先拱墻后仰拱法襯砌施工隧洞混凝土裂縫形成及防治研究

李虎子 任喜平

(陜西引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710024)

調(diào)水工程中輸水隧洞發(fā)揮著極其重要的作用，其中混凝土襯砌施工是保證質(zhì)量和制約工期的關(guān)鍵性工序。隧洞襯砌是指支持和維護(hù)隧洞的長(zhǎng)期穩(wěn)定和耐久性的永久結(jié)構(gòu)物[1]。隧洞襯砌混凝土的裂縫問題是比較普遍的質(zhì)量問題[2]，公伯峽、周寧、惠蓄等水利工程的輸水隧洞襯砌混凝土出現(xiàn)了或多或少的混凝土開裂現(xiàn)象[3-5]。開裂將會(huì)導(dǎo)致滲漏問題，可能會(huì)危及水工隧洞的結(jié)構(gòu)安全，并造成一定經(jīng)濟(jì)損失[6]。本文結(jié)合引漢濟(jì)渭工程，對(duì)輸水隧洞襯砌“先拱墻后仰拱”法施工裂縫進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并提出防治措施。

1 工程簡(jiǎn)介

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞黃三段Ⅱ標(biāo)主隧洞樁號(hào)起點(diǎn)為K7+929，終點(diǎn)為K16+481.16，總長(zhǎng)8552.16m。主隧洞為馬蹄形斷面，斷面凈空尺寸6.76m×6.76m，縱比降1/2500。主隧洞支護(hù)形式為一次錨噴支護(hù)和二次襯砌。襯砌結(jié)構(gòu)選用C25混凝土，Ⅱ～Ⅴ類級(jí)別圍巖鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的厚度分別為30cm、35cm、45cm、50cm。其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖配置單排結(jié)構(gòu)配筋，Ⅳ、Ⅴ類圍巖配置雙排受力鋼筋。地板和拱墻之間的接茬混凝土采用凹形鍵槽型式進(jìn)行設(shè)置，鍵槽連接部位設(shè)置止水條。

2 計(jì)算原理

2.1 分層組合式

分層組合式模型是通過把橫截面劃分成若干混凝土和鋼筋層，并沿著截面高度形成直線分布模式，按照鋼筋混凝土材料的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)合平衡條件皆能夠得到相應(yīng)單元的剛度表達(dá)式。分層組合式計(jì)算原理在鋼筋混凝土板、殼結(jié)構(gòu)、桿件系統(tǒng)中應(yīng)用較為普遍。

采用分層組合式將混凝土劃分成若干條帶，將同層鋼筋劃分成一個(gè)條帶。普通的受彎構(gòu)件把混凝土結(jié)構(gòu)劃分成7～10層計(jì)算彎矩和曲率的關(guān)系是比較適宜的。在計(jì)算過程中將每一條帶上的應(yīng)力視作是均勻分布模式。

2.2 帶鋼筋的四邊形單元

圖1 含有一根鋼筋的四邊形單元

2.3 帶鋼筋膜的8結(jié)點(diǎn)六面體單元

此組合方法選取等參數(shù)單元，把鋼筋和混凝土結(jié)合看作是不存在相對(duì)滑移，兩者分布于一個(gè)位移場(chǎng)里面，通過結(jié)點(diǎn)的位移來確定其他各點(diǎn)所有的位移。與通常均勻連續(xù)體的區(qū)別為，此組合單元具有鋼筋，可對(duì)單元?jiǎng)偠绕鸬揭欢ǖ淖饔谩?/p>

3 計(jì)算條件

3.1 計(jì)算模型

以黃三段Ⅱ標(biāo)主隧洞樁號(hào)K15 + 234襯砌混凝土地板為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，軸線方向設(shè)定為X軸，隧洞下游方向作為正；垂直方向設(shè)定為Z軸，向上的方向?yàn)檎慌c軸線垂直的方向設(shè)定為Y軸。

選用非線性有限元ANSYS軟件選取5倍洞徑的外圍巖建立模型，沿X軸向取0 ～60m；沿Y軸向取-60～60m；Z軸向取高程1578m為下界限，地表面為上界限。有限元模型底界限選用三向約束，兩側(cè)界限采取水平約束。選用四節(jié)點(diǎn)面單元對(duì)圍巖和混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，選用兩節(jié)點(diǎn)線單元對(duì)鋼筋進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，共計(jì)25675個(gè)節(jié)點(diǎn)和28780個(gè)單元。隧洞結(jié)構(gòu)的三維有限元模型見圖2。

圖2 隧洞結(jié)構(gòu)的三維有限元模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)秦嶺隧洞(黃三段)地質(zhì)資料和相關(guān)參考資料確定K10+410～K10+560洞段Ⅳ類圍巖及襯砌混凝土、鋼筋的力學(xué)參數(shù)，詳見表1。

表1 秦嶺隧洞圍巖、襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)參數(shù)取值

4 襯砌裂縫分析

襯砌混凝土為C30素混凝土，為分析“先拱墻后仰拱”施工對(duì)裂縫形成的影響，采用有限元模擬軟件ANSYS對(duì)拱墻襯砌混凝土受力特征進(jìn)行了數(shù)值分析。

4.1 縱向裂縫分析

拱部X方向(即隧洞斷面)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖3，可以看出：X向應(yīng)力在曲墻中部和拱部中心位置出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，拱部中心區(qū)域拉應(yīng)力值大于C30混凝土抗拉強(qiáng)度(1.5MPa)，可見在此區(qū)域及附近有出現(xiàn)縱向裂縫的可能。

