浅谈隧道衬砌裂损及湿喷混凝土施工

【摘要】作为地下工程的重点项目隧道工程，由于其复杂性，难维修与难管理，质量问题一直困扰着广大工程技术人员和科研工作者。本文先对隧道初期支护湿喷混凝土及运营隧道衬砌裂损进行相关分析，主要对隧道初期支护湿喷混凝土施工工艺流程及质量控制要点问题和隧道衬砌裂损阐述了作者的对策。

【关键词】隧道；支护；混凝土；湿喷；衬砌裂损；

Discussion on tunnel lining crack and wet spraying concrete construction

Abstract：As a key project of underground engineering tunnel engineering, because

of its complexity, difficult to repair and difficult to manage, the quality problem that had plagued the majority of engineering and technical personnel and scientific research workers. This article first to tunnel wet spraying concrete and tunnel lining crack were analyzed, mainly for primary support of tunnel wet spraying concrete construction process and quality control points of tunnel lining crack problems and expounds the countermeasures.

[ Key words ] tunnel; support; concrete; spray; lining crack;

随着我国铁路、公路等基础设施的不断发展，中国已经成为世界上隧道工程数量最多、发展最快的国家。作为交通运输的咽喉，运营隧道结构的安全状况影响着客货运输的效益及安全。混凝土湿喷工艺由于其“综合成本低、社会效益好、环境污染小”的优点在隧道施工中逐步占据了主导趋势，并成为铁道部强制要求实施的工艺。混凝土湿喷施工能巨大的改善隧道施工作业环境。缩短喷射混凝土的作业循环，更尤为重要的是通过湿喷工艺建立喷射混凝土质量保证体系，使喷射混凝土质量稳定可靠。同时，由于水害、冻害、不良地质及衬砌材料侵蚀等原因，运营隧道的衬砌混凝土出现开裂、变形、疏松、剥落、掉块等现象，降低了衬砌结构的承载能力，缩短了使用寿命，甚至导致衬砌结构失稳、遭到破坏。本文结合工程实例针对初期支护湿喷混凝土施工工艺流程及质量控制要点及运营隧道衬砌裂损病害及其防治措施，针对性的论述了特殊部位的施工要点。

喷射混凝土采用洞外自动计量拌和站拌和，湿式喷射混凝土施工，喷射混凝土可减少回弹量，降低粉尘，提高工作效率和施工质量。

湿喷混凝土施工工艺框图见“湿喷混凝土施工工艺流程图”。

水泥 混凝土拌砂 石子 水 纤维 风压控制 和

混凝土喷射机 受喷围岩面 液体速凝剂 湿喷混凝土施工工艺流程图

喷射支护前撬去表面松土和欠挖部分，用高压风清除杂物；遇开挖面水量大时，采取措施将水集中引排。

喷前对设备进行检查和试运转；在受喷面、各种机械设备操作场所配备充足照明及通风设备。

按照设计厚度利用原有部件如锚杆外露长度等，也可在岩面上打入短钢筋，标出刻度，做为标记。

粗骨料加入拌和前要再次过筛，以防超径骨料混入，造成堵管。细骨料应堆放在防雨料库，以控制含水量。

混凝土喷射机安装调试好后，在料斗上安装振动筛（筛孔10mm），以避免超粒径骨料进入喷射机。

喷射时，送风之前先打开计量泵，送风后调整风压，使之控制在0.45~0.70MPa之间，若风压过大，粗骨粒碰围岩后会回弹；风压小喷射动能小，粗骨粒冲不进砂浆层而脱落，都将导致回弹量增大。以混凝土回弹量小、表面湿润有光泽、易粘着为度来控制喷射压力。 喷射方向与受喷面垂直，工作中喷头与受喷面采用计算机自动控制，与岩面方向垂直、等距喷射；若受喷面被钢架、钢筋网覆盖时，将喷咀稍加偏斜，但不宜小于70°。 一次喷射厚度不宜超过5~6cm，过大会削弱混凝土颗粒间的凝聚力，使喷层因自重过大而大片脱落，或使拱顶处喷层与围岩面形成空隙；过小，则粗骨料容易弹回。分次喷至设计厚度，两层喷射的时间间隔为15-20min。影响喷层厚度的主要原因是速凝剂作用效果和气温。

