引水隧洞襯砌裂縫的成因分析及處理

郭利軍 趙春榮 鐘儉雄 朱新民

（1.山西省水利建筑工程局山西太原030006；2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院北京100035；3.深圳市水務(wù)技術(shù)服務(wù)公司廣東深圳518036；4.中國水利水電科學(xué)研究院北京100038）

0 引言

某引水工程于1996年動工，2001年建成通水。工程沿線的主要建筑物有泵站、隧洞、箱涵等。其中隧洞74.3km。工程設(shè)計年運(yùn)行11個月，每年10月停水檢修。

工程運(yùn)行至2005年10月停水檢修期，發(fā)現(xiàn)東部供水水源工程的布仔河隧洞、白石洞隧洞、年豐隧洞和供水網(wǎng)絡(luò)干線工程的長嶺皮隧洞出現(xiàn)大量貫穿性縱向裂縫和環(huán)向裂縫，威脅隧洞結(jié)構(gòu)安全。本文分析了隧洞襯砌裂縫的成因，提出了處理措施的建議。

1 地質(zhì)及結(jié)構(gòu)

工程區(qū)斷層發(fā)育，巖體破碎，易風(fēng)化，風(fēng)化層較深，巖體呈碎石狀松散結(jié)構(gòu)和碎塊鑲嵌結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性差。工程區(qū)雨量充沛，多年平均降雨量為1700～2000mm。地下水主要為基巖裂隙水，水的補(bǔ)給來源主要靠降水垂直補(bǔ)給，地震設(shè)計烈度為VI度。

隧洞最大埋深75m，大部分埋深在20～60m范圍內(nèi)，為城門洞型無壓隧洞，內(nèi)凈空尺寸為4.1m×5.25m，起拱高度為2.0m，縱坡為1/2000，設(shè)計過流流量為30m3/s。采用工程類比法，并結(jié)合有限元計算進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，采用新奧法施工。在III、IV、V類圍巖中施工時，采用間距1m的鋼拱架、掛網(wǎng)噴5～12cm厚的C20混凝土作為一次支護(hù)。一般洞段采用25～30cm厚的C20素混凝土二次襯砌，當(dāng)進(jìn)出口為V類圍巖時，采用40cm厚單筋混凝土。部分洞段在邊墻和起拱線處打設(shè)排水孔以降低外水壓力，間距3m，呈梅花形布置。隧洞設(shè)計有頂拱的回填灌漿，無圍巖固結(jié)灌漿。隧洞施工中涌水量一般為3000m3/d，最大涌水量為6 000m3/d。

2 隧洞襯砌裂縫情況

2005年10月隧洞停水檢修期間發(fā)現(xiàn)，鋼筋混凝土襯砌的洞段基本未出現(xiàn)裂縫，采用素混凝土襯砌的洞段出現(xiàn)了大量長度超過5m的縱向裂縫，具有以下特點(diǎn)：絕大部分為縱向裂縫，大部分位于襯砌起拱處，邊墻亦有分布，走向彎曲不規(guī)則，時有分岔、轉(zhuǎn)折；大部分縱向裂縫為貫穿性裂縫，有滲水或鈣質(zhì)析出；多條縱向裂縫和環(huán)向裂縫、施工縫交叉，且常見裂縫的起、止點(diǎn)位于交叉處；多條裂縫長度超過20m。為保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全，在2005至2007年每年檢修期間，依裂縫的破壞特征，分別采取加鋼支撐、打設(shè)錨桿、加密排水孔、拱頂和邊墻外圍巖固結(jié)灌漿、裂縫封閉、裂縫化學(xué)灌漿等應(yīng)急處理措施。并在鋼支撐和混凝土襯砌處安裝監(jiān)測儀器，進(jìn)行應(yīng)力、變形、滲壓監(jiān)測。

