一种现浇混凝土衬砌结构裂缝的预防及控制方法

摘要

本发明涉及复合式衬砌的隧道及地下工程技术领域，公开了一种现浇混凝土衬砌结构裂缝的预防及控制方法，包括以下步骤：确定隧道及地下工程衬砌结构的工程特性指标A；确定裂缝控制指标E；确定有利于衬砌混凝土裂缝预防及控制的约束条件指标B；现场监测衬砌混凝土施工环境及其变化规律，确定施工环境特征指标C；确定有利于衬砌混凝土拆模后的裂缝预防及控制的养生条件指标D；判定是否需要修正裂缝预防及控制方法相关的指标A、B、C、D，这种现浇混凝土衬砌结构裂缝的预防及控制方法，实现浇混凝土衬砌的施工质量控制目标，达到结构安全性和耐久性设计的预期目标。

权利要求

1.一种现浇混凝土衬砌结构裂缝的预防及控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定隧道及地下工程衬砌结构的工程特性指标A

依据工程设计及施工方案确定隧道及地下工程衬砌结构的基本特征，隧道及地下工程衬砌结构的基本特征包括：隧道及地下工程结构特征、衬砌结构施工工序与工艺、混凝土组成、混凝土早期强度及混凝土增长特征，在衬砌结构施工过程中，根据监控量测结果及衬砌混凝土的裂缝规模F予以修正或调整；

S2、确定裂缝控制指标E

依据工程设计相关规范及业主要求确定衬砌结构裂缝控制指标E；

S3、确定有利于衬砌混凝土裂缝预防及控制的约束条件指标B

首先，依据工程设计及施工方案确定衬砌混凝土的组成、配合比、水灰比，衬砌结构组成、衬砌结构的几何特征以及隧道及衬砌结构施工工艺及工序的基本值，在衬砌结构施工过程中，根据现场监测结果及衬砌混凝土的裂缝规模F或室内试验获得现浇混凝土衬砌的应力场特征，确定是否需要修正或调整；

然后，现场监测衬砌混凝土温度场和环境温度场，根据监测衬砌混凝土浇筑4小时后的温度和环境温度随时间变化曲线图，得到衬砌混凝土的内外温差ΔT，ΔT应满足：ΔT≤20℃；

再次，依据工程设计及施工方案确定现浇衬砌环结构的约束条件、围岩及先期衬砌结构的变形特征、现浇衬砌环结构的受力特征及变形行为的基本值，在衬砌结构施工过程中，根据现场监测结果及衬砌混凝土的裂缝规模F或室内试验，确定是否需要予以修正或调整；

S4、现场监测衬砌混凝土施工环境及其变化规律，确定施工环境特征指标C施工环境特征指标C依据现场环境监测参数：湿度、风速及其分布特征和温度确定；

S5、确定有利于衬砌混凝土拆模后的裂缝预防及控制的养生条件指标D

根据有利于衬砌混凝土裂缝预防及控制的约束条件指标B，以及衬砌混凝土施工环境及其变化规律的监测结果所确定的施工环境特征指标C，根据衬砌结构施工过程及施工后的监控量测结果及衬砌混凝土的裂缝规模F，以是否满足裂缝控制指标E为基本判据，建立有利于衬砌混凝土拆模后的裂缝预防及控制的养生条件指标D；

S6、判定是否需要修正裂缝预防及控制方法相关的指标A、B、C、D

依据工程设计相关规范及业主要求确定衬砌结构裂缝控制指标E来判定是否需要修正裂缝预防及控制方法相关的指标A、B、C、D，当裂缝规模F≤E，确认前述裂缝预防及控制方法满足要求，按既定方案执行；当F>E，需要修正或调整裂缝预防及控制方法相关的指标A、B、C、D；通过下一循环判定调整或修正后的裂缝预防及控制方法及其相关指标是否满足要求，直到满足要求。

2.如权利要求1所述的现浇混凝土衬砌结构裂缝的预防及控制方法，其特征在于，所述步骤S1和S3中的现浇混凝土衬砌结构施工工序为：依次完成仰拱、矮边墙施工后，再进行侧墙和拱衬砌混凝土的浇筑，在先期衬砌施工完成后进行的。

