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建筑电气
高铁隧道矮边墙裂缝产生原因及预防措施
添加时间: 2021/9/28 12:35:39 来源: 作者: 点击数:681

  

               (中铁十八局集团第四工程有限公司 ,天津市津南区,邮编:300350)
摘要:高铁隧道施工中二衬支护阶段的矮边墙起到预埋纵向排水盲管,引接环向排水系统的重要作用,是隧道施工中排水系统的中枢。通过对杭绍台高铁东茗隧道矮边墙裂缝产生原因进行分析,在泄水口处加设钢筋网片钢筋条螺旋筋方式进行补强试验实践中取得了较好的结果。

关键词:高铁隧道   矮边墙裂缝   产生原因   预防措施

分类号:U455.4

    高速铁路防水要求严格隧道内不允许渗水[1],鉴于矮边墙在隧道二衬排水系统中的重要位置,本文对泄水口处的裂纹产生原因进行分析,并找到对应的办法以下就矮边墙裂纹的特征原因,解决办法分别讲述。

1 矮边墙裂缝的形成特征

    设计时速350KM的杭绍台高铁是我国首条民营控股高铁,连接杭州、绍兴、台州三个地方的专供旅客列车行驶的一条城际高速铁路。现对全线第一长隧道——18公里长的东茗隧道二衬的矮边墙施工进行分析。施工中矮边墙作为隧道排水系统中枢预埋纵向排水盲管,在隧道两侧(8~12米)纵向排水盲管的出水口分左,中,右三处(见图1)。裂缝或裂纹偶尔存在于中间出水口处呈竖向局部,有时竖向裂缝贯通矮边墙见图2。另外裂纹或裂缝也存在于上表面与模板交接处也以竖向居多。但从出现的频率来看,矮边墙的上表面裂缝或者是裂纹出现的非常少,而每板矮边墙泄水口左中右三个位置,左右泄水口处几乎看不到裂纹,唯独中部泄水口常出现竖向裂纹或裂缝。

2 矮边墙裂缝的形成原因排查

1 隧道矮边墙以及排水系统示意图

    1) 塑性收缩裂缝

    新浇筑成形的混凝土结构物表面常出现塑性裂缝,其是在混凝土凝结之前表面因为失水过快而产生收缩[2]。所以塑性收缩裂缝一般出现在空气干热或者大风天气环境下。且裂缝形状大多呈现中间宽,两端细且长短不一,互不连贯的状态,短的裂缝有20~30cm,长的则可达到2m到3m,宽度1mm到5mm。随着我国基建越来越多走出国门,在我工作过的地方沙特阿拉伯,气候干燥,风大,温度高就是这类典型的气候环境。工程实践中无论在涵洞施工时的顶板部位,还是在桥梁施工的桥面混凝土找平施工中或多或少存在,往往是由于混凝土浇筑完成后收面不到位加之养护方式不匹配形成。根据混凝土的特性分析收缩裂缝产生的原因为:在终凝之前混凝土几乎没有强度或者强度很小,随着时间推移混凝土刚终凝其强度也很小,在高温或大风影响下,混凝土表面一旦失水过快造成毛细管中产生较大负压混凝土体积急剧收缩,其较小的强度无法抵抗本身的收缩产生龟裂[3]需要加强覆盖喷水养护[4]


2 矮边墙中部出水口收缩裂缝

    隧道内环境影响混凝土塑性收缩开裂的几个主要因素:水灰比、终凝时间、空气温度,风速、相对湿度

    1)、水灰比:同一拌合站,水灰比变化不大。

    2)、终凝时间:配合比中减水剂掺量不会改变,终凝时间不会有调整[2]

    3)、入模温度:隧道贯通之前施工期间只有一个通道几乎封闭,隧道内部可以看做恒温的环境20°C左右,混凝土入模温度宜为5°C ~30°C[5]

