隧洞襯砌混凝土裂縫原因分析及防治措施

王海峰

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 工程概況

南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程河北段共有7座隧洞工程，由南自北依次為霧山（Ⅰ）隧洞、霧山（Ⅱ）隧洞、吳莊隧洞、崗頭隧洞、釜山隧洞、西市隧洞和下車亭隧洞。隧洞工程由進(jìn)、出口段和洞身段組成，輸水設(shè)計(jì)流量125～60m3/s。

隧洞工程地處太行山東麓丘陵與傾斜平原過(guò)渡地帶，霧山（Ⅰ）、霧山（Ⅱ）、吳莊和崗頭隧洞穿越薊縣系霧迷山組第3段 （Jxw3）含燧石條帶白云巖；釜山隧洞穿越薊縣系鐵嶺組（Jxt）含燧石條帶或結(jié)核白云巖；西市隧洞穿越奧陶系亮甲山組（O1L）白云質(zhì)灰?guī)r；下車亭隧洞上游及中游段穿越青白口系下馬嶺組（Qnx）砂巖夾頁(yè)巖、泥質(zhì)頁(yè)巖，下游段穿越薊縣系鐵嶺組（Jxt）含燧石條帶白云巖。

隧洞洞身段布置均為兩條平行的無(wú)壓流隧洞，總長(zhǎng)度17252m。下車亭隧洞采用馬蹄型結(jié)構(gòu)，斷面尺寸6.4m×6.6m，采用錨噴支護(hù)和鋼筋混凝土全斷面襯砌，厚度為25～70cm。其余6座隧洞洞室采用圓拱直墻型結(jié)構(gòu)，斷面尺寸7.8m×8.37m～4.9m×6.12m，Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段采用錨噴支護(hù)與25cm厚“凵”型混凝土組合式襯砌，Ⅳ類圍巖和斷層破碎帶洞段采用錨噴支護(hù)與40～80cm厚鋼筋混凝土全斷面襯砌。25cm厚混凝土襯砌為非受力結(jié)構(gòu)，起減糙作用，配置構(gòu)造鋼筋；全斷面襯砌結(jié)構(gòu)根據(jù)圍巖條件配置受力鋼筋。

2 襯砌混凝土施工及條件

2.1 襯砌混凝土澆筑

洞室襯砌混凝土采用二級(jí)配，強(qiáng)度等級(jí)為C25。每10m為一個(gè)澆筑段，每段分兩次澆筑，按照先澆底板（拱），再澆側(cè)墻（拱）、頂拱混凝土的順序跳倉(cāng)施工。隧洞模筑襯砌混凝土灌注采用全液壓襯砌模板臺(tái)車，混凝土自模板臺(tái)車的預(yù)留窗口由輸送泵進(jìn)行澆筑、機(jī)械和人工振搗。

2.2 溫控要求

砂、石料、水和罐裝水泥等混凝土原材料采取降溫措施，以降低混凝土的澆筑溫度。制定出機(jī)口溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，出機(jī)口溫度不符合標(biāo)準(zhǔn)的混凝土不能入倉(cāng)。

混凝土最高澆筑溫度不超過(guò)20℃，混凝土內(nèi)外溫差不超過(guò)24℃。

合理選擇澆筑層厚及間歇期、合理安排施工程序和施工進(jìn)度、合理安排各部位混凝土的澆筑時(shí)間。

對(duì)已拆模的襯砌進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，必要時(shí)對(duì)新澆混凝土表面進(jìn)行覆蓋保溫措施，減小內(nèi)外溫差。

2.3 混凝土配合比

京石段工程7座隧洞設(shè)計(jì)襯砌混凝土等級(jí)相同，由于選用料場(chǎng)不同、做配合比試驗(yàn)的單位不同，實(shí)際采用的混凝土配合比中水泥含量相差較大。其中，下車亭隧洞混凝土配合比中水泥量最高達(dá)290kg/m3，其余6座隧洞混凝土配合比中水泥量為246～278kg/m3。

2.4 圍巖情況

洞室白云質(zhì)灰?guī)r和石英砂巖硬度大、彈模高，巖石彈性模量是混凝土彈性模量的2～4倍，基巖對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的約束較強(qiáng)。