3.如权利要求1所述的现浇混凝土衬砌结构裂缝的预防及控制方法，其特征在于，所述步骤S1中的现浇混凝土衬砌的早期强度及其增长特征是通过控制截面位置处的温度场监测、外侧受到的径向力监测和现浇衬砌与先期衬砌接触面间的相对位移监测来予以评价。

4.如权利要求1所述的现浇混凝土衬砌结构裂缝的预防及控制方法，其特征在于，所述步骤S4中的现场环境监测参数的控制指标为：拆模后混凝土表面附近相对湿度>70％；混凝土表面温度与内部温度的差值ΔT≤20℃。

说明书

一种现浇混凝土衬砌结构裂缝的预防及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及复合式衬砌的隧道及地下工程技术领域，特别涉及一种现浇混凝土衬砌结构裂缝的预防及控制方法。

背景技术

[0002] 采用复合式衬砌的隧道及地下工程，二次衬砌或第三层衬砌混凝土在强度形成期间及施工后较短的时间内往往出现收缩裂缝和不同浇筑时间混凝土间的差异变形裂缝。裂缝的出现不仅影响隧道及地下工程的耐久性，对于围岩地下水具有侵蚀性的隧道及地下工程，由于裂缝的存在，会增大衬砌结构的渗透性，从而降低工程的安全性。对于采用复合式衬砌的隧道及地下工程，二次衬砌或第三层衬砌混凝土收缩裂缝和不同浇筑时间混凝土间的差异变形裂缝预防及控制是诸多隧道及地下工程设计及施工质量控制需要解决的课题。

发明内容

[0003] 本发明提供一种现浇混凝土衬砌结构裂缝的预防及控制方法，采用复合式衬砌的隧道及地下工程，二次衬砌或第三层衬砌混凝土强度形成及增长阶段收缩裂缝和不同浇筑时间混凝土间的差异变形裂缝预防及控制方法，其目的是服务于采用复合式衬砌结构的隧道及地下工程现浇混凝土衬砌的安全性和耐久性设计，以及施工质量控制。

[0004] 本发明提供了一种现浇混凝土衬砌结构裂缝的预防及控制方法，包括以下步骤：S1、确定隧道及地下工程衬砌结构的工程特性指标A

[0005] 依据工程设计及施工方案确定隧道及地下工程衬砌结构的基本特征，隧道及地下工程衬砌结构的基本特征包括：隧道及地下工程结构特征、衬砌结构施工工序与工艺、混凝土组成、混凝土早期强度及混凝土增长特征，在衬砌结构施工过程中，根据监控量测结果及衬砌混凝土的裂缝规模F予以修正或调整；

[0006] S2、确定裂缝控制指标E

[0007] 依据工程设计相关规范及业主要求确定衬砌结构裂缝控制指标E；

[0008] S3、确定有利于衬砌混凝土裂缝预防及控制的约束条件指标B

[0009] 首先，依据工程设计及施工方案确定衬砌混凝土的组成、配合比、水灰比，衬砌结构组成、衬砌结构的几何特征以及隧道及衬砌结构施工工艺及工序的基本值，在衬砌结构施工过程中，根据现场监测结果及衬砌混凝土的裂缝规模F或室内试验获得现浇混凝土衬砌的应力场特征，确定是否需要修正或调整；

[0010] 然后，现场监测衬砌混凝土温度场和环境温度场，根据监测衬砌混凝土浇筑4小时后的温度和环境温度随时间变化曲线图，得到衬砌混凝土的内外温差ΔT，ΔT应满足：ΔT≤20℃；

[0011] 再次，依据工程设计及施工方案确定现浇衬砌环结构的约束条件、围岩及先期衬砌结构的变形特征、现浇衬砌环结构的受力特征及变形行为的基本值，在衬砌结构施工过程中，根据现场监测结果及衬砌混凝土的裂缝规模F或室内试验，确定是否需要予以修正或调整；