    4)、风速:隧道内通风只有隧道口外部1.5米直径风袋供风,相较于高铁双向车道隧道的断面空间而言约10X 14米,可以看做是比微风还轻柔。

    5)、相对湿度:由于隧道封闭的特性,并且中心水沟长期排水水流存在,隧道内湿度恒定且高于外部环境有利于混凝土养生。

    很明显,混凝土裂纹在排水管处产生不在于以上五点外部影响因素。

    2)沉降收缩裂缝

    混凝土浇筑段地基呈现土质不匀结构、松软或者回填土压实度数值不足或回填土浸水造成不均匀沉降容易产生沉降裂缝。另外,模板刚度不足,模板支撑间距过大或者支撑底部松动也可能产生沉降裂缝。这类裂缝延伸很深或为贯穿性裂缝,裂缝呈菱形,走向随沉陷情况有变化,常沿着与地面垂直或呈30~45°角方向发展,常伴随不同程度的错位,裂缝宽度和沉降量有一定正比关系。裂缝宽度0.3~0.4mm,此类裂缝因物理性质产生受温度变化影响不大。沉降裂缝稳定程度和地基沉陷变化趋于一致[6]

    再看我们讨论的隧道内矮边墙处地基情况:洞内绝大部分地段为II级围岩整体性好,围岩坚硬几乎不产生沉降,该矮边墙坐落处就是如此,浇筑混凝土前严格清理地基浮渣直至出露岩石面。矮边墙模板仅有面向隧道中线的侧模,混凝土直接浇筑在底部岩面上,不存在底面模板支撑变形可能。

    3)温度裂缝

    大体积混凝土浇筑过程中,随着混凝土的凝固,水泥水化产生大量的水化热,(水泥用量在350-550kg/m3时每立方米混凝土释放的热量达到17500-27500kJ,混凝土内部的温度往往达到70°C左右甚至更高)。大体积混凝土浇筑后大量的水化热积聚在内部不易散发造成内部温度快速上升,相校于混凝土表面的快速散热,内外温差必然形成。这就使得内部和外部热胀冷缩的差异,最直接的结果就是在混凝土表面产生拉应力,当拉应力超出混凝土抗拉强度极限时(矮边墙采用C30混凝土极限抗拉强度2.2MPa[7],相比极限抗压强度22.5 MPa很小),就产生混凝土表面裂缝,多发生在浇筑混凝土的中后期。

    从矮边墙的体积特点来看,宽度不超过1米,高度1米,长大多12米,算不得大体积混凝土。散热条件良好,温差不太大。

    我们可以发现混凝土在矮边墙上的裂缝产生的原因不在于以上三条排除后其它原因后问题集中在一点,即混凝土浇筑不久初凝之后一天左右时间混凝土水化过程中体积收缩变小,由此在矮边墙左右,上下都是自由面收缩过程中不存在拉力,只有在中部泄水口处混凝土收缩受拉作用下成为应力最集中的地方裂缝以此薄弱点形成并蔓延甚至竖向裂缝贯通整个矮边墙。在水灰比、终凝时间、空气温度,风速、相对湿度综合条件一定的条件下,裂纹效果也即确定,在1D龄期就表现出来,此时抗拉强度极低,由下面公式可算出混凝土1天龄期抗拉强度[8]

ftk(t=ftk(1-e-rt)=2.01*(1-e-0.3*1=0.5MPa

ftk--混凝土抗拉强度标准值C30取2.01

 r--系数,近似地取r=0.3

 t--取1,1天混凝土龄期

3 预防措施

    发现矮边墙中部泄水口处常出现竖向裂纹或裂缝这个问题后,我们针对分析的结果决定在泄水口处加设钢筋网片钢筋条螺旋筋几种方式进行补强试验。
    1)增设钢筋网片。具体是以出水口为中心在其周围30cm范围内用规格HPB300直径10mm光圆钢筋布设双层钢筋网格,网格间距10cm,两层钢筋网片间距15cm,然后浇筑混凝土。
    2)加设钢筋条。在泄水口上方3到5cm处以泄水口为中心顺矮边墙方向并排固定三根16mm直径的带肋钢筋,长度50cm,然后浇筑混凝土 
    3)在泄水口周围安放一圈螺旋筋,规格HPB300 直径10mm, 螺距10cm,然后浇筑混凝土。
    以上在浇筑混凝土终凝后均洒水养护。

