Control Practice of Early Cracks in Non-reinforcing Secondary Lining of Railway Tunnels
张进 ZHANG Jin
（中铁六局集团有限公司蒙华铁路MHTJ-17标段项目经理部，西峡 474550）
（China Railway Sixth Group Co.，Ltd. Inner Mongolia-Jiangxi Railway MHTJ-17 Tender Section Project Manager，Xixia 474550，China）
摘要：混凝土开裂的问题始终困扰着工程的使用和寿命，施工中如何控制混凝土早期裂缝的产生有着重要意义。在蒙华铁路MHTJ-17标双线隧道工程中，基于现有的技术工艺水平，通过理论分析与实践验证，准确判定二衬混凝土产生裂缝的各种因素，并优化施工组织措施，最终无配筋地段二衬早期裂缝得到有效控制和消除。希望为以后同类混凝土结构裂缝的产生和控制提供帮助。
Abstract: The problem of concrete cracking always affects the use and life of the project. It is of great significance to control the early cracks in concrete during construction. In the MHTJ-17 standard double-track tunnel project of Inner Mongolia-Jiangxi Railway, based on the existing technical level, through theoretical analysis and practical verification, it can accurately determine the various factors causing cracks in the secondary lining concrete, and optimize the construction organization measures. Early cracks in the secondary lining of the rib section are effectively controlled and eliminated. It is hoped to help the generation and control of cracks in similar concrete structures in the future.
关键词：铁路隧道；无配筋；早期；裂缝；控制；实践；消除
Key words: railway tunnel；no reinforcement；early；crack；control；practice；elimination
中图分类号：[U25] 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）34-0135-03
0 引言
混凝土为非均质材料，在温度、湿度等环境因素影响下，随着混凝土逐步硬化，水泥石、骨料因其收缩与膨胀差异产生相互约束应力出现裂缝，说明了混凝土裂缝的固有论和绝对论。根据实际工程调查，地下工程外墙壁（等同于隧道）的开裂数量占被调查工程总数的85%以上，在控制外墙裂缝的技术难度是很大的，在国内外的工程实践中都没有成熟有效的技术措施。
蒙华铁路是我国首条轴重最重、线路最长、覆盖面最广的煤运专用线，是“北煤南运”新的国家战略运输通道，隧道施工中始终落实科学合理的工装、工艺和工法，强化质量控制。然而施工中二衬混凝土开裂现象依旧出现了，且尤其在无水隧道取消防水板后，二衬无配筋地段早期裂缝现象严重，直接影响到工程质量及运营使用要求。在混凝土裂缝的绝对论和固有论的基础上，从裂缝产生的理论上对其产生的机理和施工中的有利和不利因素进行阐释，对施工缺陷进行辨识和辩证，并提出具体化的施工控制措施，对开裂原因进行实践验证，最终克服了多方因素影响，完全消除了此类裂缝，取得了很好的效果。