[0012] S4、现场监测衬砌混凝土施工环境及其变化规律，确定施工环境特征指标C[0013] 施工环境特征指标C依据现场环境监测参数：湿度、风速及其分布特征和温度确定；

[0014] S5、确定有利于衬砌混凝土拆模后的裂缝预防及控制的养生条件指标D[0015] 根据有利于衬砌混凝土裂缝预防及控制的约束条件指标B，以及衬砌混凝土施工环境及其变化规律的监测结果所确定的施工环境特征指标C，根据衬砌结构施工过程及施工后的监控量测结果及衬砌混凝土的裂缝规模F，以是否满足裂缝控制指标E为基本判据，建立有利于衬砌混凝土拆模后的裂缝预防及控制的养生条件指标D；

[0016] S6、判定是否需要修正裂缝预防及控制方法相关的指标A、B、C、 D

[0017] 依据工程设计相关规范及业主要求确定衬砌结构裂缝控制指标E来判定是否需要修正裂缝预防及控制方法相关的指标A、B、C、 D，当裂缝规模F≤E，确认前述裂缝预防及控制方法满足要求，按既定方案执行；当F>E，需要修正或调整裂缝预防及控制方法相关的指标A、B、C、D；通过下一循环判定调整或修正后的裂缝预防及控制方法及其相关指标是否满足要求，直到满足要求。

[0018] 所述步骤S1和S3中的现浇混凝土衬砌结构施工工序为：依次完成仰拱、矮边墙施工后，再进行侧墙和拱衬砌混凝土的浇筑，在先期衬砌施工完成后进行的。

[0019] 所述步骤S1中的现浇混凝土衬砌的早期强度及其增长特征是通过控制截面位置处的温度场监测、外侧受到的径向力监测和现浇衬砌与先期衬砌接触面间的相对位移监测来予以评价。

[0020] 所述步骤S4中的现场环境监测参数的控制指标为：拆模后混凝土表面附近相对湿度>70％；混凝土表面温度与内部温度的差值ΔT≤20 ℃。

[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0022] 本发明将基于衬砌结构工程行为的隧道及地下工程动态设计与施工理念应用于现浇衬砌混凝土强度形成及增长阶段裂缝预防及控制；基于现浇混凝土衬砌的结构属性和约束条件、衬砌混凝土裂缝控制目标，确定现浇衬砌外侧设置柔性层的原则。本发明可应用于采用复合式衬砌的隧道及地下工程的现浇衬砌混凝土在强度形成及增长过程中混凝土收缩裂缝和不同浇筑时间混凝土间的差异变形裂缝预防及控制，实现现浇混凝土衬砌的施工质量控制目标，达到结构安全性和耐久性设计的预期目标。

附图说明

[0023] 图1为本发明提供的一种现浇混凝土衬砌结构裂缝的预防及控制方法的流程图。

[0024] 图2为本发明现浇衬砌外侧柔性层设置的结构示意图。

[0025] 图3为本发明现浇衬砌混凝土的环境温度监测结构示意图。

[0026] 图4为本发明现浇混凝土衬砌外侧径向压力监测结构示意图。

[0027] 图5为本发明现浇混凝土衬砌外侧位移监测结构示意图。

[0028] 附图标记说明：

[0029] 101-柔性层，102-现浇混凝土衬砌，103-先期衬砌，104-现浇衬砌早阶段施工混凝土，105-衬砌仰拱；201-先期衬砌混凝土温度传感器；202-现浇混凝土衬砌外侧温度传感器；203-现浇混凝土衬砌中部温度传感器；204-现浇混凝土衬砌内侧温度传感器；205-环境温度传感器；206-现浇混凝土衬砌；207-先期衬砌；208-现浇衬砌早阶段施工混凝土；301-压力传感器；302-现浇混凝土衬砌；303-先期衬砌； 304-现浇衬砌早阶段施工混凝土；401-埋入式位移传感器；402-现浇混凝土衬砌；403-先期衬砌；404-现浇衬砌早阶段施工混凝土。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图1-5，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

