浅析隧道衬砌混凝土产生裂纹（缝） 原因的分析及控制措施 施信彬 （重庆敬业建设监理有限公司） 关键词混凝土应力控制措施 工中，一是由于地区材料的限制，特别是近几年公路、铁路及 目前，在我国大部分公路、铁路隧道二衬混凝土施工后， 房建工程大量开工建设，导致地方的砂、石等地材供不应求， 混凝土表面及施工缝的常常出现不同程度的裂纹及裂缝，并且 不能满足工程进度的需要，而且工期紧张的情况下，施工单 随之伴随有隧道渗水，拱顶施工缝处混凝土掉快等现象，不仅 位、监理单位往往会放松对进场材料的验收工作，部分级配不 影响了隧道的美观性，更重要的是可能影响到结构的整体性、 良、含泥量超标的不合格材料按合格材料进行了验收。其二， 耐久性及后期营运的安全性。 混凝土在拌合时，未严格按照设计、施工配合比进行拌合，随 在工程中，隧道二次衬砌混凝土产生裂纹的原因比较多， 意改变水灰比，这些都是导致混凝土后期开裂的因素之一。 经过分析发现，主要是由以下几种因素造成： ２、温度应力和约束应力引起的裂纹。混凝土在浇筑后， １、混凝土原材料及混凝土配合在施工中控制不严。在施 由于混凝土在水化热期间，内部温度不断上升，在混凝土内外 加工时要使实际轮廓轨迹与零件编程轨迹一致，则从点Ｐ１ （１）对刀时，要把刀尖圆弧半径Ｒ值考虑进去（Ｚ向取半 圆弧插补到点Ｐ２时，若把编程轨迹半径改为（Ｒ－ｒ）＋ｒ＝Ｒ，即实 径、ｘ向取直径），不能以按假想刀尖进行对刀，而应以刀尖 际加工轨迹半径变为Ｒ。同样原理，编制车削凹圆弧面的程序 圆心进行对刀。如上述程序以工件右侧面的中心点作为工件坐 时，预先在程序圆弧半径上减去一个刀尖圆弧半径ｒ，同样可以 标原点，用试车法对刀时，车刀碰工件外圆后，如果对刀处的 消除刀尖圆弧过渡刃引起的加工误差，达到补偿目的。 外圆直径为３０ｍｍ，不应按原来假想刀尖的输入Ｘ３０，而应输入 若车削圆弧面时利用０４１或Ｇ４２刀具半径补偿办法虽然也可 ￣３６，因为刀尖圆心处的直径为３０ｍｍ￣上２倍的刀尖半径。 以消除刀尖圆弧过渡刃引起的加工误差，但要考虑建立刀补、 （２）计算圆心坐标时，要根据其刀位点在原有的坐标点 撤销刀补的坐标位置，相比起来编程繁琐一些。 的方向决定其加或减。 １．３举例说明 （３）检查所使用的刀具的刀尖圆弧半径的Ｒ值是否与程序 如图７所示， 在加工圆弧前已经用４５。弯头刀完成 中的Ｒ值一致。由于程序中刀尖圆心的轨迹是由刀尖圆弧半径 １００ｍｍ）ｂ圆的加工，圆弧车刀的圆弧半径为Ｒ３ｍｍ，仅加工图中 算出，不同的轨迹对应不同的轨迹，所以此方法加工零件时， Ｒｌ９ｍｍ的圆弧部分，刀尖圆心轨迹圆弧的半径为Ｒｌ６ｍｍ，起点Ａ和 车刀圆弧半径的测量精度将直接影响到零件的加工精度，车刀 终点Ｂ的直径均为１００ｍｍ，距右端面的距离分别为８．０ｍｍ，４０ｍｍ， 的刀尖圆弧半径改变时，程序必须跟着改变，在批量较大的生 其加工程序如下： 产中要注意刀具的磨损对加工精度的影响。 Ｏ ０００１； （４）车刀切削刃的圆弧半径应当小于或等于零件凹形轮 Ｎ１０ Ｓｌ Ｍ３； （主轴低速正转） 廓上的最小曲率半径，以免发生加工干涉。 Ｎ２０ Ｔ０１０１； （调用１号圆弧刀） （５）对有圆弧部分的编程，当刀尖在圆内时，其Ｒ值要减 Ｎ３０ Ｇ００ ＸＩ５０ Ｚ８０； （快速移动到安全换刀点） 去一个刀尖圆弧半径，当刀尖在圆心外时，其Ｒ值要加上一个刀 Ｎ４０ Ｘ１０６ ｚ＿８； （快速移动到加工起点） 尖圆弧半径值，内、外圆均如此。 Ｎ５０ Ｇ７１ Ｕ１ Ｒ０．５： （粗车圆弧面） ２结论 Ｎ６０ Ｇ７１Ｐ７０ Ｑ１００ Ｕ０．５ Ｆ０．２； 带刀尖圆弧过渡刃的车刀在车削圆弧面时，编程中预先在 ＮＴＯ ＧＯ Ｘ１Ｏ６Ｚ一８．０； 程序圆弧半径上加上或减去一个刀尖圆弧半径同样也可以消除 Ｎ８０ Ｇ１ Ｘ１ＯＯ ＦＯ．