水工隧洞襯砌混凝土裂縫成因分析及控制措施分析

洪躍庭

（廈門安能建設(shè)有限公司， 福建 廈門 361000）

0 引言

水工隧洞由土體、石巖開挖所共同形成，它的基本作用就是保證隧洞在巖土中的穩(wěn)定性，一般情況下可采用襯砌及支護等等方法抵御水流沖刷，同時保證防滲。所以說，水工隧洞施工中必須嚴格保證襯砌混凝土施工高質(zhì)量，避免裂縫、麻面、色差等不理想襯砌效果的出現(xiàn)。

1 水工隧洞襯砌混凝土裂縫的基本分類與產(chǎn)生成因

1.1 基本分類

一般情況下在水工隧洞襯砌施工中會存在兩種混凝土裂縫，它們分別為貫穿性有危害裂縫以及細小表層裂縫。

首先說細小表層裂縫，這種裂縫多分布于混凝土的表層部分，它的裂縫縫隙非常細小且無規(guī)律，所出現(xiàn)的數(shù)量也無法有效控制。根據(jù)實踐經(jīng)驗可以了解這種表層裂縫的寬度都不大于1mm，長度也在0.5mm以內(nèi)，呈現(xiàn)出輕微張開或閉合狀態(tài)。大體來講這種裂縫不會為襯砌混凝土帶來多大影響，但是如果不加以注意控制，細小表層裂縫長期存在也會影響到水工隧洞內(nèi)部鋼筋的耐腐蝕性與整體結(jié)構(gòu)持久性，最終嚴重破壞水工隧洞結(jié)構(gòu)，引發(fā)安全事故發(fā)生。

其次看貫穿性有危害裂縫，這種裂縫是貫穿于整個水工隧洞整體結(jié)構(gòu)當(dāng)中的，它可直接威脅到水工隧洞施工過程的安全性，是水工隧洞不穩(wěn)定的表現(xiàn)。一般來說，貫穿性裂縫會單一出現(xiàn)，它的長度足夠長且呈現(xiàn)出明顯的向外張開狀態(tài)，裂縫寬度一般都超過5mm，最嚴重時寬度會超過20mm以上。由于這種裂縫的貫穿性強，所以通常情況下都是水工隧洞襯砌混凝土大面積滲漏的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

1.2 產(chǎn)生成因

導(dǎo)致水工隧洞出現(xiàn)上文所提到兩種裂縫的成因有很多，這里簡單闡述其中 3點。

第一，大幅度的溫度降溫會引發(fā)襯砌混凝土的收縮裂縫，特別是對于中小型水工隧洞而言，它們的施工通風(fēng)降溫條件普遍偏差，而且施工作業(yè)地層深度較深，所以水泥水化熱的溫升又大又快，在南方地區(qū)施工常年存在洞內(nèi)溫度過高的情況。溫度過高會導(dǎo)致洞內(nèi)水分蒸發(fā)冷凝淅過快，如果水工隧洞制只采取了混凝土表面養(yǎng)護就極易造成施工現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜，例如砼的散熱與施工現(xiàn)場環(huán)境散熱條件不服，此時就容易產(chǎn)生溫度收縮裂縫。這種溫度收縮裂縫由于形成不規(guī)律且對溫度變化非常敏感，對工程性能的整體影響也存在不確定性。

第二，外部圍巖或鋼筋應(yīng)力效應(yīng)導(dǎo)致襯砌混凝土產(chǎn)生裂縫，這是因為水工隧洞的施工期通常都比較緊張，因此容易出現(xiàn)開挖成洞質(zhì)量較差的情況，導(dǎo)致成洞后襯砌混凝土的低質(zhì)量。就這一問題應(yīng)該從兩方面來講，其一是水工隧洞建設(shè)過程中對襯砌混凝土的養(yǎng)護工作無法有效到位，主要是因為隧洞中環(huán)境條件較差；其二是短距離循環(huán)的開挖支護作業(yè)太多，對于圍巖類別的判斷可能出現(xiàn)不明情況，如果不采取錨固支護，水工隧洞就容易出現(xiàn)襯砌混凝土承擔(dān)過大部分支護作用的結(jié)果，在外部重壓下就會出現(xiàn)襯砌混凝土裂縫問題?？陀^講該類裂縫是會影響到襯砌混凝土發(fā)育質(zhì)量與發(fā)育規(guī)模的，對隧洞整體的破壞影響力是比較大的。

由與該類裂縫發(fā)育非常明顯，對隧洞破壞影響較大，所以就需要基于外部壓力對襯砌混凝土的結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力進行計算，用科學(xué)角度證明它產(chǎn)生裂縫的成因。就以水工隧洞外部的外層環(huán)向的鋼筋為例，鋼筋本身會對襯砌混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力作用，令混凝土產(chǎn)生裂縫。這里對未貫穿襯砌的混凝土結(jié)構(gòu)進行分析，看其在壓力下的應(yīng)力情況。這里假設(shè)有一塊圍巖始終處于彈性受力狀態(tài)，沒有裂縫出現(xiàn)，此時就可以將整個圍巖視為是一個擁有半徑r的受到內(nèi)應(yīng)力p作用的厚壁圓筒，襯砌混凝土此時所受到的外部壓應(yīng)力應(yīng)該為：

