水工隧洞混凝土襯砌施工的地下水控制技術(shù)分析

李成龍

摘 要：以水工隧洞混凝土襯砌施工地下水控制要點(diǎn)及技術(shù)為討論方向，以陜西省A水工隧洞為例，在介紹A水工隧洞基本情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合A水工隧洞所處區(qū)域年降水量，采用大氣降水入滲估算法、涌水量經(jīng)驗(yàn)公式及最大水用量經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)行A水工隧洞施工用水量估算及現(xiàn)場用水量量測，并根據(jù)所得測量結(jié)果分析A水工隧洞混凝土襯砌施工地下水控制措施。

關(guān)鍵詞：水工隧洞;混凝土襯砌;施工技術(shù);地下水控制

中圖分類號(hào)：TV554 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）26-0086-03

Analysis on Groundwater Control Technology in Concrete

Lining Construction of Hydraulic Tunnel

LI Chenglong

（Gansu Water Resources and Hydropower Engineering Bureau Co.， Ltd.， Lanzhou Gansu 730000）

Abstract： The key points and technology of groundwater control in the construction of concrete lining of hydraulic tunnel are discussed. Taking a hydraulic tunnel in Shaanxi Province as an example， based on the introduction of the basic situation of a hydraulic tunnel and combined with the annual precipitation of the area where a hydraulic tunnel is located， the construction water consumption estimation and on-site water consumption measurement of a hydraulic tunnel are obtained by using the atmospheric precipitation infiltration estimation algorithm， water consumption empirical formula and maximum water consumption empirical formula. According to the measured results， the groundwater control measures for concrete lining construction of a hydraulic tunnel are analyzed.

Keywords： hydraulic tunnel;concrete lining;construction technology;groundwater control

調(diào)水工程是國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其中水工隧洞作為我國水工建筑物的主要類型之一，對整體水利工程運(yùn)用具有關(guān)鍵的控制作用。為保障水工隧洞長期安全可靠運(yùn)行，隧洞內(nèi)部襯砌限制圍巖變形及控制地下水逐漸成為水工隧洞的重要組成部分[1]。因此，深入研究與分析水工隧洞混凝土襯砌及地下水控制，有利于提高水工隧洞混凝土防滲效果，保障我國水利工程安全使用。

1 工程背景

A水工隧洞所在地段具有北高南低的總體特征，地處渭河二到三級(jí)階地，海拔約為380 m，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均氣溫為15.4 ℃，年平均降水量為543 mm，多集中于8月份和9月份。

水工隧洞位于黃土臺(tái)塬前緣斜坡地段，高程為367～417 m，臺(tái)塬斜坡由黃土狀土、山更新統(tǒng)黃土及古土組成?？刂乒喔让娣e約有67.6 m，全長約為1 214 m。倒虹與前洞口深挖方渠道共計(jì)約79 m。設(shè)計(jì)人員將水工隧洞分為前后兩段，前洞長為310 m，后洞長約為745 m，隧洞洞底進(jìn)口標(biāo)高為39.67 m，出口標(biāo)高為38.17 m。初步勘察圍巖類別為Ⅱ類～Ⅴ類，其中輸水隧洞進(jìn)出口段圍巖類別為Ⅴ類。設(shè)計(jì)輸水量為0.417 m/s，整體依托單孔馬蹄形斷面混凝土襯砌[2]。隧洞前后洞進(jìn)口如圖1和圖2所示。

2 地下水分析

2.1 涌水量計(jì)算

A水工隧洞洞身較長且埋深大，地層巖性較多，同時(shí)地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。該工程處于渭河二到三級(jí)階地，地下水對A水工隧洞工程施工影響較大。A水工隧洞輸水進(jìn)出口段圍巖類別為Ⅴ類，因此在對涌水量進(jìn)行分析的過程中主要以大氣降水入滲估算法、涌水量經(jīng)驗(yàn)公式及最大涌水量經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

大氣降水入滲法的計(jì)算方式為：

Q=aFP/365 （1）

式中：Q為A水工隧洞水容量，m/d;a為大氣降水入滲系數(shù)，取10%;F為A水工隧洞影響帶匯水面積，根據(jù)A水工隧洞兩側(cè)距離計(jì)算;P為大氣年降水量，根據(jù)A水工隧洞所處地域平均年降水量上限計(jì)算得出P=1 043 mm[3]。

