輸水隧洞二次襯砌混凝土裂縫產(chǎn)生原因和控制措施

肖海暉

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，特別是國家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高度重視，我國對(duì)各類隧洞的建設(shè)取得了長足的進(jìn)步。在水利工程隧洞施工中，開挖作業(yè)完畢后根據(jù)圍巖揭露情況要進(jìn)行噴錨支護(hù)或拱架噴錨支護(hù)，以確保施工安全，稱為一次支護(hù)。隧洞收斂變形穩(wěn)定后要進(jìn)行混凝土襯砌作業(yè)，稱為二次襯砌混凝土。二次襯砌混凝土的質(zhì)量至關(guān)重要，二次襯砌混凝土既起到隧洞輸水運(yùn)行的承載，又起到外水內(nèi)滲和內(nèi)水外滲的屏蔽作用。二次襯砌混凝土是隧洞滲漏水的屏障，是隧洞安全運(yùn)行的關(guān)鍵，是工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到工程的運(yùn)行和使用壽命。

1 二次襯砌混凝土的開裂形式

水利工程隧洞二次襯砌的混凝土施工過程中，會(huì)在混凝土表面及內(nèi)部產(chǎn)生各種各樣裂縫。在表面會(huì)產(chǎn)生環(huán)向裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫，嚴(yán)重的會(huì)形成貫通裂縫。貫通裂縫的存在通常會(huì)使混凝土內(nèi)部的鋼筋發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，降低鋼筋混凝土的承載能力、抗?jié)B能力，影響二次襯砌混凝土的耐久性，進(jìn)而影響隧洞的使用壽命。因此，水利工程隧洞二次襯砌的混凝土施工過程中要盡量避免裂縫的產(chǎn)生，盡量減少裂縫的數(shù)量和寬度，避免寬大裂縫的出現(xiàn)。對(duì)寬大的裂縫要修補(bǔ)處理，保證工程質(zhì)量和使用壽命。

2 二次襯砌混凝土裂縫形成原因分析

二次襯砌混凝土裂縫產(chǎn)生的原因是多種多樣的，有施工原材料質(zhì)量方面的原因、有設(shè)計(jì)合理性方面的原因、有施工過程中工序質(zhì)量控制的原因等，但主要是施工過程中工序質(zhì)量控制和施工原材料質(zhì)量而造成的，根據(jù)現(xiàn)場施工資料統(tǒng)計(jì)，由于施工過程中工序質(zhì)量控制因素造成混凝土早期裂縫的大約占80%多，因混凝土原材料質(zhì)量原因造成混凝土早期裂縫的大約占15%左右。因此在工程建設(shè)中應(yīng)盡量采取有效措施控制混凝土早期裂縫產(chǎn)生。

2．1 材料的影響

混凝土是一種由砂、石、水泥、水、粉煤灰及其他膠凝材料、外加劑組成的非均質(zhì)材料。①水泥的影響：水泥品種對(duì)混凝土裂縫的產(chǎn)生有很大影響，水利隧洞要盡量避免使用C3A（鋁酸三鈣）大和細(xì)度大、需水量比大的水泥。水泥細(xì)度越大，用水量越大，水泥水化反映越快，容易引起混凝土干燥收縮變形越大，產(chǎn)生較大的張力，混凝土越容易開裂。②骨料的影響：骨料級(jí)配不好和骨料粒徑過小、針片含量和超遜徑過大，會(huì)使混凝土收縮變形增大從而導(dǎo)致裂縫；骨料含泥量越大和泥塊含量，嚴(yán)重阻礙了骨料與砂漿間的黏結(jié)，致使混凝土強(qiáng)度降低，特別是混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和混凝土與巖石的粘結(jié)強(qiáng)度，在相同條件下，骨料含泥量大和有泥塊含量的混凝土更容易開裂和出現(xiàn)蜂窩現(xiàn)象。③配合比的影響：水泥及膠凝材料用量過大、水灰比太大、骨料級(jí)配不佳及選用的外加劑與水泥適應(yīng)性不好等配合比設(shè)計(jì)不當(dāng)，這將直接影響混凝土的抗拉強(qiáng)度，在相同應(yīng)變情況下混凝土越容易開裂。試驗(yàn)資料顯示：水泥用量不變，用水量增加10%，混凝土強(qiáng)度降低20%，混凝土與鋼筋黏結(jié)力降低10%；水量不變，水泥增加10%，混凝土收縮增加5%。