为提高功效和保证质量，喷射作业应分片进行。为防止回弹物附着在未喷岩面上影响喷层与岩面间的粘结力，按照从下往上施喷，呈“S”形运动；喷前先找平受喷面得凹处，再将喷头成螺旋形缓慢均匀移动，保证混凝土层面平顺光滑。

喷混凝土的原材料、配合比（包括速凝剂的添加量）不仅要满足要求，而且速凝剂的凝

结时间、与水泥的相容性、对强度的影响都要达到要求。

喷射混凝土的现场配比应适当提高其强度等级，以确保附着在围岩面上的喷混凝土层的设计强度。

喷射混凝土紧跟开挖掌子面进行，当围岩破碎、稳定性差时，一般采用小药量的松动爆破，初喷（厚4cm以上）、锚杆、钢筋网、钢架、复喷（二喷、三喷）等作业可以连续进行，直到达到设计要求。架设好格栅钢架后，迅速用喷射混凝土封填，使之发挥支护能力。围岩较完整、稳定时间较长时，初喷、锚杆、钢筋网等施工后即可进行开挖作业，待下一循环初期支护时间再复喷，可将设计厚度的喷层分两、三次完成，由于每层间隔为一循环时间，每层因爆破产生的裂纹在下一次喷混凝土时被填充，而新喷层距掌子面渐远，所受的爆破振动亦越小，使喷混凝土层的支护能力更强。 工程实例

三甲寨隧道整个湿喷施工过程中的经验表明，当砂子细度模数控制在2.5～3.2之间、石子粒径控制在5～10mm(最大粒径不大于15mm)、混凝土塌落度控制在180～200mm时，TK-600湿喷机速凝剂计量泵流量调节螺杆示数调至6.5左右时，其喷射速度和喷射效果都较好。正常喷射情况下实际生产率能达到5方/h（该机的额定生产率为6方/h）,喷射混凝土的1d、28d强度均能满足设计及规范要求；回弹量在8%～10%左右，远小于干喷施工回弹量的30%，巨大的降低了施工成本。 衬砌裂损的类型

隧道衬砌裂损的类型主要有衬砌变形、衬砌移动、衬砌开裂3种。

1 衬砌变形：衬砌变形有横向变形和纵向变形两种，其中横向变形是主要变形。横向变形是指衬砌由于受力原因而引起拱轴形状的改变。

2 衬砌移动：衬砌移动是指衬砌的整体或其中一部分出现转动、平移和下沉等变化，也有纵向和横向之分。 3 衬砌开裂：衬砌开裂是指衬砌表面出现裂纹、裂缝或贯通衬砌全部厚度的裂纹的总称，是衬砌变形的结果。衬砌开裂包括张裂、压溃和错台3种：①张裂。张裂是弯曲受拉和偏心受拉引起的裂损。②压溃。压溃是弯曲或偏心受压引起的衬砌裂损。③错台。错台是由剪切力引起的裂缝，裂缝宽度在表面至深处大致相同 衬砌裂损的防治原则

防治衬砌裂损病害首先要在选材上下功夫，其次是消灭已有的衬砌裂损带来的对结构及运营的一切危害，并防止裂损再加大，再者是采用以稳固围岩为主，稳固围岩与加固衬砌相结合的综合治理措施。 隧道衬砌防开裂技术措施

（1）混凝土的耐久性与抗渗性有关，耐抗渗性又与抗裂性有关，而解决混凝土的抗裂性，提高耐久性的技术关键是选择合理配合比，选用高质量的材料和严格控制施工工艺，从而起到防止和避免施工过程中混凝土的收缩裂缝（干缩合冷缩裂缝）。

（2）选择低水化热、耐腐蚀、耐久性好的原材料，是防止混凝土开裂的基础，因此施工中必须从原材料抓起，严格控制。

（3）选用高效减水剂，是减少水泥用量、控制水灰比、降低水化热、防止混凝土开裂的有效措施。

（4）选用合理的配合比，包括水泥用量、水灰比、外加剂掺量、粉煤灰掺量、砂的细度模数、混凝土坍落度、早期强度、混凝土体中心温度等，通过调整混凝土配合比，降低水化热，控制水灰比，提高混凝土质量，防止混凝土开裂。