[0031] 如图1所示，本发明实施例提供的一种现浇混凝土衬砌结构裂缝的预防及控制方法，是一个基于衬砌结构工程行为的隧道及地下工程动态设计与施工理念应用于现浇衬砌混凝土强度形成及增长阶段裂缝预防及控制的动态过程；基于现浇混凝土衬砌的结构属性和约束条件、衬砌混凝土裂缝控制目标，确定现浇衬砌外侧设置柔性层的原则。

[0032] 包括以下步骤。

[0033] 1.确定现浇混凝土衬砌结构裂缝的预防及控制方法。

[0034] (1)表征隧道及地下工程衬砌结构工程特性指标A。隧道及地下工程衬砌结构工程特性指标A与围岩岩土工程地质条件、围岩初始地应力特征、围岩水文地质特征、衬砌结构组成及其几何特征、隧道及衬砌结构施工工艺及工序等参数有关，按照现代隧道设计与施工理念，A首先依据工程设计及施工方案确定其基本特征，在衬砌结构施工过程中，根据监控量测结果F予以修正或调整。

[0035] (2)确定裂缝控制标准或指标E。衬砌结构裂缝控制指标E依据工程设计或相关规范、业主要求确定。例如，衬砌混凝土裂缝的宽度<0.2mm。

[0036] (3)确定有利于衬砌混凝土裂缝预防及控制的约束条件指标B。现浇混凝土衬砌结构在其强度形成及发展过程中裂缝的形成及其增长特征取决于衬砌混凝土的组成、配合比、水灰比、混凝土温度场、环境温度场、衬砌结构组成及其几何特征、隧道及衬砌结构施工工艺及工序、现浇衬砌环结构的约束条件、围岩及先期衬砌结构的变形特征、现浇衬砌环结构的受力特征及变形行为等参数。这些参数通过以下方式确定。

[0037] (a)衬砌混凝土的组成、配合比、水灰比，衬砌结构组成及其几何特征、隧道及衬砌结构施工工艺及工序，首先根据依据工程设计及施工方案确定其基本值，在衬砌结构施工过程中，根据现场监测结果F，确定是否需要予以修正或调整。

[0038] (b)衬砌混凝土温度场和环境温度场，根据现场监测结果得到, 监测位置如图3所示。温度监测传感器采用Pt-100型温度传感器及与此匹配的读数仪，监测精度要求1℃。其中，主要数据包括衬砌混凝土浇筑4小时后的温度随时间变化、环境温度，利用监测结果得到：混凝土最高温度(T)-时间(t)变化曲线、混凝土内外温差ΔT。其中，ΔT应满足：ΔT≤20℃。

[0039] (c)现浇衬砌环结构的约束条件、围岩及先期衬砌结构的变形特征、现浇衬砌环结构的受力特征及变形行为，首先根据依据工程设计及施工方案确定其基本值，在衬砌结构施工过程中，根据现场监测结果F确定。

[0040] 现浇衬砌约束条件确定。通过现场监测现浇衬砌环与先期衬砌的接触状态、先期衬砌及围岩的变形幅度、现浇衬砌环结构受到的径向或围岩压力及其特征确定。例如，围岩压力的监测如图4所示。在监测结果中，现浇衬砌拱顶、45°、60°和90°位置的径向压力分别为P0、 P45、P60和P90，控制指标为：各点径向压力的最大值<设计值、且任意一点的压力Pi小于各点的平均值Pav的1.3倍，即Pi<1.3Pav，Pav＝ (P0+2P45+2P60+2P90)/7。

[0041] 现浇衬砌结构的受力特征及变形行为由：现浇衬砌的施工工艺及工序、约束条件和衬砌混凝土强度的增长特征、衬砌温度场、养护条件等因素决定。其中，现浇衬砌受到柔性约束，即现浇衬砌与先期衬砌之间可以通过相对位移来适应现浇衬砌结构因强度增长、温度梯度、收缩徐变引起的环向变形，从而降低衬砌混凝土中的拉应力，避免裂缝产生或扩展规模超过限制指标E。