3 裂縫成因分析

混凝土裂縫往往是多種因素聯(lián)合作用的結(jié)果，由圍巖載荷、水荷載、溫度荷載、混凝土干縮、堿骨料反應(yīng)、鋼筋銹蝕等原因引起。從連續(xù)三年停水檢修期的觀察、檢測和監(jiān)測成果，可以排除沉陷裂縫、干縮裂縫、鋼筋銹蝕和堿骨料反應(yīng)裂縫。同時發(fā)現(xiàn)，環(huán)向裂縫主要為溫度裂縫，在襯砌段內(nèi)大致呈等間距分布。本文對縱向裂縫成因做了綜合分析。

3.1 設(shè)計因素

隧洞設(shè)計期所參照的《水工隧洞設(shè)計規(guī)范（試行）SD134—84》規(guī)定隧洞混凝土襯砌需滿足強(qiáng)度、抗裂和限裂的要求，如不能滿足，應(yīng)采用鋼筋混凝土襯砌。對于水工隧洞而言，圍巖固結(jié)灌漿起到提高巖體剛度、強(qiáng)度，降低滲透性的作用。該工程隧洞的圍巖條件較差，年豐隧洞、白石洞隧洞、布仔河隧洞圍巖以IV、V類圍巖為主。在此條件下，只有少量洞段采用鋼筋混凝土襯砌，大部分僅采用了素混凝土襯砌，也未采用固結(jié)灌漿。運(yùn)行至今，采用素混凝土襯砌的隧洞則幾乎全部出現(xiàn)了裂縫。采用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，是造成襯砌開裂的原因之一。

3.2 施工因素

對隧洞實(shí)施地質(zhì)雷達(dá)檢測和襯砌取芯發(fā)現(xiàn)，施工的一次支護(hù)沒有嚴(yán)格按設(shè)計進(jìn)行，系統(tǒng)鋼拱架間距大于原設(shè)計，個別部位的間距超過原設(shè)計1倍；二次襯砌厚度未達(dá)到設(shè)計要求，此缺陷占全部缺陷長度的50%以上；隧洞回填灌漿質(zhì)量差，頂拱混凝土與圍巖之間存在較大范圍的連續(xù)脫空。一、二次支護(hù)的施工缺陷降低了襯砌的承載能力和耐久性?；炷僚c圍巖之間的脫空使襯砌受力處在非常不利的狀況，對于城門洞型隧洞而言，當(dāng)襯砌的頂部脫空，失去了圍巖對頂拱的約束，由于邊墻較高，邊墻在側(cè)向壓力的作用下易使頂拱向上變位，易導(dǎo)致起拱部位混凝土襯砌開裂。

現(xiàn)場檢測還發(fā)現(xiàn)，處于排水孔附近的襯砌與圍巖淺層脫空有加劇的情形，這與襯砌排水孔未設(shè)置反濾有關(guān)。由于圍巖風(fēng)化嚴(yán)重，無壓隧洞均處于外水內(nèi)滲狀況，排水孔使風(fēng)化圍巖流失到隧洞內(nèi)。

3.3 溫度應(yīng)力分析[1]

溫度荷載是水工混凝土結(jié)構(gòu)的一項重要荷載。隧洞襯砌混凝土施工期溫度應(yīng)力由混凝土水化升溫后的冷卻及外界溫度變化引起，運(yùn)行期溫度應(yīng)力是混凝土冷卻后由外界溫度的變化所引起的拉應(yīng)力。在本項目的研究過程中，結(jié)合東江水源工程區(qū)的年氣溫、水溫變化情況和2000年至2004年隧洞通水運(yùn)行狀況，采用三維有限元仿真分析了隧洞的施工和運(yùn)行過程的襯砌混凝土的溫度和溫度應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律，分析可能產(chǎn)生裂縫的不利因素、不利部位和不利時段，分析溫度應(yīng)力對整體結(jié)構(gòu)安全性的影響，提出更有針對性的處理建議。