涌水量經(jīng)驗(yàn)公式為：

Q=LKH（676-0.06）]? （2）

式中：Q為A水工隧洞涌水量，m/d;L為A水工隧洞洞長，m;K為汗水提滲透系數(shù)，m/d;H為洞底潛水層厚度。

最大涌水量經(jīng)驗(yàn)公式為：

Q=L （3）

根據(jù)上述計(jì)算方法得出A水工隧洞（前段、后段）施工涌水量，具體如表1所示。

2.2 現(xiàn)場涌水量量測

A水工隧洞地板工高程要低于附近河道及居民水井高程，同時(shí)A水工隧洞附近巖石裂隙較為成熟，隧洞施工勢必導(dǎo)致地下水位下降。通過對A水工隧洞外抽流量計(jì)劃，得出進(jìn)口涌水量平均值和出口涌水量平均值分別為246 m和69 m。

3 A水工隧洞混凝土襯砌地下水控制措施

3.1 地下水控制要點(diǎn)

混凝土襯砌控制地下水的主要因素有原材料、施工工藝及結(jié)構(gòu)受力。①原材料方面。在施工過程中，如果砂石材料和水泥材料質(zhì)量存在問題或者外加劑的比例不合適，都會(huì)導(dǎo)致隧洞裂縫產(chǎn)生。②施工工藝因素。施工技術(shù)不合理或者存在水泥用量超標(biāo)等情況，也會(huì)為裂縫產(chǎn)生埋下隱患。③結(jié)構(gòu)受力。綜合水工隧洞地下水控制不足等現(xiàn)象來看，多以混凝土產(chǎn)生裂縫為主，因此在混凝土襯砌中應(yīng)合理保障混凝土結(jié)構(gòu)受力[4]。

3.1.1 隧洞設(shè)計(jì)及材料選擇。隧洞設(shè)計(jì)中出現(xiàn)斷面突變等問題，會(huì)導(dǎo)致集中應(yīng)力大幅度作用在構(gòu)件上，從而導(dǎo)致構(gòu)件出現(xiàn)裂縫。我國因隧洞混凝土裂縫導(dǎo)致地下水控制不足的問題呈增長態(tài)勢。通過案例分析可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生裂縫的主要原因在于混凝土厚度不足和鋼筋直徑過大，同時(shí)混凝土干縮也會(huì)導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生?；炷劣不畜w積不斷收縮，各個(gè)結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)作用力，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。這種情況下混凝土產(chǎn)生的表面細(xì)微裂縫較多，一些較大體積的裂縫主要是水灰比過大導(dǎo)致的。A水工隧洞中，施工人員和管理人員對原材料進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，并在攪拌之前精確稱重，以此來確保配比精確。在運(yùn)輸?shù)倪^程中，要采取相應(yīng)的防護(hù)措施，盡可能減少運(yùn)輸時(shí)間。在混凝土入倉時(shí)，一定要嚴(yán)格控制下料的高度，避免產(chǎn)生混凝土離析現(xiàn)象。進(jìn)倉平倉后，充分振搗密實(shí)，做到無漏振和超振現(xiàn)象[5]。

3.1.2 混凝土溫度?；炷聊袒蛘哂不袝?huì)產(chǎn)生大量水化熱而引起溫度應(yīng)力。A水工隧洞中混凝土厚度為0.4 m左右，且隧洞內(nèi)的溫度比較穩(wěn)定，溫差不超過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值。

3.1.3 施工工藝。隧洞混凝土襯砌施工中，襯砌工藝不佳也會(huì)導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。雖然采用的混凝土材料沒有質(zhì)量問題，但是如果沒有做好攪拌、運(yùn)輸以及振搗和后期的襯砌養(yǎng)護(hù)工作，也會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。

3.2 施工過程

根據(jù)已開挖圍巖滲水情況合理地布置抽排水系統(tǒng)，考慮到混凝土襯砌中A水工隧洞整體地質(zhì)圍巖的透水性非常強(qiáng)，沒有堵水灌漿的部分也產(chǎn)生滲水現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場計(jì)算，滲水量為115 m/s。為保障工程項(xiàng)目的施工質(zhì)量和安全性，A水工隧洞混凝土襯砌施工時(shí)，在洞內(nèi)配置22臺(tái)潛水泵，借助潛水泵來抽取隧洞內(nèi)的滲水。潛水泵要配備直徑為100～200 mm的白色硬質(zhì)水管進(jìn)行排水，最后施工廢水被抽取到A水工隧洞口沉淀池內(nèi)，經(jīng)過三級(jí)沉淀后再進(jìn)行排放[6]。