1 工程概况
蒙华MHTJ-17标段是蒙华公司晋豫指挥部管辖范围的综合土建标段，标段内有隧道工程26座，合计16.8km。标段地处山区，山高谷深，桥隧紧密相连，线路穿过了多个大中型断裂带，褶皱发育，岩体多较破碎，局部破碎。标段范围地处暖温带向北亚热带过渡地带，为北亚热带季风型大陆性气候，春季冷暖多变，夏季炎热，雨量集中，秋季气凉阴雨多，冬季天冷雨雪少，日均最低气温为1℃左右。
2 裂缝的产生与调查
2.1 裂缝的产生
起初，标段内先行施工的部分隧道二衬局部发现裂缝现象，因裂缝细微，范围很小，主要集中在仰拱二衬施工缝不贯通处、投料窗口处，多满足结构设计规范，初步分析为施工过程中混凝土结构物正常的发展特征。
根据要求取消无水地段防水板后，第一时间发现多处纵向及环向贯通裂缝与长大无规律裂缝共存，裂缝均为贯穿墙厚且宽度大于0.2mm，Ⅲ级围岩地段二衬无配筋处居多，一般在脱模后一天后二衬裂缝集中出现。
2.2 裂缝的调查
2.2.1 裂缝程度及分布
首先对标段内所有隧道重新排查统计二衬混凝土开裂情况。其中无防水板二衬35板，裂缝共69条，其中＜5m的25条，占比36%，≥5m的26条，占比38%，贯通18条（在7板内）。占比26%，设置防水板二衬194板，裂缝共62条，其中＜5m的46条，占比74%，≥5m的16条，占比26%，无贯通裂缝。
设置防水板地段，裂缝产生的频率低，数量少，裂缝较轻微。而取消防水板地段裂缝产生的频率大大增加，裂缝密度且长大裂缝密度大，平均裂缝宽度和裂缝间距明显增大，裂缝现象较严重。
2.2.2 裂缝类型
裂纹大致分三种类型，一种是仰拱施工缝延伸造成的环向裂缝，第二种是表面收缩裂缝，一般出现在某一板二衬的中间位置，从矮边墙开始环向延伸，第三种是取消防水板地段出现的纵向裂缝及不规则裂缝，纵向裂缝一般出现在Ⅳ级围岩有钢架地段，不规则裂缝一般出现在Ⅲ级围岩无钢架地段。
2.2.3 裂缝的判定
对裂缝分析可以看出，产生裂缝的部位大部分为二衬拱墙无配筋地段， 一般都是拆模1天以后发现，约5天后裂缝即可停止发育，这个过程正是混凝土早期硬化的过程，导致其开裂的原因，要在前期硬化过程中查找，失水、沉缩可能性极大。
3 裂缝产生的理论分析
3.1 外部荷载的影响
蒙华铁路隧道设计原则采用新奥法，即初期支护承受施工期间的全部荷载，二次衬砌只是长期性及特殊条件下的在使用过程中的安全储备。本工程初期支护措施采取了比较强的支护措施，且二衬混凝土施工前初支是经过监测已经稳定无变形的，可以排除由外荷载引起裂缝的原因。
但是存在仰拱施工缝与二衬施工缝不贯通，或长仰拱基底受力不均导致局部应力集中，不能排除仰拱不均匀沉降及变形引起上部拱墙变形，造成从仰拱的环向施工缝或应力集中点向上在二衬拱墙产生环向裂缝。
3.2 混凝土的收缩
混凝土结构裂缝的原因大部分是由于温度、湿度和不均匀沉降等变形作用引起的。我们知道混凝土的收缩包括“自生收缩”，是混凝土硬化过程中化学作用引起的硬化收缩，这种收缩与外界湿度变化无关。二是“塑性收缩”，混凝土浇筑4-15小时，水泥水化反应出现泌水及蒸发引起失水收缩，对于壁厚较薄的结构因塑性收缩引起裂缝的主要原因。三是“碳化收缩”，在一般环境中不加以考虑。四是干缩即“失水收缩”是混凝土收缩变形的主要部分。
3.3 温度应力变形
地下隧道的温度收缩应力研究等同于大面积混凝土整体式基础、底板、地面，该类结构物的特点是厚度远远小于其他两个方向的尺寸，受地基较大水平阻力影响造成对基础混凝土收缩应力的约束影响和约束程度大的特点。在坚硬地基高低变化频繁，大大增加地基阻力系数和水平应力。
收缩及温差越大、变化速度越快越容易开裂，结构越薄温差梯度越大抵抗温度收缩应力越小、基层对结构的约束作用越大、结构几何尺寸越大越容易开裂。温度应力首先与温差成正比，升温为正，应力为负，引起压应力，降温为负，应力为正引起拉应力，降温阶段，混凝土弹性模量迅速增加，约束拉应力也随着增加超过抗拉强度即出现贯穿裂缝。
3.4 混凝土的沉缩
因混凝土流动性不足或流动度过大，硬化前没有沉实或沉实不足或不均匀就会产生裂缝，流动度大的混凝土其相对沉缩变形远远大于普通干缩变形，容易引起早期裂缝。混凝土的沉缩裂缝与混凝土的沉缩量与流动性关系很大，遇灌注高低差大、混凝土沉缩不均、流动性不匀、浇灌速度过快或慢、硬化不均和差异沉缩产生裂缝。