０８； 刀尖圆弧过渡刃引起的加工误差。在实际生产中，采用以上办 Ｎ９０ Ｇ２ Ｘ１ＯＯ Ｚ－４０ Ｒ１６； 法进行加工补偿不仅能达到消除加工误差的目的，而且编程简 ＮＩＯ０ Ｇ１ Ｘ１０６； 单方便。 Ｎ１ｌｏ ＧＯ Ｘ１５０ Ｚ８０ （快速退刀至换刀点） 参考文献 ＮＩ２０ Ｍ０５； （主轴停） ［１】王清明、卢泽声、梁迎春，亚微米数控车床误差补偿 ＮＩ３０ ＭＯ； （程序暂停） 技术研究【Ｊ】 中国机械工程，１９９９，１０（１０）：１１６９－Ｉ１７２． ＮＩ４０ ｓ２ Ｍ３； （主轴高速正转） ［２］倪军，数控机床误差补偿研究的回顾及展望【Ｊ】。中 ＮＩ５０ ＧＴ０ ＰＴ０＠ｉ００； （精车圆弧） 国机械工程，１９９７，８（１）：２９－３３ Ｎ１６Ｏ ＧＯ ＸＩＯ０ Ｚ８０； ［３］龚洪浪，提高数控车床加工质量的措施【Ｊ】，机械工 Ｎ１７Ｏ Ｍ５； 人（冷加工）。２００６（１）：３７－３９ Ｎ１８Ｏ Ｍ３０； ［４］董献坤，数控机床结构与编程【Ｍ】，北京机械工业出 在使用刀尖圆心编程方式时，注意事项： 版社，２０００。 ２０１３．Ｎｏ３１ 产生较大温差，在表面引起拉应力而产生裂纹。而后期在降温 表面约５ｃｍ深处的表层温度（包括仰拱和底板），实行严格的温 过程中，由于受到初支混凝土或模板台车的约束，往往会因约 度控制。二次衬砌结构任一截面在任一时间内的内部最高温度 束应力而会出现裂纹。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化 与表层温度之差一般不大于２ｏ℃，新浇筑混凝土与上一区段二 较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不及 次衬砌混凝土或围岩之间的温差不大于２０￣Ｃ，洒于混凝土表面 时，混凝土内外温差过大、时干时湿，表面干缩形变受到内部 的养护水温度低于混凝土表面温度的差值不大于１５￣Ｃ，混凝土 混凝土的约束，往往导致表面出现不规则的裂纹。 的降温速率最大不宜超过３℃／ｄ。 （４）在选取混凝土配合比时，应采用优良的骨料级配， ３、施工单位为了加快二衬砼的衬砌进度，常常是浇筑的 砼强度还未达到拆模的时间就开始脱模，导致隧道边墙砼因无 其中细骨料应选用级配合理、质地均匀坚固、级配和粒径良 法承载上部砼荷载、拱顶混凝土因自重下沉而开裂。同时，在 好、吸水率低、空隙率小的洁净天然中粗河砂；采用掺入粉煤 施工下版砼的台车定位时，衬砌台车与上版搭接长度过小或者 灰等胶凝材料，以及引气剂等外加剂的措施，尽量减少混凝土 上版衬砌砼因强度不足，台车支撑定位时的机械外力对混凝土 的水泥用量； 造成挤压式破坏在施工缝处产生了闭合的裂纹。还有就是因施 （５）混凝土的人模温度应视洞内温度而调整，冬期施工 工缝设置的中埋式止水带定位不居中，止水带过于靠近二衬混 凝土内表面形成薄弱部分，在台车定位时，外力造成对衬砌端 头混凝土的挤压损坏。至于还有其他关于砼开裂的因素，如地 质原因，基础沉降造成的裂缝等，在这里不在进行赘述。 通过对公路、铁路隧道二衬混凝土表面裂纹（开裂）的原 因分析，减少或者防止二衬混凝土裂纹的产生，可采取下列措 施来加以控制： １、施工单位在进场前，应对工程所在地的原材料供应情 况做充足的了解，做好原材料的供应、备料方案，并加强混凝 土所使用的砂、石地材的进场自检工作，严格把关，坚决做到 不合格材料不得进场。同时在混凝土拌合时，采用集中拌合， 使用电子计量的方式拌合｝昆凝土，不得随意更改｝昆凝土配合 比，严格按设计及施工配合进行施工，控制好水灰比。 ２、对于温度应力和约束应力引起的裂纹，应采取的措施 如下： （１）拌合站堆放砂、石的料仓，应在料仓仓顶及周围设 置遮阳篷及遮阳布，料仓设置排水坡度，减少外界太阳光的直 射，控制砂石含水量，避免外界原因造成对骨料的污染； （２）按照已批复的施工组织设计方案，合理安排组织运 输混凝土的车辆，尽量缩短混凝土的运输时间和入模时间，确 保｝昆凝土的入模温度，使入模温度得到有效控制； （３）？昆凝土的入模温度应视洞内温度而调整。冬季施工 时，骨料采取加热或者加热拌合用水的方法进行混凝土的拌 合，使混凝土的入模温度不应低于５℃；夏期施工时，应根据夏 季混凝土的浇筑方案，对骨料采取先加水冷却或者在拌合用水 中加冰块的方式，使混凝土的入模温度不宜高于洞内温度且不 宜超过３ｏ℃。施工过程中要估计混凝土温度与拉应力的变化， 提出混凝土温度的控制值，并在施工养护过程中实际测定关键 截面的中部点温度和离表面约５ｃｍ深处的表层温度（包括仰拱 和底板），实行严格的温度控制。二次衬砌结构任一截面在任 一时间内的内部最高温度与表层温度之差一般不大于２０℃，新 浇筑混凝土与上一区段二次衬砌｝昆凝土或围岩之问的温差不大 于２０￣Ｃ，洒于混凝土表面的养护水温度低于混凝土表面温度的 差值不大于１５℃，混凝土的降温速率最大不宜超过３℃／ｄ。在 夏天，应根据夏季混凝土的浇筑方案，在混凝土拌合前，对骨 料采取先加水冷却或者在拌合用水中加冰块的方式，降低混凝 土的浇筑入模温度；混凝土的入模温度应视洞内温度而调整， 冬季施工时，混凝土的人模温度不应低于５＂Ｃ；夏季施工时，混 凝土的入模温度不宜高于洞内温度且不宜超过３０℃。施工过程 中要估计混凝土温度与拉应力的变化，提出混凝土温度的控制 值，并在施工养护过程中实际测定关键截面的中部点温度和离 ２０１３．Ｎｏ３１ 时，混凝土的入模温度不应低于５℃；夏期施工时，混凝土的入 模温度不宜高于洞内温度且不宜超过３Ｏ℃。施工过程中要估计 混凝土温度与拉应力的变化，提出混凝土温度的控制值，并在 施工养护过程中实际测定关键截面的中部点温度和离表面约５ｃｍ 深处的表层温度（包括仰拱和底板），实行严格的温度控制。 二次衬砌结构任一截面在任一时间内的内部最高温度与表层温 度之差一般不大于２ｏ℃，新浇筑混凝土与上一区段二次衬砌混 凝土或围岩之间的温差不大于２０℃，洒于？昆凝土表面的养护水 温度低于混凝土表面温度的差值不大于１５℃，｝昆凝土的降温速 率最大不宜超过３￣Ｃ／ｄ。 （６）加强混凝土浇筑的养护工作。混凝土养护的最低期限 应符合下表（表一）的规定，且不得中断，混凝土养护期间，混 凝土内部温度不宜超过６０￣Ｃ，最高不得大于６５￣Ｃ，混凝土内部温 度与表面温度之差、表面温度与环境温度之差不宜大于２０￣Ｃ，养 护用水温度与混凝土表面温度之差不得大于１５￣Ｃ。当采用养护剂 养护时，养护剂应符合（（水泥？昆凝土养护剂》规定。 表一：混凝土养护的最低期限 混凝 水 洞内平均气温 养护期限 土类型 胶比 ≥ ５℃ ２１天 胶凝 ０．４５ １０℃ １４天 材料中掺有 ≥２０℃ １０天 矿物掺和料 ≤ ５℃ １４天 ０１０℃ ．４５ ≥２Ｏ℃ １０天 ７天 ≥ ５℃ １４天 胶凝 ０．４５ １Ｏ℃ ｌ０天 材料中未掺 ≥２０℃ ７天 矿物掺和料 ≤ ５℃ １０天 ０１Ｏ℃ ．４：５ ≥２０℃ ７天 ５天 以免混凝土表面发生急剧的温度梯度； ３、规定混凝土的合理拆模时间，在混凝土强度达到规定 的强度后予以拆模，在施工下版二衬混凝土时因台车定位造成 端头二衬混凝土因强度不足造成挤压损坏。其次是在安装中埋 式止水带时，定位要准确，确保止水带居中设置，形成薄弱部 位的造成的损坏。 目前，大家对工程中隧道二衬混凝土产生裂缝的原因进 行了各种各样的分析，同时也总结出了多种多样预防和控制措 施，并不断在实践中得到了有效的运用。我相信，只要我们在 具体的施工中多观察、多比较，出现问题后多分析、多总结， 结合多种预防、控制处理措施，隧道二衬混凝土的裂纹（缝） 是完全可以控制和避免的。