隧洞在2000年8月完成混凝土襯砌施工，12月通水運(yùn)行。仿真計算表明，襯砌混凝土內(nèi)緣年內(nèi)溫度隨洞內(nèi)水溫作周期性變化，由于取水方式為河道表層取水，水溫年內(nèi)溫差較大，最大溫差為14～16℃，而其他部位混凝土的年內(nèi)溫差則隨著距內(nèi)緣的距離增大而逐步減?。灰r砌混凝土的年內(nèi)溫度應(yīng)力隨洞內(nèi)水溫作周期性變化，已有裂縫的縫寬度也隨洞內(nèi)水溫作周期性變化；沿著隧洞的同一橫斷面，作用于襯砌的最大水平方向溫度應(yīng)力發(fā)生于隧洞拱頂部內(nèi)緣（見圖1），最大垂直方向溫度應(yīng)力發(fā)生于隧洞邊墻起拱內(nèi)緣部位（見圖2），應(yīng)力超標(biāo)導(dǎo)致這些部位產(chǎn)生縱向裂縫?，F(xiàn)有運(yùn)行條件下溫度應(yīng)力狀態(tài)的計算分析，與隧洞實(shí)際裂縫的產(chǎn)生時間、狀態(tài)與部位基本吻合，說明溫度應(yīng)力是導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生及發(fā)展的主要原因之一。由于通水初期冷擊造成的內(nèi)緣表面缺陷，在之后運(yùn)行期周而復(fù)始的大溫差的作用下，導(dǎo)致裂縫的不斷擴(kuò)展。

圖1 隧洞水平應(yīng)力分布（單位：0.01MPa）

圖2 隧洞垂直應(yīng)力分布

3.4 襯砌外水壓力分析[1]

地下水對隧洞襯砌的作用常被認(rèn)為是作用在其外緣上的邊界荷載（面力），即外水壓力。當(dāng)隧洞襯砌與圍巖是相互貼合時，巖體和混凝土都是透水介質(zhì)，地下水向隧洞內(nèi)滲流，在圍巖和襯砌中形成滲透荷載，其形式為體積力[2]。當(dāng)襯砌與圍巖脫離時，地下水滲流荷載可簡化為作用于其邊界的外水壓力。滲流荷載與滲流場歷史有關(guān)。本文采用三維有限元程序ABAQUS計算模擬了施工、加固和運(yùn)行的基本過程。典型洞段隧洞附近的有限元網(wǎng)格如圖3所示。計算分析得出的襯砌外緣孔隙水壓力隨各計算部位的變化情況見圖4。

由圖4可見，打排水孔使襯砌頂板、邊墻的外水壓力降低約50%；圍巖固結(jié)灌漿區(qū)與排水孔結(jié)合，對于襯砌外水形成“外堵內(nèi)排”效應(yīng)，襯砌外水壓力繼續(xù)降低，可降低約40%；計算剖面附近埋設(shè)滲壓計監(jiān)測到的襯砌外孔隙水壓力值與本文的計算值相差不到1m水頭，二者非常接近。

圖3 隧洞附近的有限元網(wǎng)格

圖4 襯砌外緣孔隙水壓力的變化

在圍巖與襯砌貼合的情況下，單純因滲透荷載引起襯砌拱頂、起拱線、邊墻內(nèi)側(cè)（圖5隧洞內(nèi)部）的拉應(yīng)力約0.3MPa，底板上側(cè)拉應(yīng)力約0.2MPa；若打設(shè)排水孔和圍巖灌漿，襯砌拉應(yīng)力減小約50%。在襯砌頂拱、邊墻與圍巖脫離的情況下，襯砌受力狀態(tài)惡化，拱頂、起拱線、邊墻拉應(yīng)力大于1.5MPa的范圍很多，見圖5，素混凝土將開裂。因此，外水壓力亦可能是襯砌混凝土裂縫的原因。

4 隧洞裂縫處理對策及分析

根據(jù)國內(nèi)外隧洞襯砌裂縫處理的成果經(jīng)驗(yàn)，隧洞的襯砌裂縫處理，不是僅僅對襯砌裂縫進(jìn)行灌漿封堵，達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)和堵漏的效果；還需要根據(jù)襯砌裂縫的成因制定相應(yīng)的措施，采取經(jīng)濟(jì)合理的工程措施消除造成襯砌裂縫的內(nèi)外因素，做到“標(biāo)本兼治”。由于該工程為水源工程，必須采用安全、環(huán)保、無毒的處理手段，保證襯砌結(jié)構(gòu)和水質(zhì)安全。此外，裂縫處理受到每年停水檢修時間不超過1個月的限制，宜按照“分段修補(bǔ)、分期實(shí)施、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量”的原則開展。隧洞襯砌的所有縱向、環(huán)向滲漏裂縫都必須處理，但是縱向裂縫應(yīng)先行處理。建議采取以下處理措施：