針對無壓引水A水工隧洞混凝土，應(yīng)分兩層進(jìn)行襯砌。針對混凝土底板和矮邊墻進(jìn)行襯砌，在底板襯砌結(jié)束后達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度后，可以借助鋼模臺(tái)車來襯砌A水工隧洞的邊頂拱。在進(jìn)行混凝土襯砌時(shí)，考慮到底板有積水且邊頂拱也存在滲水區(qū)域，采取堵排結(jié)合的施工原則進(jìn)行施工。其中：“堵”是指襯砌混凝土底板時(shí)將來自上游的水堵住，而“排”是將倉內(nèi)滲水排到倉外;針對襯砌過程中的上游底板來水采用沙袋堆組成擋水坎，利用水泥堵漏的方式堵水，同時(shí)在最低處挖一個(gè)集水坑，借助水泵引導(dǎo)水流，將水流引導(dǎo)至下游。在下游可以采取相同的方法擋住底板水，并借此實(shí)現(xiàn)底板混凝土干地施工。在針對A水工隧洞的邊拱頂進(jìn)行襯砌的過程中，滲水嚴(yán)重區(qū)域可沿著邊墻鋪設(shè)一層防水布，同時(shí)在防水布的外側(cè)每間隔一定距離插入PPR管道至底板盲溝內(nèi)，并用膨脹螺絲固定排水管，避免管道出現(xiàn)偏移。針對一些集中滲水的區(qū)域，可通過打排水管的方式構(gòu)建相應(yīng)的排水體系[7]，借此實(shí)現(xiàn)混凝土干地施工，減少邊頂拱混凝土遇水熱化后產(chǎn)生的壓力。

施工縫屬于新舊混凝土結(jié)合的區(qū)域，雖然針對隧洞地邊頂拱施工前進(jìn)行了鑿毛和清理，但是受到施工條件等因素的限制，如果進(jìn)行沖倉，必然會(huì)殘留少量的積水和砂礫。同時(shí)，混凝土入倉后如果其結(jié)合面沒有做好相應(yīng)的振搗工作，可能會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域成為嚴(yán)重滲水區(qū)域。A水工隧洞在施工前可以借助多次實(shí)驗(yàn)的方式找出最佳的混凝土配合比，并嚴(yán)格控制混凝土材料的比例，通過優(yōu)化混凝土材料的結(jié)構(gòu)和配比等方式提升混凝土材料的性能，同時(shí)采用混凝土雙摻技術(shù)有效提升混凝土的性能和抗?jié)B能力。

此外，襯砌結(jié)束后拆模時(shí)間不要過早。在混凝土未達(dá)到一定強(qiáng)度的情況下進(jìn)行拆模，混凝土很容易出現(xiàn)裂縫。拆模后進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)，緩慢降溫，減少混凝土內(nèi)外溫差，防止溫度應(yīng)力過大使混凝土產(chǎn)生裂縫。上述措施可以有效減少混凝土的滲水現(xiàn)象，同時(shí)還能降低施工成本[8]。

4 結(jié)語

本文以水工隧洞混凝土襯砌施工的地下水控制技術(shù)為討論方向，在介紹A水工隧洞背景的基礎(chǔ)上對A水工隧洞地下水量進(jìn)行測試，繼而提出若干地下水控制措施。水工隧洞是水利水電工程的核心輸水項(xiàng)目之一，屬于重點(diǎn)工程項(xiàng)目，但是水工隧洞中經(jīng)常存在地下水等地質(zhì)隱患。如果不做好水流控制工作，非常容易導(dǎo)致混凝土被沖刷并產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而對隧洞的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。鑒于此，本文結(jié)合實(shí)際的工程項(xiàng)目案例，采用“堵+排”的方式強(qiáng)化對地下水水流的控制，并采取各類措施嚴(yán)格控制對混凝土的襯砌，降低混凝土貫穿裂縫產(chǎn)生的概率，從而保障隧洞的質(zhì)量和美觀。

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