（5）采取保湿措施，要求混凝土表面不能失水，始终保持混凝土表面湿润，防止产生干缩裂纹。隧道混凝土施工完成后，立即进行养护，对空气湿度进行监测，当空气湿度不能满足养生要求时，必须进行喷洒水雾从而保证混凝土表面始终保持湿润。

（6）控制拆模时间，根据隧道衬砌进度安排，每节衬砌拆模时间安排在5天以上，使混凝土强度达到设计70%以上，洞口地段承受围岩压力较大时，混凝土强度要达到100%设计强度。控制拆模有两个指标，一个是混凝土强度要满足设计规范的要求；另一个是混凝土温度控制要满足两个条件，即混凝土中心温度与混凝土表面温度之差<20℃，混凝土表面温度与大气环境温度之差<20℃，这两个指标必须同时满足。

（7）隧道混凝土施工完成后，立即进行养护，对空气湿度机型监测，当空气湿度不能满足养生要求时，必须进行喷水养护。

（8）控制衬砌混凝土与开挖面的距离，洞身开挖放炮时间与衬砌混凝土尽量错开，以防止混凝土受爆破震动开裂。

（9）严格控制衬砌混凝土的施作时间，本虽大搜浅埋段采用整体衬砌，在开挖后及时进行，控制围岩变形；复合式衬砌，须待初期支护变形基本稳定后进行二次衬砌，并在混凝土强度达到2.5MPa以上后拆模，以确保衬砌结构质量，防止开裂。 稳固岩体的工程措施

1 治水稳固岩体：地下水的浸泡与活动对各种围岩的稳定性削弱最大。通过疏干围岩含水，并采取相应治水措施是稳固岩体的根本措施之一。

2 锚杆加固岩体：对较好的岩体，自衬砌内侧向围岩内打入一定数量和深度(3m~5m)的金属锚杆、砂浆锚杆，可以把不稳定的岩块固定在稳定的岩体上，提高破损围岩的黏结力，形成一定厚度的承载拱；在水平层状的岩石中把数层岩层串联成一个组合梁，与衬砌共同承受外荷载。对松散破损的岩体采用锚杆加固不仅可以有效地控制岩体的变形和提高其稳定性，而且可以使岩体对衬砌的压力大小和分布图形产生有利的转化。

3 注浆加固岩体：通过向破损松动的岩体压入水泥浆液和其他化学浆液(如铬木素、聚氨酯等)加固围岩，疏散地下水对围岩的浸泡与渗入衬砌，使衬砌背后形成一个1m~4m厚的人工固结圈，就能有效地稳固岩体，防止地下水的渗入，甚至使作用在衬砌上的地层压力大

小和分布图形产生有利的转化，有利于衬砌结构的受力和防水。

4 支挡加固岩体：对靠山、沿河偏压隧道或滑坡地带，除治水稳固山体外，尚可采取支挡措施，包括设支挡墙、锚固沉井、锚固钻(挖)孔桩等来预防山体失稳与滑坡，这种工程措施只能用于洞外防治。

5 回填与换填：如果衬砌外周围存在着各种大小的空隙(如超挖而没有回填等)，不仅使地层压力分布图形产生不利影响，而且使得衬砌结构失去周边的有利支撑条件，不能使衬砌的承载能力得到更大的发挥。此时应采取回填措施，用砂浆或混凝土将围岩空隙回填密实。如果隧底存在厚度不大的软弱不稳定的岩体或有不稳定的充填物，可以采取换填办法处理。 衬砌更换与加固

已裂损的衬砌一般均有相当大的支护潜力，可以充分利用，仅在没有加固条件或经济上不合理的情况下，或者根据长远技术改造规划的要求才采用更换衬砌的办法。加固工程的主要方法如下。

1 压浆加固：①圬工体内压浆。衬砌裂损发展非常缓慢或者已呈稳定时，可以进行圬工体内压浆，一般以压环氧树脂浆为主，并选择在无水季节施工。②衬砌背后压浆加固。主要是针对衬砌的外鼓和整体侧移。在拱后压浆增加拱的约束可以提高衬砌刚度和稳定性。一般可以局部应用，主要在发生外鼓变形的部位使用。如果衬砌同时存在外鼓与内鼓部位，首先采取临时措施控制内鼓继续变形，然后在外鼓变形的部位压浆加固之后再对内鼓采取加固措施，最好再对全断面进行整体加固。