（1）對襯砌脫空部位進(jìn)行回填灌漿，對圍巖破碎洞段進(jìn)行固結(jié)灌漿，使襯砌和圍巖聯(lián)合受力，從根本上改善隧洞襯砌受力條件，使裂縫發(fā)展趨于穩(wěn)定?；靥罟酀{以回填水泥砂漿為主，回填時，同一洞段左右邊墻應(yīng)均勻回填。

（2）保留現(xiàn)排水孔，外水壓力較高的洞段加密排水孔，使排水孔與圍巖灌漿聯(lián)合作用，對襯砌外水滲流形成“內(nèi)排外堵”，降低外水壓力。排水孔必須設(shè)置反濾，防止風(fēng)化圍巖因外水內(nèi)滲而流失，造成更大的襯砌與圍巖脫空。停水檢修時應(yīng)對檢查排水孔堵塞情況，及時疏通、更新反濾。

（3）對回填和固結(jié)灌漿后仍然滲漏的裂縫，進(jìn)行化學(xué)灌漿柔性封堵和裂縫表面柔性覆蓋，避免裂縫持續(xù)滲漏泌鈣進(jìn)一步降低混凝土性能。若采用剛性材料處理，溫度應(yīng)力會造成混凝土出現(xiàn)新的開裂。柔性處理措施可保證裂縫繼續(xù)隨溫度荷載張合而不滲漏。建議化學(xué)灌漿使用環(huán)保型聚氨酯復(fù)合漿材，裂縫表面柔性覆蓋采用聚脲彈性體噴涂。

（4）在采取上述措施后，如仍然存在持續(xù)發(fā)展的結(jié)構(gòu)裂縫，采用鋼板或碳纖維板對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

（5）在采取上述措施的過程中，如果發(fā)現(xiàn)局部裂縫持續(xù)開裂并出現(xiàn)錯臺現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)搶修時限決定采取臨時加固或永久加固措施，臨時加固可采用內(nèi)襯套拱和施加橫向支撐，永久加固可在局部洞段增加錨桿。

5 結(jié)語

該引水工程隧洞襯砌裂縫是由多個原因引起，有自身質(zhì)量的原因，也有外部因素。隧洞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低、施工質(zhì)量較差，致使襯砌結(jié)構(gòu)承載能力低下。首次通水適逢低溫季節(jié)，襯砌遭受冷擊，出現(xiàn)早期溫度裂縫，運(yùn)行期較大溫差導(dǎo)致溫度裂縫不斷延伸發(fā)展，裂縫導(dǎo)致外水滲漏入洞內(nèi)。襯砌上設(shè)置的排水孔未設(shè)置反濾，使風(fēng)化巖體隨外水內(nèi)滲而流失，加劇襯砌與圍巖脫空，使襯砌單獨(dú)承受外水壓力，使襯砌受力狀況惡化，出現(xiàn)大量縱向裂縫。

根據(jù)裂縫產(chǎn)生原因，提出回填灌漿、圍巖固結(jié)灌漿、施做排水孔、裂縫封堵與封閉等措施。需特別注意，施做排水孔必須設(shè)置反濾，裂縫封堵和封閉應(yīng)采用柔性材料。該引水工程停水檢修期短，專項檢測、修補(bǔ)加固項目，應(yīng)由有資質(zhì)的專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)、專業(yè)化的修補(bǔ)加固單位承擔(dān)，才能及時發(fā)現(xiàn)問題，發(fā)現(xiàn)的問題得到有效處理，確保工程長期安全、穩(wěn)定供水。

[1]朱新民，胡平，崔煒，等.深圳市東江水源工程隧洞裂縫處理技術(shù)工藝咨詢[R].北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2011.

[2]張有天．巖石水力學(xué)與工程[M].北京：中國水利水電出版社，2005：251-260.