水工隧洞混凝土襯砌開裂原因淺析

【摘要】水工隧洞混凝土襯砌，基于防滲和混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的要求，一般都要求嚴(yán)格控制裂縫的產(chǎn)生，特別是壓力隧洞。如水電站的引水發(fā)電洞，如果襯砌混凝土產(chǎn)生裂縫，則必須進(jìn)行工藝復(fù)雜的裂縫修補(bǔ)。因此，如何有效控制混凝土裂縫的產(chǎn)生，是施工單位較為關(guān)注的問題?；诖?，本文主要對水工隧洞混凝土襯砌開裂原因進(jìn)行分析探討。

【關(guān)鍵詞】水工隧洞；混凝土襯砌；開裂原因

1、前言

水工隧洞設(shè)計(jì)理念在其100多年的發(fā)展歷史中已經(jīng)發(fā)生了顯著變化，尤其是對水荷載作用形式、隧洞襯砌與圍巖的聯(lián)合承載機(jī)理等方面都有了更為深入的認(rèn)識。傳統(tǒng)的鋼板襯砌結(jié)構(gòu)雖然防滲效果良好，但其工程量較大、造價(jià)高，且施工困難，對施工進(jìn)度有較大影響。出于經(jīng)濟(jì)效益和施工方面的考慮，目前水工隧洞中大量采用鋼筋混凝土襯砌?；炷烈r砌裂縫形成的原因非常復(fù)雜，往往是多種不利因素綜合作用的結(jié)果，主要有施工不規(guī)范、材料質(zhì)量差或配合比不合理以及荷載作用引起的開裂等因素。

2、隧洞混凝土裂縫成因分析

2.1混凝土干縮

混凝土在硬化過程中，體積將會(huì)產(chǎn)生收縮，而因受混凝土結(jié)構(gòu)各質(zhì)點(diǎn)變形的不均勻性產(chǎn)生的相互約束的影響產(chǎn)生了拉應(yīng)力，從而使混凝土開裂。一般來說，混凝土干縮僅產(chǎn)生細(xì)微的表面裂縫，只有在混凝土拌和物質(zhì)量不良或水灰比過大的情況下，裂縫才比較明顯。

2.2溫度裂縫

1）水化熱

混凝土拌和后水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的水化熱，混凝土的溫度隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行而逐步升高。當(dāng)混凝土體積較大或散熱條件不好時(shí)，混凝土內(nèi)部的溫度將明顯升高，產(chǎn)生溫度變形。當(dāng)混凝土的溫度變形受到約束時(shí)，就會(huì)引起溫度應(yīng)力從而導(dǎo)致混凝土開裂。然而，常見的隧洞混凝土厚度在20～60cm左右，為薄壁結(jié)構(gòu)，散熱條件也比較好。因此，在混凝土采用摻粉煤灰等降低水化熱材料的措施后，即可避免水化熱的影響。

2）外界氣溫

當(dāng)混凝土的內(nèi)部與外界環(huán)境之間存在溫差時(shí)，也將產(chǎn)生溫度應(yīng)力。溫差越大，溫度應(yīng)力也越大，從而最終使混凝土開裂。由于水工隧洞多為地下工程，且一般都在山嶺開鑿，埋深大、保溫性較好，因此外界氣溫因素的影響不會(huì)使隧洞混凝土產(chǎn)生明顯的溫度裂縫。

2.3地下水

如上所述，作為地下工程，隧洞混凝土施工不可避免地受到地下水的影響。由于隧洞混凝土為封閉斷面澆筑，當(dāng)圍巖有地下水滲出時(shí)，受混凝土的阻擋，將形成較高的水壓力，或?qū)е滤鲙ё呋炷翝{液，或擊穿新澆混凝土，形成流水通道，從而形成縫隙。特別是在孔隙壓力水的作用下，水流在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成連續(xù)的水幕，阻隔水泥顆粒和骨料間的結(jié)合，形成一條不易發(fā)現(xiàn)的水幕縫。嚴(yán)格來說，這不屬于混凝土裂縫，但這種情況經(jīng)常發(fā)生在地下水豐富的隧洞，且產(chǎn)生較為嚴(yán)重的滲漏，與裂縫類似，故列入裂縫一類。