3 襯砌混凝土裂縫產(chǎn)生及原因分析

釜山隧洞、下車亭隧洞在7～9月高溫季節(jié)施工中，襯砌混凝土產(chǎn)生了一些裂縫。裂縫多分布在每倉(cāng)1/2或1/3位置，走向基本為垂直洞軸線分布，裂縫從洞口到洞身中部呈逐漸減少趨勢(shì)。裂縫寬度0.05～0.75mm，大部分在0.1～0.2mm；長(zhǎng)度0.5～9.4m，一般為3m。釜山隧洞11條裂縫的鉆孔取芯檢測(cè)顯示，裂縫基本貫穿芯樣混凝土，說(shuō)明裂縫基本裂通，隧洞圍巖噴混凝土經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。

隧洞襯砌混凝土裂縫形成原因非常復(fù)雜，往往是多種不利因素綜合作用的結(jié)果。從產(chǎn)生裂縫的性狀和施工溫控措施分析，釜山、下車亭隧洞等先期澆筑襯砌混凝土出現(xiàn)的裂縫主要為混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大，受基巖和老混凝土約束及其他綜合原因而產(chǎn)生的溫度裂縫。

混凝土澆筑后，其溫度將發(fā)生復(fù)雜的變化，其體積也隨之伸縮，當(dāng)塊體受到約束或限制不能自由伸縮時(shí)，就要產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力為拉應(yīng)力且超過(guò)混凝土的抗裂能力時(shí)就會(huì)開裂。復(fù)雜的溫度變化可以分解出3種情況：

（1）襯砌混凝土澆筑后由于水泥水化熱的作用溫度快速升高，經(jīng)過(guò)2d達(dá)到最高，而后逐漸降低到洞內(nèi)平均溫度。通過(guò)對(duì)下車亭隧洞60cm厚襯砌混凝土內(nèi)部溫度觀測(cè)，混凝土澆筑后46h達(dá)到55.6℃（水化熱最大溫升34.0℃），之后溫度持續(xù)下降。

混凝土從最高溫度降到洞內(nèi)平均溫度，體積收縮受到圍巖的約束，溫差越大，基巖變形模量越高，襯砌越薄越容易產(chǎn)生裂縫。強(qiáng)約束也使早期出現(xiàn)的溫度裂縫繼續(xù)拉長(zhǎng)加深。

由于隧洞的襯砌厚度較薄，散熱條件較好，混凝土的溫度下降較快。特別是洞口處，與環(huán)境溫度比較接近，晝夜溫差大，在洞口沒(méi)有采取封堵的情況下，混凝土的溫降梯度較大，溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土極限抗拉強(qiáng)度。洞口部位出現(xiàn)的裂縫占絕大多數(shù)也說(shuō)明了這個(gè)原因。

（2）襯砌混凝土溫度在變化過(guò)程中，溫度分布是中間高、邊界低。洞內(nèi)溫度越低，混凝土表面的溫度梯度越大，由于受到內(nèi)部溫度較高的混凝土約束，而在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)外溫差達(dá)到一定數(shù)值后，混凝土將發(fā)生裂縫。

（3）當(dāng)混凝土澆筑完成后受到氣溫陡降（寒潮）的影響，表面薄層混凝土的溫度梯度突然增大，混凝土開裂，這種裂縫大部分在混凝土澆筑后的早期發(fā)生，內(nèi)溫越高，開裂的可能性越大，這種由寒潮帶來(lái)的表面溫差引起的裂縫為表面裂縫，裂縫細(xì)而淺。

以上3種情況，互相疊加，開始是由于內(nèi)外溫差大或遇寒潮，形成細(xì)而淺的表面裂縫，后期疊加上由于混凝土降溫受到圍巖的約束，使裂縫的長(zhǎng)度和寬度逐漸增大。

4 裂縫的預(yù)防和處理措施

4.1 預(yù)防措施

（1）控制混凝土原材料的溫度是實(shí)現(xiàn)溫度控制的主要手段。采取堆高骨料堆、料場(chǎng)上方搭設(shè)涼棚、骨料灑水、預(yù)冷骨料、利用夜間低溫澆筑、加冰拌和、運(yùn)輸過(guò)程中隔熱遮陽(yáng)、水泥經(jīng)貯存和倒罐等都是有效的降溫措施。施工中嚴(yán)格控制混凝土入倉(cāng)澆筑溫度。