2 嵌补加固：对已呈稳定、暂不发展的裂隙，如果不能采取压浆加固者可以采取嵌补，即将裂缝修凿剔深，在缝口处用水泥浆、环氧树脂砂浆或环氧树脂混凝土进行嵌补。对发展较快的裂损，为确保安全，可以采取钢拱架临时加固，只加固拱部时用上部拱架加固，拱架脚可以嵌入墙顶或支撑于埋在墙顶的牛腿上，并加纵向连接。如果要全断面加固则可用长腿钢拱架。为了增加纵向抗弯能力，支撑纵向应加强连接，如果隧道内部净空条件不足，钢拱架可以部分或全部嵌入被加固的圬工体内，并在钢拱架之间再加纵向连接，然后灌注混凝土，做成薄套拱形。此法在衬砌厚度太薄或衬砌严重破损碎裂时不能采用。

3 喷锚加固：裂损衬砌的所有内鼓变形和内向移动的裂损部位，采用(预应力)锚杆加固岩体是有效的，此时锚杆既可沿内缘张裂纹的走向两边布置，做局部加固，也可做全断面加固，将衬砌与岩体嵌固在一起，形成一个均匀压缩带，以增强围岩的稳定性，提高支护结构的承载能力。采用此法时应检查衬砌厚度、背后超挖回填及围岩整体性情况。锚杆的设置应在衬砌的背后压浆后两个星期进行。锚杆的锚固段应设在稳定围岩中。对于衬砌上的裂纹及时嵌填。喷混凝土可以使所有已裂损的圬工块体紧密结合，阻止这些块体的松动，同时在喷射压力作用下嵌入裂缝内一定深度，使裂缝重新闭合，增强裂损衬砌的整体性，较大幅度的提供裂损衬砌的承载能力，达到加固的目的。必要时也可以在喷层中加入钢筋网，用于防止收缩裂纹，提高加固结构的整体性和抗震、抗冲切能力。喷锚加固是较为常用的加固衬砌裂损的措施。

4 套拱加固：果混凝土质量差，厚度不够，或受机车煤烟侵蚀，掉块剥落严重，并且拱顶净空有富余时，可对衬砌拱部加筑套拱或全断面加筑套拱。如果隧道内净空条件不足，可以采用落道套拱的办法。套拱与原衬砌间用Ф16mm~18mm的钢筋钎钉锚接，钎钉埋入原拱20cm左右作为钢筋的生根处。套拱中的主筋也可用钢拱架、格栅来代替，其间距为50cm~80cm，纵向用拉杆焊接。套拱用强度等级不低于C20的混凝土灌注，其厚度为20cm~30cm。套拱拆模后要进行压浆，以填充其背后空隙，使新旧拱圈连成整体。当拱部灌注混凝土难度较大时，可以采用喷混凝土、网喷混凝土和喷钢纤维混凝土进行加固。事实上，套拱加固已日益被喷锚加固所代替。

5 更换衬砌。拱部衬砌破坏严重，已丧失承载能力，用其他防治补强手段难以保证结构

稳定，或者衬砌严重侵入限界，采用其他防治措施有困难时，可采用全拱更换，彻底根除病害。 结束语

隧道施工初期支护湿式混凝土喷射工艺因其高效、环保、高能等优点而被广泛应用，但其在使用中仍存在一定问题（如：喷射混凝土时占用罐车时间长导致施工单位混凝土运输罐车投入增大，因为喷射速度相对其他混凝土施工速度依然较低等因素）制约了湿喷技术的发展和应用，同时分析了运营隧道裂损衬砌病害的防治措施，旨在加深读者对隧道病害的认识，因此对其进行深入研究，不断优化其工艺是当前亟需解决的实际问题。 参考文献

[1]李凌云. 隧道衬砌裂缝病害原因分析及整治加固技术的探讨[J]. 湖南交通科技, 2006,(03) .

[2] 易丽萍．现代隧道设计与施工[M]．北京：中国铁道出版社，1997．