4 措施效果
    分别采取以上三种措施后,裂缝均得到控制。方式1使得矮边墙泄水口处沿长度方向,高度方向两个维度混凝土的收缩应力得到分散避免裂纹或裂缝的产生。方式2使矮边墙沿长度方向混凝土收缩应力得到分散,且钢筋和混凝土由于钢筋肋的存在结合效果更好同样避免应力集中裂纹的产生。高度方向上也没有发现裂纹,说明小尺寸范围混凝土的收缩应力集中引发的破坏尚在限度之内。也即在1m尺度范围泄水口位置靠近上表面(泄水口上沿离上表面28cm)的情况下混凝土水化收缩形变产生裂纹得到了控制。方式3将混凝土水化收缩应力分散和钢筋抗拉强度高的优点结合在了一起。同样效果显著。

    仅就矮边墙泄水口裂纹的控制来说,虽然三种方式均可取,但从构件加工难以程度,节约工时的角度上来说在后续的施工中我们选择了第2种措施。

    根据矮边墙的空间尺寸特点,我们有针对性的采取相对简单经济的方式使得裂纹得到控制,也使防水效果得到了保证。

5 结语

在隧道的施工过程中针对矮边墙的空间尺寸特点,为控制纵向盲管泄水口处的裂纹产生尤其是避免产生贯通性的裂缝,通过分析原因,通过实验选取最节约工时的方式解决实际问题,确保了工程质量,同时提高了经济效益。工程实践表明,混凝土施工过程中由于混凝土固有特点,我们有必要围绕这些特点进行问题分析并针对性的采取必要的预防措施。通过增加钢筋来加强混凝土强度同时分散泄水口处混凝土应力使得矮边墙泄水口处混凝土裂纹得到了控制。

参考文献: 

[1]卿三惠.高速铁路施工技术[M].北京:中国铁道出版社,2013
[2]双线隧道复合式衬砌参考图,杭绍台施隧参01-01~01-18,天津:中国铁路设计集团有限公司,2018

[3]谢永江李化建黄直久等,铁路混凝土(中华人民共和国铁道行业标准),TB/T 3275-2018北京:中国铁道出版社,2018发布,2019实施

[4]赵万强赵勇潘朋等,铁路隧道设计规范TB10003-2016.北京:中国铁道出版社,2017
[5]王金常乃超高策等,铁路混凝土工程施工技术规程,Q/CR 9207-2017北京:中国铁道出版社,2018
[6]王俊平.单线铁路隧道仰拱、矮边墙快速施工技术[J].石家庄铁路职业技术学院学报,2018,17(02):48-52.
[7]杨伟,王国良.公路隧道仰拱裂缝处理技术探讨[J].公路交通技术,2014(05):118-122.

[8]铁路隧道仰拱设计施工关键技术分析[J]. 吴明友.  铁道标准设计. 2010(12)

Causes and Preventive Measures of Cracks in Low Side Wall of High-speed Rail Tunnel

Zheng  Fei

(China Railway 18 Bureau Group Co., Ltd., Tianjin, Hexi 300222)

Absrtact: In the construction of high-speed railway tunnel, the low side wall in the second lining supporting stage plays an important role in the pre-embedded longitudinal drainage blind pipe and the connec, tion of the circular drainage system, and is the center of the drainage system in the tunnel construction. Based on the analysis of the causes of cracks in the low side wall of Dongming Tunnel of Hangzhou-Shaotai High-speed Railway, the reinforcement tests were carried out by adding steel meshes, bars and spiral bars at the outlet, and good results were obtained in practice.

Key words: Causes of cracks in low side wall of high-speed railway tunnel and preventive measures

Classification number: U455.4

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