[0042] 通过监测在现浇衬砌混凝土强度形成及强度增长期间，现浇衬砌与先期衬砌之间的控制位置，如图5所示，在拱顶、45°、60°和90°位置监测现浇混凝土衬砌外侧约束特征，即先期衬砌与现浇衬砌之间是否存在相对位移，判断是否能够满足现浇衬砌的柔性约束。其中的控制指标为：如果这些位置的相对位移εti大于按照工程设计及施工规范计算所得的衬砌混凝土收缩变形εtc，εti>εtc，则满足要求；否则，在先期衬砌103与现浇混凝土衬砌102之间加设柔性接触单元，即柔性层101对其进行修正，如图2所示。

[0043] 现浇混凝土衬砌外侧柔性接触单元通过两种途径实现。途径一：厚度大于2.0mm的土工织物；途径二：土工织物+隧道用防水板组合。柔性单元铺设范围为衬砌矮边墙以上侧墙及拱部，如图2所示。

[0044] 通过上述措施，实现现浇混凝土衬砌的柔性约束、均匀受力。

[0045] (4)确定有利于衬砌混凝土拆模后的裂缝预防及控制的养生条件指标D。根据衬砌结构施工过程及工后的监控量测结果F，以及衬砌混凝土施工环境及其变化规律的监测结果所确定的施工环境特征指标C，以是否满足裂缝控制标准或指标E为基本判据，建立有利于衬砌混凝土拆模后的裂缝预防及控制的养生条件指标D。

[0046] 2.监测衬砌结构的受力特征及其行为，确定衬砌混凝土裂缝规模及变化规律F。衬砌结构的受力特征及其行为的监测包括：(a)常规的基于动态设计与施工的围岩变形、衬砌结构变形及受力特性的监测；(b)基于室内试验的衬砌混凝土强度增长特征；(c)现浇衬砌结构的约束条件的现场监测；(d)现浇衬砌混凝土裂缝及其增长特征监测结果F。

[0047] 3.监测衬砌混凝土施工环境及其变化规律，确定施工环境特征指标C。施工环境特征指标C主要依据现场环境监测参数：湿度、风速及其分布特征、温度确定。其中控制指标为：拆模后混凝土表面附近相对湿度>70％；混凝土表面温度与内部温度的差值ΔT≤20℃。

[0048] 4.判定是否需要修正裂缝预防及控制方法相关的指标A、B、C、 D。主要依据工程设计相关规范及业主要求确定衬砌结构裂缝控制指标E，确定现有混凝土衬砌结构裂缝的预防及控制方法是否满足要求来判定是否需要修正裂缝预防及控制方法相关的指标A、B、C、D。即裂缝规模F≤E，确认前述裂缝预防及控制方法满足要求，按既定方案执行；如果F>E，则需要修正或调整裂缝预防及控制方法相关的指标A、B、C、D，通过下一循环判定调整或修正后的裂缝预防及控制方法及其相关指标是否满足要求。

[0049] 在本发明中，A、B、C和D是为了使工程质量及功能满足控制指标E而应确定的工程自身条件、施工条件及环境。这些条件或环境是相互关联或影响的，如附图中箭头所示的逻辑或因果关系。

[0050] 使用方法及工作原理：

[0051] 复合式衬砌隧道中二次衬砌混凝土收缩裂缝和不同浇筑时间混凝土间的差异变形裂缝的预防及控制的现场试验，获取了现浇衬砌混凝土收缩裂缝和不同浇筑时间混凝土间的差异变形裂缝的预防及控制的技术参数，形成了综合应用隧道衬砌结构工程特性、基于衬砌混凝土施工工序、早期强度及其增长特性和温度特征的柔性约束条件的混凝土收缩裂缝和不同浇筑时间混凝土间的差异变形裂缝预防及控制方法、技术指标，应用于工程实践，有效地预防了衬砌混凝土收缩裂缝及差异变形裂缝的出现，实现了衬砌混凝土裂缝的规模控制目标。本发明的使用方法及工作原理如下。

[0052] (1)本发明的基本工作原理如图1所示，基于工程设计及施工方案的基本参数，依据隧道及地下工程动态设计与施工理论，确定隧道及地下工程衬砌结构工程特性指标A。