4 裂缝施工控制与实践验证
4.1 预防和控制混凝土收缩
4.1.1 自生收缩
施工中混凝土的收缩大都与使用原材料的工作性质有关，本工程中掺加了粉煤灰对混凝土的抗裂是有益的，选择了JW-11高性能缓凝减水剂对混凝土的收缩影响很小，每方胶材用量分别为375kg（其中水泥281kg）、400kg（其中水泥275kg），水灰比分别为0.39、0.41，砂率分别为42%、43%，初凝时间分别为10h10min、10h55min，塌落度均为180±20mm。水灰比较小，水泥量较少，粗骨料含量、集料级配经试验良好，用水量不大，外加剂减水率符合标准要求、经过现场观察其保水性较好。再有施工中，严把材料质量关，尤其对砂石料的含泥量、集料级配严格控制，同时对外加剂、水泥质量波动及时分析总结，过程中屡次进行适应性试验，有效的消除和控制了由于混凝土原材料引起的自生收缩变形。
4.1.2 塑性收缩
施工中，一方面严把材料质量关，其次强化二衬混凝土施工质量控制，对二衬台车工装进行改装，确保混凝土灌注分层、分段均匀灌注均匀振捣。实现二衬混凝土从下至上利用灌注窗逐窗浇筑、逐窗分层振捣，拱顶逐板注浆，拱顶混凝土采用不少于2个孔浇筑，边墙以下部分采用插入式振捣为主，附着式振捣为辅；边墙以上部分采用附着式振捣为主，合理使用插入式振捣、附着式振捣互补双控，以施工工艺保证其均匀密实性。拆模后及时进行自动喷淋养护，达到混凝土表面“全天候、全湿润、全方位”的养护效果，固化二衬混凝土原材、半成品、浇筑、振捣、养护环节施工标准化工艺，减小混凝土的塑性收缩。
4.1.3 失水收缩
经现场确认胶合材料标准磨细度、骨料种类不是造成混凝土失水收缩的主要原因，混凝土在灌注完成30小时左右即开始脱模，大面积混凝土表面暴露，虽环境气温不高，但无法采取覆盖措施，表面失水是存在的，不可避免产生纹理细小、走向没有规律、表面性的干缩裂缝。
取消防水板施工段，在二衬台车走行合模前提前三天喷水充分湿润初支混凝土表面，但是，初支混凝土表面干燥吸浆吸水现象仍然存在，从某隧道裂缝处取芯样观察发现，初支接触面水泥浆流失严重，说明混凝土在硬化过程中水分散失较多,干缩较快。
4.2 控制温度应力
4.2.1 温度应力明显
毕竟隧道二衬属于薄壁混凝土结构，尤其Ⅲ、Ⅳ级围岩地段二衬混凝土厚35cm-40cm，水化热流失过快，部分围岩好如Ⅲa地段，喷混薄，水化热流失速度会更快，混凝土温度下降速度快，温度梯度大，产生的温度应力就大，而对于薄壁结构的二衬抵抗温度收缩应力的能力较小、温度应力容易超过混凝土自身内外的抗拉力。
4.2.2 变形约束大
取消防水板后，初支表面局部平整度差、不平顺，凹凸不平（根据规范要求初支表面平整度深长比小于1/10即可），喷射混凝土表面摩阻系数明显加大，对混凝土温度应力变形和干缩变形产生了极大的约束应力，阻碍了二衬的自由收缩，无法释放大部分变形，且二衬混凝土厚度不均匀，应力集中也容易导致从较薄弱的部位大面积开裂。
4.2.3 减小温度应力约束
在本工程没有构造钢筋的情况下，为了提高抗裂性能，设置滑动层和压缩层，基面形成逐渐变化的过渡形式，减小地基约束阻力，避免结构或断面突变产生温度收缩应力集中，同时设计考虑防排水措施也是合理的裂缝防治原理。这就是后来在施工中增设防水板与缓冲层的深层原因。
4.2.4 温差控制
我们知道潮湿状态及养护温度对混凝土的影响程度均较大，除保湿养护外还要控制内外温差。因当时气温为0-10℃较低，采用了10-15℃温水进行养护。但不排除水化热降温速率仍较快，可能导致产生温度收缩应力。
但大量的施工经验说明，对于铁路桥梁隧道的混凝土结构，只要合理选择水泥品种、标号、用量和外加剂、模板种类，正确确定混凝土配比、入模温度，改进混凝土性能及生产、浇筑工艺，实施温度监控和正确养护，完全可以控制混凝土内最高温度与环境温度差不大于25℃，保证混凝土内外侧、芯部与表面及表面与环境温差均小于15℃，根据二衬试验板的测温记录显示，也证明这一点，可以排除温差产生温度变形的开裂。
4.3 解决混凝土差异沉缩问题