2.4施工工藝

不恰當(dāng)?shù)幕炷潦┕すに囈矔?huì)引致裂縫的產(chǎn)生，但它不是直接原因。它只是間接使混凝土產(chǎn)生了以上提到的各種裂縫。如混凝土拌和物的和易性差、水灰比不合理以及水泥水化過程太快、混凝土澆筑時(shí)振搗不密實(shí)及鋪層過厚等，都會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生干縮裂縫和溫度裂縫。特別是過早地拆模，會(huì)使遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的混凝土提早工作，在自重和圍巖應(yīng)力的雙重作用下而開裂。同時(shí)，混凝土缺乏必要的養(yǎng)護(hù)將會(huì)導(dǎo)致大面積開裂。

3、隧洞混凝土裂縫的預(yù)防措施

由于水工隧洞混凝土產(chǎn)生裂縫后的堵漏和補(bǔ)強(qiáng)工藝都比較復(fù)雜，不但成本較高，而且還影響混凝土的外觀質(zhì)量。因此，在施工過程中主要以防為主。總結(jié)起來，預(yù)防措施主要有以下幾種。

3.1優(yōu)化混凝土配合比

這里指的是選擇優(yōu)質(zhì)的混凝土原材料，并通過多組配合比試驗(yàn)，尋找最優(yōu)的施工配合比。同時(shí)，采用混凝土雙摻技術(shù)，改善混凝土性能。即摻用優(yōu)質(zhì)粉煤灰和復(fù)合型高效減水劑，減少混凝土的水泥用量以降低水化熱和混凝土干縮，改善混凝土拌和物的和易性，延緩其早期硬化過程。通過優(yōu)化配合比，可顯著減少干縮裂縫和溫度裂縫產(chǎn)生的幾率。

3.2加強(qiáng)圍巖變形量測，適時(shí)襯砌

為預(yù)防混凝土因圍巖應(yīng)力作用而出現(xiàn)開裂，可加強(qiáng)圍巖的收斂變形觀測，如適當(dāng)加密觀測斷面、增加量測頻度等。通過量測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，來判斷圍巖的完成收斂變形與否，確定襯砌時(shí)間，從而避免在圍巖尚在收斂變形時(shí)強(qiáng)行進(jìn)行混凝土襯砌。然而在施工中，很難做到設(shè)置專門的工期來等待圍巖完全完成變形。因此一般做法是調(diào)整施工順序，即在貫通隧洞后，先襯砌地質(zhì)情況差、圍巖穩(wěn)定過程短的洞段，及先襯砌混凝土底板等措施，來滿足圍巖變形的時(shí)間要求。

3.3治理地下水

預(yù)防地下水對混凝土的影響，主要是防止地下水進(jìn)入混凝土澆筑倉面，一般是以疏排滲水的方式為主來進(jìn)行預(yù)防。實(shí)際施工時(shí)，針對滲水的滲出情況而采取不同的措施。對大面積滲水的圍巖，通過鉆孔安裝排水管來匯集滲水，然后用軟管將其引出澆筑的工作面。對成股狀流出的則采用在模板上開孔，并用排水管直接引出排放到隧洞的方式。對一些滴出性滲水，可用局部噴射混凝土的方法進(jìn)行封堵。

3.4采用合理的施工工藝

鑒于施工工藝對混凝土裂縫的產(chǎn)生有著重要的影響，因此在混凝土的澆筑施工中，從混凝土的拌和、拌和物的進(jìn)倉到振搗的質(zhì)量等方面都要進(jìn)行全過程的監(jiān)督和檢查以防止出現(xiàn)混凝土拌和物攪拌時(shí)間不足、和易性差、離析泌水、振搗不密實(shí)的現(xiàn)象。如在夏天氣溫較高時(shí)，采取在沙石料倉設(shè)置遮陽棚、提前灑水降溫等措施來降低沙石料入倉的溫度，或采用加冰攪拌混凝土以降低混凝土入倉溫度等方式來減少外界溫度對混凝土澆筑的影響等。此外，盡量選擇在清晨或晚上澆筑混凝土，避開日間高溫期。同時(shí)，特別是要注重保證混凝土襯砌后的等強(qiáng)時(shí)間，防止過早拆模。

4、結(jié)語

在一些水工隧洞工程中出現(xiàn)混凝土大面積開裂的嚴(yán)重情況，歸根結(jié)底是因施工中忽視施工質(zhì)量、缺乏必要的質(zhì)量控制措施或?qū)炷了すに嚨目茖W(xué)性缺乏認(rèn)識，盲目追求施工速度和經(jīng)濟(jì)效益而造成的，應(yīng)該引起水工單位的注意。

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