[0053] (2)根据工程设计、施工及业主要求确定现浇混凝土衬砌裂缝控制标准或指标E。

[0054] (3)根据衬砌结构工程特性指标A和砌裂缝控制标准或指标E，拟定确定有利于衬砌混凝土裂缝预防及控制的约束条件指标B和有利于衬砌混凝土拆模后的裂缝预防及控制的养生条件指标D的方案，包括混凝土强度增长特性等的室内试验，以及在工程试验段进行现场监测，通过现浇混凝土衬砌温度、应力，以及现浇混凝土衬砌与先期衬砌接触面间的相对位移等相关参数的量测如图3、图4和图5所示。其中现场监测内容的实施过程及要点如下。

[0055] (a)现浇混凝土衬砌的施工是在先期衬砌施工完成后进行的，其基本工序为：依次完成仰拱、矮边墙施工后，再进行侧墙和拱衬砌混凝土的浇筑。其中，侧墙和拱部衬砌混凝土裂缝控制是隧道及地下工程设计和施工所需要解决的工程问题。

[0056] (b)现浇侧墙和拱部衬砌混凝土在其强度形成及增长、拆模后的约束条件通过控制截面位置处的温度场监测，通过先期衬砌混凝土温度传感器201、现浇混凝土衬砌外侧温度传感器202、现浇混凝土衬砌中部温度传感器203、现浇混凝土衬砌内侧温度传感器204和环境温度传感器205来监测温度，如图3所示、外侧受到的径向压力监测通过在现浇混凝土衬砌302和先期衬砌303之间设置压力传感器 301来实现，如图4所示，和现浇衬砌与先期衬砌接触面间的相对位移监测如图5所示予以评价，在现浇混凝土衬砌402和先期衬砌403 之间设置埋入式位移传感器401，其中的判别及控制指标分别为：

[0057] 如果混凝土内外温差ΔT满足：ΔT≤20℃，按照既有方案执行，否则，需要通过调整施工方案，直至工程实际满足该条件如图1所示；

[0058] 如果监测各点径向压力的最大值<设计值、且任意一点的压力Pi小于各点平均值Pav的1.3倍，即Pi<1.3Pav，按照既有方案执行，否则，需要通过调整工程设计及施工方案，直至工程实际满足该条件如图1所示；

[0059] 如果监测位置的相对位移εti大于按照工程设计及施工规范计算所得的衬砌混凝土收缩变形εtc，按照既有方案执行，否则，在现浇混凝土外侧加设柔性层，如图2所示。柔性层的结构及材料可结合工程是否需要考虑防排水功能要求而确定选用不同的材料，如土工布、防水板及二者的组合。

[0060] (c)有利于衬砌混凝土拆模后的裂缝预防及控制的养生条件指标D的确定，包括：

[0061] 现场温度监测如图3所示、湿度和风速和监测，并与控制条件或指标比较，判别其是否满足要求，其中控制指标为：拆模后混凝土表面附近相对湿度>70％、混凝土表面温度与内部温度的差值ΔT≤20℃。如果不满足，需要通过调整工程设计及施工方案，直至工程实际满足该条件如图1所示。

[0062] 衬砌混凝土表面裂缝及其规模F进行观测，并与控制指标E比较，判别其是否满足要求：F≤E如图1所示；如果不满足，需要通过调整工程设计及施工方案，直至工程实际满足该条件如图1所示。

[0063] 本发明将基于衬砌结构工程行为的隧道及地下工程动态设计与施工理念应用于现浇衬砌混凝土强度形成及增长阶段裂缝预防及控制；基于现浇混凝土衬砌的结构属性和约束条件、衬砌混凝土裂缝控制目标，确定现浇衬砌外侧设置柔性层的原则。本发明可应用于采用复合式衬砌的隧道及地下工程的现浇衬砌混凝土在强度形成及增长过程中混凝土收缩裂缝和不同浇筑时间混凝土间的差异变形裂缝预防及控制，实现现浇混凝土衬砌的施工质量控制目标，达到结构安全性和耐久性设计的预期目标。

[0064] 以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。