（2）盡量選擇在夜間澆筑混凝土，延長(zhǎng)拆模時(shí)間并適當(dāng)保溫或涂抹防止水分蒸發(fā)的養(yǎng)護(hù)劑?；炷敛鹉：蟊砻婕皶r(shí)覆蓋濕潤(rùn)的遮蓋物，并派專人灑水養(yǎng)護(hù)，控制內(nèi)外溫差。洞口處掛簾保溫，冬季在洞口生火爐。

（3）調(diào)整混凝土配合比，降低單位水泥用量。根據(jù)有關(guān)資料，混凝土中單方水泥用量每增減10kg，水化熱相應(yīng)升降1℃～1.2℃。

（4）提高洞室開挖質(zhì)量，控制超欠挖和圍巖平整度，減小混凝土應(yīng)力集中。底板（拱）部位超挖大于設(shè)計(jì)值時(shí)，采取先澆筑基礎(chǔ)墊層，再澆筑襯砌的施工方法。

（5）加強(qiáng)對(duì)混凝土的振搗，保證襯砌混凝土的均勻密實(shí)性，尤其是25cm厚的襯砌，邊墻模板增加附著式振搗器。改進(jìn)泵送混凝土施工工藝，縮短混凝土澆筑層的間歇時(shí)間，及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

4.2 裂縫的處理

隧洞洞身襯砌混凝土產(chǎn)生的裂縫基本為垂直洞軸線分布，不屬于危害性裂縫，為非結(jié)構(gòu)性受約束溫度裂縫，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響不大，但對(duì)工程的防滲和結(jié)構(gòu)的耐久性有影響。

根據(jù)工程運(yùn)行要求，結(jié)合裂縫的狀況，襯砌混凝土在回填灌漿和固結(jié)灌漿后對(duì)裂縫進(jìn)行處理。裂縫處理采用化學(xué)灌漿和表面覆蓋兩種方法。

4.2.1 化學(xué)灌漿

受力的全斷面襯砌結(jié)構(gòu)和裂縫寬度大于0.2mm的“凵”型非受力襯砌結(jié)構(gòu)采用化學(xué)灌漿處理。

化學(xué)灌漿使用無(wú)毒、環(huán)保、親水性好、可灌性好、黏結(jié)強(qiáng)度高、遇水膨脹并具有柔彈性，適應(yīng)一定溫度變形能力的高強(qiáng)水溶性聚氨酯漿材?；瘜W(xué)灌漿處理主要有開槽埋管法、鉆孔法和無(wú)損貼嘴法。無(wú)損貼嘴法是目前處理裂縫最先進(jìn)的方法，具有工藝簡(jiǎn)單、無(wú)鉆孔、無(wú)孔容耗漿、易找準(zhǔn)裂縫、對(duì)混凝土無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)值得大力推廣，難點(diǎn)是滲水縫的貼嘴。結(jié)合實(shí)際情況，襯砌裂縫灌漿采用無(wú)損貼嘴法，灌漿前應(yīng)進(jìn)行灌漿試驗(yàn)以確定漿液的配比和灌漿參數(shù)，灌漿完成后采用鉆孔取芯對(duì)貫穿性裂縫進(jìn)行質(zhì)量檢查。

4.2.2 表面覆蓋

裂縫寬度小于0.2mm的“凵”型非受力襯砌結(jié)構(gòu)采用表面覆蓋法處理。

表面覆蓋法采用的噴涂材料為無(wú)毒環(huán)保、固化速度快、凝膠時(shí)間短的雙組分環(huán)氧樹脂溶劑型膠粘劑。處理范圍：對(duì)裂縫中心線兩側(cè)10cm范圍進(jìn)行表面覆蓋處理。

5 結(jié)語(yǔ)

隧洞未襯砌洞段在后期施工中基本未出現(xiàn)裂縫。已產(chǎn)生的裂縫經(jīng)過(guò)化學(xué)灌漿或表面覆蓋法處理，均達(dá)到了工程運(yùn)行要求。

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