2.2 施工過程中的原因

施工中過分振搗、過早拆模、現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)不當(dāng)都是施工過程中誘使混凝土產(chǎn)生裂縫的環(huán)節(jié)。①過分振搗導(dǎo)致粗骨料沉落，砂漿上浮，形成泌水，造成混凝土表面和內(nèi)部的不均勻，在凝固過程中表面有較大的收縮，水分蒸發(fā)后容易形成凝縮裂縫。②混凝土面不及時(shí)養(yǎng)護(hù)，表面水分迅速蒸發(fā)，產(chǎn)生收縮，發(fā)生裂縫。③在施工過程中，混凝土還沒有達(dá)到拆模的強(qiáng)度就拆模了，過早拆模會(huì)使頂拱的混凝土產(chǎn)生內(nèi)傷或斷裂，產(chǎn)生裂縫。一般混凝土的拆模時(shí)間為其強(qiáng)度的70%。④混凝土拌和計(jì)量不準(zhǔn)確，變相地改變了設(shè)計(jì)配合比，形成不恰當(dāng)間斷級(jí)配，從而誘發(fā)裂縫產(chǎn)生。

3 二次襯砌混凝土裂縫控制措施

3.1 施工材料上的控制措施

①水泥質(zhì)量的影響及控制：細(xì)度較大和比表面積較大的水泥，水泥容易產(chǎn)生裂縫，盡量使用細(xì)度和比表面積較小的水泥。在施工中一般采用中熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣水泥，為了降低水化熱，盡量采取早期水化熱低的水泥，降低水泥熟料中鋁酸三鈣和硅酸三鈣的含量，選擇適宜的礦物組成和水泥。②骨料質(zhì)量的影響及控制：粗骨料級(jí)配越差，孔隙率越大，表面積越大，單方混凝土的膠凝材料用量和需水量比就越大，從而導(dǎo)致水化熱增加，裂縫增加和增多；細(xì)骨料質(zhì)量的影響：級(jí)配較差的粗紗或細(xì)沙，其空隙率較大，表面積較大，單方混凝土水泥用量和需水量就較大，從而導(dǎo)致水化熱較大和裂縫增加；所以，在使用中應(yīng)嚴(yán)格控制粗骨料和細(xì)骨料的顆粒級(jí)配、空隙率、含泥量，降低混凝土收縮變形產(chǎn)生裂縫。③摻和料的控制：由于粉煤灰是混凝土中主要的活性骨料，可以與水泥進(jìn)行二次反應(yīng)，可以減少水泥用量，降低混凝土的水化熱并提高混凝土和易性及后期強(qiáng)度。粉煤灰細(xì)度越大，參加二次水化反應(yīng)的界面就會(huì)相應(yīng)增加，在混凝土中滿足各項(xiàng)指標(biāo)的同時(shí)，盡量達(dá)到優(yōu)選的粉煤灰摻量，使混凝土更加致密，收縮量減少，混凝土的裂縫也會(huì)減少，并增加混凝土的后期強(qiáng)度，在實(shí)際施工中要根據(jù)實(shí)際情況試驗(yàn)確定粉煤灰的用量，一般為膠凝材料摻量的15%～25%。④優(yōu)化配合比：水利隧洞工程對(duì)混凝土的抗?jié)B性十分重視，一般來說，單位體積混凝土的水泥用量越大，其強(qiáng)度和抗?jié)B性也越高。在保證混凝土耐久性指標(biāo)和強(qiáng)度的前提下，盡量減少每方混凝土的水泥用量。所以工程上對(duì)混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性都通過試驗(yàn)進(jìn)行嚴(yán)格控制，為提高混凝土的耐久性及其他指標(biāo)，盡可能的添加活性材料，減少水泥用量和選擇優(yōu)良的高性能減水劑，在混凝土中滿足強(qiáng)度及耐久性各項(xiàng)指標(biāo)的同時(shí)，降低成本，減少水化熱、減少混凝土裂縫等負(fù)面影響。