可以看到完整區(qū)的混凝土是受到壓力P的，在受到壓力后混凝土?xí)霈F(xiàn)應(yīng)力位移，它的計算公式應(yīng)該為：

可首先基于位移計算襯砌混凝土的半徑臨界開裂狀態(tài)，考慮到混凝土襯砌的每一個開裂區(qū)域都會傳遞徑向壓力，所以它的切向抗拉強度應(yīng)該設(shè)置推理為0，由此還能繼續(xù)得出它的邊界條件。基于上述公式，基本可以了解到外壓應(yīng)力對于襯砌混凝土及水工隧洞的壓力還是很大的，對于水工隧洞的破壞影響不可小視。

第三，風(fēng)鉆的地質(zhì)水文條件變化也會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形裂縫。一般情況下施工團隊都要按圖施工，但由于地質(zhì)條件變化不定，所以按圖施工也會遇到某些施工技術(shù)與設(shè)計圖紙不契合的地方，因此由這種不合理現(xiàn)象所引發(fā)的水工隧洞混凝土襯砌也是非常常見。不過，該類裂縫在產(chǎn)生與形成過程都相對直觀易見，可為施工技術(shù)人員留下更多時間用以進行控制和維護[1]。

2 水工隧洞襯砌混凝土的裂縫問題控制措施

針對水工隧洞襯砌混凝土的裂縫問題控制應(yīng)該首先做好技術(shù)人員調(diào)整，保證技術(shù)人員所勘察的地質(zhì)條件數(shù)據(jù)真實有效，隨時監(jiān)控其地質(zhì)條件變化，并給出相應(yīng)有效的施工方案。再一點，就是要把好建筑材料關(guān)，全面控制混凝土骨料的各項指標(biāo)要求，配合降低混凝土水化熱來規(guī)范水泥，同時分析水泥添加劑本身會否對混凝土溫度裂縫產(chǎn)生影響。除上述要點外，下文也從技術(shù)層面探討一下水工隧洞襯砌混凝土的基本施工問題，并做好裂縫問題防控對策。

2.1 施工過程動態(tài)管控

水工隧洞開挖必然會對隧洞圍巖造成破壞影響，嚴重時會塌方事故，所以為了有效做好補救措施必須要邊開挖、邊回填加固，全面控制開挖過程對巖體產(chǎn)生震動，即要規(guī)避成型隧洞的混凝土擾動破壞現(xiàn)象，全面改善隧洞施工中的通風(fēng)與排水環(huán)境條件。

在灌漿與噴錨過程中要嚴控施工工藝，考慮到水工隧洞的開挖面參差不齊，所以可能會出現(xiàn)混凝土噴涂厚度不均勻、封閉結(jié)合不完全的情況，直接影響到支護體襯砌混凝土之間的聯(lián)合作用。為了有效解決這一問題，必須有效區(qū)別加固支護與穩(wěn)定支護之間的關(guān)系，強調(diào)洞身側(cè)橫向錨筋與掛網(wǎng)噴混凝土的基本效能，盡量在施工中有效消除圍巖二次及三次應(yīng)力重分布作用，減小圍巖應(yīng)力對襯砌混凝土的破壞性影響。再一點就是要均勻振搗澆筑混凝土，保證混凝土澆筑密實，避免出現(xiàn)漏振或形成不均勻的水泥砂漿層，保證施工縫結(jié)合的嚴謹合理處理。在施工后還要檢查混凝土的澆筑厚度，再確定襯砌混凝土加固的基本鋼筋配置。最后在完工后還要檢查襯砌混凝土在水工隧洞中是否存在細小表層裂縫，如果有必須要及時向上級反映，以便于快速完善地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，重新設(shè)計圖紙，重新安排施工流程，避免隨后施工中再次出現(xiàn)細小表層裂縫，保證水工隧洞襯砌混凝土施工的高質(zhì)量。

2.2 其它裂縫控制方法

除上述所談到的水工隧洞襯砌混凝土裂縫施工動態(tài)控制方法以外，還有表面修補法，它是比較常用的裂縫處理方法，可直接對水工隧洞中影響隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的裂縫進行直接修補，結(jié)合實際施工過程在襯砌混凝土表面裂縫涂抹一層環(huán)氧膠水，配合水泥漿或油漆、水泥漿等等可有效避免像細小表層裂縫進一步蔓延嚴重化。

另外像結(jié)構(gòu)加固法也可以有效影響水工隧洞襯砌混凝土結(jié)構(gòu)性能。目前基于結(jié)構(gòu)加固的方式有很多，例如有效粘貼鋼板加固、增設(shè)支點加固、或者直接增大混凝土截面面積都可有效規(guī)避襯砌混凝土裂縫問題出現(xiàn)。

3 總結(jié)

綜上所述，水工隧洞襯砌混凝土很容易出現(xiàn)裂縫問題，本文分析了它的裂縫成因并加以科學(xué)計算，提出了一系列的動態(tài)有效裂縫修復(fù)方法，希望通過科學(xué)合理的視角來重新審視水工隧洞施工相關(guān)技術(shù)難題。