虽然施工中严格控制较小的水灰比、适当缓凝、控制混凝土灌注下料速度、控制温度、避免失水，再有上部附着式振捣器对下部混凝土浇灌1-2小时后进行适当二次振捣，保证振捣密实；但是实际施工中还要进一步加强控制以下几点。
4.3.1 杜绝操作缺陷
往往存在个别混凝土窗口不开启，没有做到逐窗进灰、拱顶只用一个孔，灌注不均匀现象；再有插入式振捣棒振捣盯控较难，如插入式振捣棒平拖赶平混凝土，振捣不充分，没有达到振捣匀质密实的要求，此问题需要加强盯控及时纠正。
4.3.2 优化施工组织
局部部位混凝土灌注时间过长，灌注不连续有时有停顿间断现象，灌注速度也无法避免的出现过快或过慢现象，灌注前后上下部混凝土凝固、收缩不均匀，施工中应积极协调组织。
4.3.3 控制混凝土差异
虽要求对混凝土出机混凝土塌落度、温度、现场性能指标、入模温度严格检测控制，保证混凝土入模的工作性能，也不免出现混凝土塌落度、流动性时好时差存在性能差异，前后浇筑的混凝土沉缩、收缩、变形不一致导致开裂，施工中应严格控制出机及现场混凝土的工作性能。
4.3.4 工艺影响
拱部混凝土无法插入式振捣，采用附着式振捣不少于5-15s，在混凝土浇筑2小时左右即将凝固时，再次振捣不充分，导致混凝土的密实度不好，减少微裂和提高强度，提高抗裂性效果不明显。
普遍存在压顶方量较大，同时拱腰以上部位混凝土受初支磨阻力及拱部模板重力坡度小等影响不易下沉密实，导致混凝土自身沉缩不均匀而出现拱腰纵向裂缝，施工中要加强附着式振捣尽量减小压顶方量。
4.4 排除其他因素
4.4.1 实际设计特点
大量工程实践证明，适当配筋能够提高混凝土的极限拉伸控制收缩裂缝，但现有的铁路隧道设计中，围岩较好地段是不设混凝土构造配筋的，这样大大增加了二衬混凝土的开裂比例。
按照抗放兼施以放为主的设计原则，施工中由于外侧没有模板且接触表面粗糙不平，各结构之间存在某种粘连，变形不自由，结构中产生约束应力，设计施工中应尽量考虑给予避免。
4.4.2 湿度收缩、温度应力叠加
薄壁结构开裂主要因素是收缩，混凝土二衬结构的降温与收缩几乎是同时发生，混凝土结构将承受互相叠加的拉应力，极易开裂。施工中还要严格控制温度、湿度变化，防止其后引起的拉应力而产生裂缝。
4.4.3 施工周期因素影响
初期混凝土模板拆除较早，一般控制在24小时，虽然强度已经满足要求，但带模养护时间较短，二衬内外侧温差较大、收缩变形不同步。再有二衬混凝土施工局部有因与仰拱浇筑时间差较长，与仰拱收缩变形不同步、不均匀现象。
随后通过严格控制了拆模时间，保持在30-36小时，此时混凝土强度达10MPa以上，抵抗了因早期强度低受自重的影响因素，且混凝土降温收缩大部分已经释放，同时尽量缩短二衬与仰拱施工的时间差，通过合理的施工组织，消除了因施工周期对混凝土裂缝的影响。
5 结论和建议
经过对产生的裂缝进行定期排查统计、观察分析，裂缝没有继续变化发展。基于大部分裂缝宽度大于0.2mm，大于国内外设计规范和试验资料要求的最大裂缝的控制宽度，根据裂缝性质、部位及隧道的结构特点分析，此变形裂缝对承载力无严重影响，从持久强度和使用要求初步评定属于中等程度裂缝，需要适当补强处理。
标段自2016年12月份设计变更取消部分地段防水板后，裂缝问题凸显，经过一系列的分析研究和施工全过程的主动控制，在2017年2月份对三座隧道二衬混凝土施工进行试验，确定各项施工参数和措施，经过施工实践验证，于3月份标段内二衬裂缝问题得到了有效控制，后续施工没有出现类似的裂缝现象，取得了很好的实际效果。基于目前的科学技术水平现状下，从设计、施工、材料、结构等综合性因素出发，研究减轻这种裂缝的方法及控制措施，铁路隧道无配筋地段二衬早期裂缝是完全可以消除的。
参考文献：
[1]TB 10003-2016，铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2016.
[2]《铁路混凝土工程施工技术指南》铁建设【2010】241号[M]. 北京：中国铁道出版社，2014.
[3]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，1997. |