3.2 施工過程中的控制措施

①優(yōu)化施工方案：依據(jù)施工環(huán)境制定適宜的施工方案，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的倉面分縫施工。根據(jù)模板臺(tái)車的尺寸和超欠挖統(tǒng)計(jì)確定每次澆筑的混凝土量，合理配置澆筑時(shí)間、運(yùn)輸及振搗方式等。在施工階段混凝土要有合適的配合比，配合比不僅要滿足設(shè)計(jì)和強(qiáng)度的要求、還要考慮防止裂縫的要求，在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的原則下，盡可能減少水泥的用量。②鋼筋模板安裝：鋼筋的制作安裝要規(guī)范，架立筋要牢固，以免澆注時(shí)鋼筋移位變形。鋼筋的氧化皮和污物要清除，以免影響和混凝土的膠結(jié)力。模板拼裝要嚴(yán)絲合縫、位置準(zhǔn)確、牢固，模板表面要清理干凈，在澆注前要保持表面濕潤。嚴(yán)禁模板變形位移而跑模，影響混凝土外觀質(zhì)量。③澆筑：澆筑過程要左右對(duì)稱連續(xù)澆筑，杜絕冷縫，振搗要科學(xué)合理，嚴(yán)禁過振、漏振。澆注過程中的間歇會(huì)出現(xiàn)混凝土力學(xué)性狀的不連續(xù)，在隧洞運(yùn)行期這種不連續(xù)可能會(huì)發(fā)展成水平裂縫。過振會(huì)使混凝土骨料發(fā)生分離現(xiàn)象，振搗不足會(huì)使混凝土的密實(shí)度不足，影響混泥土的強(qiáng)度指標(biāo)。④拆模和養(yǎng)護(hù)：拆模時(shí)間要根據(jù)現(xiàn)場同環(huán)境試塊的壓制強(qiáng)度卡準(zhǔn)確，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。保證混凝土達(dá)到強(qiáng)度后拆模以及拆模后足夠養(yǎng)護(hù)時(shí)間。⑤加強(qiáng)一次支護(hù)：隧洞開挖過程中要根據(jù)實(shí)際揭露的地質(zhì)條件，及時(shí)調(diào)整開挖作業(yè)的方法和支護(hù)型式。防止隧洞開挖過程對(duì)圍巖有較大擾動(dòng)，加強(qiáng)一次支護(hù)。塌方區(qū)域和不良地質(zhì)區(qū)域一次支護(hù)后要提前灌漿處理，避免隧洞二次襯砌后承受巨大的松散壓力和變形壓力，以免在運(yùn)行期產(chǎn)生裂縫。在軟巖地段做好隧洞仰拱，處理好襯砌基底，搞好防排水，避免使用期襯砌基底遇水軟化造成隧洞襯砌隅角內(nèi)移。

4 結(jié)束語

隧洞在建設(shè)中實(shí)際揭露的工程地質(zhì)環(huán)境各種各樣，隧洞在使用過程中二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)所受的圍巖外力也各種各樣。圍巖整體下沉產(chǎn)生豎向荷載，節(jié)理構(gòu)造斜向滑動(dòng)產(chǎn)生的偏壓載荷，仰拱基礎(chǔ)軟化產(chǎn)生的隅角內(nèi)移變形。各種載荷共同作用于二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)，隨著時(shí)間的推移容易使混凝土內(nèi)的原有裂縫逐漸擴(kuò)大，在嚴(yán)重的情況下，會(huì)使二次襯砌混凝土的應(yīng)力增大到其強(qiáng)度極限，發(fā)生新的裂縫?？梢?，施工階段是隧洞襯砌裂縫控制的主要階段，在施工階段有效的控制住了二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的細(xì)小裂縫，在工程運(yùn)行階段二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)開裂的可能性就大大地減小了。因此，我們?cè)谑┕ぶ幸獌?yōu)化施工方案，加強(qiáng)施工管理，深化施工過程控制，減小隧洞二次襯砌混凝土各種裂縫的產(chǎn)生，確保隧洞的安全運(yùn)行。