程可在夜间或低温条件下进行。对部分砂石原材料进行适当清洁降温，砂石等原材料和机械设备应遮阴，防止高温危险。

（5） 二次衬砌必须在软岩变形及其基坑支护达到平衡后自行掘进；如果软岩有明显变形，必须在初始支护加固后才能进行二次衬砌。

（6） 熔化温度控制的调节应采取相应措施。冬季应采取必要的防冻措施；夏季应有效控制温度，防止温度过高对砂石造成伤害。

5.5养护方式控制

一般来说，浇筑时应立即覆盖无纺土工布或保温材料进行保温，然后洒水保湿补水。夏季气温较高时，应进行蓄水维护。由于腋角透水性差，可设置喷淋管或使用水能维持膜。冬季施工时，适度增加拆模时间，完善保温保温措施，保水14天左右。

结论

隧道衬砌裂缝是一个常见的缺点。采用科学技术和主要参数可以减少或减缓裂缝的形成。通过对裂缝成因的分析，明确提出了相应的对策，制定了科学的防治对策，为类似隧道工程二次衬砌裂缝的防治提供参考。

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