隧道衬砌混凝土开裂分析及解决措施

摘要： 随着我国高速铁路设施建设的快速发展，隧道结构中衬砌混凝土开裂现象问题日益明显。本文以某高速铁路项目隧道衬砌混凝土开裂问题为研究对象，通过现场调研、混凝土拌合试验、材料分析与施工工艺优化，探讨了隧道混凝土裂缝产生的原因及相应的预防措施。研究结果表明，裂缝产生是地质条件、材料性能、混凝土质量、施工质量及温湿度协同效应的结果。通过优化配合比、延长带模养护时间及改进施工工艺，现场裂缝发生率明显降低，裂缝发生率由25%降至8%，90d抗压强度提升7%。本文的研究成果对于提高隧道工程质量、延长结构寿命、确保隧道运营安全具有重要的理论和实践意义。

关键词：隧道工程；衬砌混凝土开裂；原因分析；解决措施

引言

随着我国基建的发展，在隧道施工中由于多方面因素原因导致隧道衬砌混凝土经常出现开裂问题，而混凝土衬砌开裂不仅影响表面美观还存在质量安全隐患，严重时容易发生安全事故之一，本文深入研究隧道混凝土裂缝产生的原因以及相应的预防措施，结合某高速铁路隧道工程实例，提出从材料优化、工艺改进到动态监测的全流程控制策略，对于提高隧道工程的质量、延长隧道衬砌结构的寿命、确保隧道安全运营具有重要的理论和实践意义[1～2]。

1．工程概况

某高速铁路项目标段全长41.1Km，涉及隧道6座、桥梁23座。其中，隧道最大埋深约160m，全长3442m，项目部承担隧道出口施工任务，施工线路全长2230米，其隧道为瓦斯隧道，施工段围岩以Ⅳ级（1100m）和Ⅴ级（1095m）为主，衬砌混凝土厚度45cm，裂缝集中分布于每模衬砌中部（距拱顶1.2～1.8m），脱模后5～7天内出现，经调研该地区日均温差15℃，湿度波动40%～85%。

通过调研发现，部分混凝土在施工过程中容易出现以下问题：（1）衬砌混凝土和易性、包裹性较差，存在坍落度损失较快等现象；（2）部分隧道衬砌混凝土存在裂缝现象。衬砌混凝土裂缝主要集中该隧道每模衬砌中间位置，混凝土裂缝基本上是在5～7天左右的时间开始产生，长度从小边墙往上到第一排窗口和第二排窗口之间长度在1～1.5m左右，宽度在1～2mm左右（见下图1），裂缝形态为纵向非贯穿性裂缝，深度5～10mm不等。

2 隧道衬砌混凝土裂缝成因分析

2.1 工程地质性质及水文地质的影响

地质、水文的不同等级会引起隧道衬砌的沉降问题，沉降一般是不均匀的沉降，不均匀的沉降会导致隧道受力不均导致衬砌混凝土受到剪切破坏而开裂，围岩松动也是衬砌产生裂缝的一个重要因素，围岩松动压力的数值与围岩类别、地应力及隧道埋深密切相关[3]。

2.2 材料性质的影响

若混凝土材料质量不达标或配合比设计不当，可能导致混凝土结构不密实，局部强度不足，进而增加开裂风险。还会存在水灰比偏大，水泥用量偏多，碎石针片状偏多，机制砂采用中粗砂，含泥量和石粉指标超标，原材料检测结果，见表1，减水剂与其他材料适用性差的情况，会使混凝土性能变差。材料、配合比设计、计量等很多因素使混凝土性能较差，导致部分浆体聚集，混凝土出现裂缝的机率增加。

2.3 施工及养护的影响

混凝土搅拌时间、运输方式、运输距离、浇筑方式等不符合要求，浇筑方式（布料）不合理导致浆体在部分区域聚集，振捣不当、漏振或过振，多会对混凝土的密实性和均匀性产生影响，使混凝土存在孔洞、蜂窝、麻面等缺陷，会导致混凝土强度偏低[4]。混凝土脱模后不进行及时的养护，会导致混凝土结构出现早期脱水现象，导致混凝土衬砌表面产裂缝[5]。

2.4 温度和湿度的影响

混凝土的温度-应力耦合系统是温度和应力之间的相互作用构成的，由于温度变化引起的热胀冷缩效应，混凝土内部应力状态会发生改变。当温差较大时，拉应力超过混凝土抗拉强度，可能导致裂缝产生[6]。湿度的变化被看成是水分迁移，由于水分分布在混凝土的孔隙中，当环境湿度低于混凝土表面湿度时，混凝土则向环境散发水分，使混凝土产生干缩效应，当环境湿度高于混凝土表面湿度时，混凝土从环境中吸收水分填充孔隙，使混凝土产生湿胀效应[7]。

2.5 隧道衬砌自重的影响

自重会使拱顶向下弯曲，致使拱顶下半部分产生拉应力[8]，拉应力的大小和衬砌混凝土的等级、厚度、跨度、高度相关。

3现场隧道衬砌开裂的处理措施

针对现场出现的这类混凝土开裂问题，通过对配合比及原材料系统的研究和试验，建议采取以下措施：（1）对现场材料进行分析尤其是砂的细度模数和石粉含量，可以通过增加砂率和调整碎石级配改善混凝土的和易性；（2）优化减水剂配方调整减水、保坍、增稠、缓凝、含气等组分，在减水剂配方中增加增稠成分，适当提高混凝土含气量，使混凝土不离析、不泌水、包裹性良好满足现场施求；（3）减水剂调整方面使用最新六碳聚羧酸减水剂母液，该母液具有对机制砂的适用性良好和水的敏感度低的优点，通过近期现场调研及现场试验发现，现场的机制砂质量稳定，细度模数和含泥量控制的较好，原材料检测结果，见表2。近期衬砌混凝土性能基本满足施工要求。

衬砌混凝土施工过程应该严格控制施工混凝土状态，使混凝土具有良好流动性，建议第二排窗口以下混凝土坍落度控制在200-220 mm，坍落度扩展度太低混凝土流动性较差不利于施工和振捣，坍落度扩展度太大混凝土容易出现浮浆、离析和泌水，入模混凝土不能出现较厚的浮浆层，混凝土材料在合格范围内波动应该允许调整砂率（河砂与机制砂、石粉含量等）、碎石级配、减水剂掺量等，要重点关注机制砂和粉煤灰质量，机制砂关键指标有含泥量、石粉含量、细度模数等；粉煤灰关键指标有烧失量、细度、需水量比、玻璃微珠等。根据材料的变化进行适当的调整配合比以满足施工标准和要求。

根据对现场原材料、混凝土配合比设计、混凝土施工、脱模养护等情况的了解和分析，建议采取以下措施：

（1）调整减水剂相关组分，提高缓凝组分的种类和用量，延长混凝土终凝时间，延缓水泥水化热峰值；（2）优化施工工艺，分析不同施工队伍施工工法，寻找最佳施工工艺，排除裂缝是浆体密集导致的原因；（3）在混凝土裂缝处增加小型钢筋网片，提高混凝土的抗拉应力；（4）在混凝土中掺入适量的纤维（如碳纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维等等），在混凝土中形成网状结构，提高混凝土的抗裂性；（5）延长混凝土脱模时间，带模养护时间延长至18h，混凝土内外部温差≤15℃，使混凝土不要过早接触环境，同时加强混凝土养护，试验得出合适的养护规律和措施，建立科学的养护方式（时间、频率、水温），系统研究混凝土内部温度和养护水的温差，是否会形成温差裂缝[9]。

4通过大量比对试验，采取以下有效措施：

（1）选择优化施工工艺，采取不同的窗口浇筑混凝土，使混凝土不形成浆体聚集，减少混凝土开裂的机率；（2）延迟脱模时间采取带模养护，等待混凝土水化热峰值过后开始松模脱模；（3）调整减水剂配方增加缓凝成分，延缓水泥水化延迟水化热峰值；（4）调整优化混凝土配合比增加2%砂率，碎石级配由10%：50%：40%调整到20%：40%：40%，混凝土配合比优化前后比对，见表3。

（2）、砂率增加2%，机制砂含泥量由3.0%降至1.7%。

通过优化混凝土配合比，使混凝土的各项指标满足标准要求， 配合比拌合物及物理性能优化前对比，见表4、5，混凝土和易性良好，便于衬砌衬砌混凝土泵送施工，在施工现场采取上述几点措施，优化后混凝土表面无可见裂缝，密实度显著提升，裂缝发生率由25%降至8%，90d抗压强度提升7%，如图2。

结论

混凝土裂缝的产生是一个复杂的过程，受到多种因素的综合影响，包括地质条件、施工工艺、材料特性、混凝土配合比设计、混凝土性能、混凝土脱模时间、养护周期、爆破振动等，还存在围岩压力及埋深、水压力、沉降不均匀、衬砌结构自重、温度应力、干缩应力等对混凝土产生裂缝皆有影响，需要在后续的工作中有针对性进行分析试验。为有效控制隧道衬砌混凝土裂缝的产生，应根据现场原材料、混凝土配合比设计、混凝土施工、脱模养护等情况进行全面分析，并采取针对性措施，系统工程需通过多方协调管理实现全流程控制，建议后续继续研究围岩动态压力、地下水位变化对裂缝的长期影响。未来研究中可引入物联网技术，开发智能预警系统（如基于AI算法的裂缝动态监测平台），并结合围岩压力与地下水位的长期监测数据，进一步提升裂缝控制的前瞻性。

参考文献：

[1] 边宇星.隧道衬砌混凝土裂缝成因分析及密实浇筑技术 [J]. 工程机械与维修，2023，32 （6）：161-163.

[2] 齐军.既有铁路隧道衬砌裂缝对结构性能影响及防治措施研究 [D].兰州：兰州交通大学，2021.

[3] 吕潇. 隧道衬砌混凝土裂缝的施工因素分析及措施[J]. 四川建材，2020， 46（8）：102-104. DOI：10.3969/j.issn.1672-4011.2020.08.041.

[4] 李强.长大隧道混凝土裂缝成因及预防措施研究[J].铁道建筑技术，2023， 45（3）：76-78.

[5] 谢平.隧道衬砌裂缝原因及处治技术研究[J].运输经理世界， 2022，45（3）：112-115.

[6] 简瑞峰，樊锁柱，边鹏飞，等.软弱围岩浅埋偏压隧道衬砌裂缝处理技术[J].四川水泥，2019（3）：1-5.DOI：10.3969/j.issn.1007-6344.2019.03.101.

[7] 王晓明，李志强，张伟.基于数字孪生技术的隧道衬砌裂缝智能监测与预警研究[J].中国铁道科学，2022， 43 （5）： 105-112. DOI：10.3969/j.issn.1001-4632.2022.05.12.

[8] 刘洋，赵磊，陈昊.超高韧性混凝土在隧道衬砌抗裂中的应用研究 [J]. 铁道工程学报，2023， 40 （3）： 88-94. DOI：10.3969/j.issn.1006-2106.2023.03.012.

[9] 中国国家铁路集团有限公司.铁路隧道衬砌施工技术规程： Q/CR 9250-2020[S].北京：中国铁道出版社， 2020.