圖3 X向應(yīng)力云圖

拱部X方向(即隧洞斷面)位移計(jì)算結(jié)果見圖4，可以看出：X位移一側(cè)為正、一側(cè)為負(fù)，斷面中間區(qū)域?yàn)檎?fù)分界區(qū)，拱部受拉向兩側(cè)發(fā)生位移。中間區(qū)域可能被拉開，出現(xiàn)縱向裂縫；同時(shí)，曲墻中部也出現(xiàn)了正負(fù)分界區(qū)域，可能出現(xiàn)縱向裂縫。

綜上所述，拱部在中心位置處易出現(xiàn)縱向拉裂縫，曲墻中部也可能出現(xiàn)縱向拉裂縫。拱部和曲墻的縱向開裂主要是由于無筋混凝土屬于典型的脆性結(jié)構(gòu)，圍巖應(yīng)力產(chǎn)生水平作用，從而使拱部和曲墻受到垂直于隧洞軸線的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時(shí)，則可能會(huì)出現(xiàn)縱向裂縫。

圖4 X向位移云圖

4.2 環(huán)向裂縫分析

拱部Z方向(即洞軸方向)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖5，可以看出，Z向應(yīng)力在拱部中線附近的正值區(qū)域，沿縱向有較長(zhǎng)的分布區(qū)域，這些區(qū)域受拉力控制，拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱部中點(diǎn)位置，達(dá)到7.68MPa，多處受拉區(qū)域拉應(yīng)力值達(dá)到1.75MPa，拉應(yīng)力值超過C30混凝土抗拉強(qiáng)度(1.5MPa)，區(qū)域范圍可能出現(xiàn)環(huán)向裂縫。

拱部和曲墻的環(huán)向開裂主要是由于無筋混凝土屬于典型的脆性結(jié)構(gòu)，不同里程下的圍巖產(chǎn)生不均勻沉降變形，導(dǎo)致拱部和曲墻受到沿隧洞軸線的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時(shí)，則可能造成環(huán)向裂縫。

5 施工裂縫防治措施

5.1 控制混凝土質(zhì)量

a.優(yōu)化配合比。為降低水化熱，項(xiàng)目在配合比設(shè)計(jì)階段，以保證設(shè)計(jì)指標(biāo)為前提，多次優(yōu)化配合比，降低水泥用量，嚴(yán)格控制骨料級(jí)配[7]。

b.控制混凝土坍落度。在保證混凝土和易性良好的情況下降低混凝土坍落度可有效防止施工裂縫，按照《水工混凝土施工規(guī)范》要求泵送混凝土在澆筑時(shí)坍落度范圍為180～220mm[8]；現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土坍落度范圍為180～200mm，在混凝土攪拌、運(yùn)輸過程中嚴(yán)格控制坍落度，首先對(duì)攪拌機(jī)口混凝土的溫度和坍落度進(jìn)行量測(cè)，準(zhǔn)確記錄混凝土運(yùn)輸時(shí)間，洞外多次量測(cè)混凝土罐車上混凝土溫度，混凝土進(jìn)洞之后，再次記錄混凝土坍落度和溫度，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算混凝土在運(yùn)輸過程中坍落度的損耗，做好坍落度從攪拌到澆筑過程中的控制，見表2。

表2 混凝土數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5.2 提高襯砌臺(tái)車剛度

為避免混凝土澆筑過程中襯砌臺(tái)車出現(xiàn)較大變形，項(xiàng)目在臺(tái)車設(shè)計(jì)時(shí)，采用高強(qiáng)度鋼材焊接臺(tái)車龍門架，提高襯砌臺(tái)車整體剛度，將澆筑過程中的臺(tái)車變形降到最低。同時(shí)，在混凝土澆筑過程中，增設(shè)橫向鋼支撐，限制臺(tái)車變形，隨時(shí)觀測(cè)記錄，根據(jù)臺(tái)車變形調(diào)整混凝土澆筑速度。

5.3 控制混凝土澆筑過程

混凝土澆筑過程采用人工振搗，二窗以下的混凝土澆筑過程中，人工鉆進(jìn)襯砌臺(tái)車進(jìn)行振搗，混凝土入倉后先平倉再振搗，每一位置的振搗時(shí)間以混凝土粗骨料不再顯著下沉，并開始泛漿為準(zhǔn)，防止欠振、漏振或過振，澆筑塊第一層、卸料接觸帶和臺(tái)階邊坡混凝土應(yīng)加強(qiáng)振搗。襯砌臺(tái)車在澆筑過程中存在盲區(qū)，部分位置不能振搗，針對(duì)這一問題，我們?cè)谝r砌臺(tái)車二窗下部90cm位置增設(shè)窗口，加強(qiáng)振搗。

5.4 及時(shí)養(yǎng)護(hù)

對(duì)于澆筑好的襯砌混凝土，拆模之后，及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；項(xiàng)目采用霧炮車進(jìn)行襯砌混凝土外觀質(zhì)量養(yǎng)護(hù)，持續(xù)養(yǎng)護(hù)28天。

6 結(jié) 論

a.“先拱墻后仰拱”法施工時(shí)拱部中心位置、曲墻中部均易出現(xiàn)縱向拉裂縫，主要由于無筋混凝土是脆性結(jié)構(gòu)，圍巖應(yīng)力產(chǎn)生水平作用，從而使拱部和曲墻受到垂直于隧洞軸線的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時(shí)，則可能會(huì)出現(xiàn)縱向裂縫。

b.拱部和曲墻的環(huán)向開裂主要是由于無筋混凝土是脆性結(jié)構(gòu)，不同里程下的圍巖產(chǎn)生不均勻沉降變形，導(dǎo)致拱部和曲墻受到沿隧洞軸線的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時(shí)，則可能造成環(huán)向裂縫。

c.采取控制混凝土質(zhì)量、提高襯砌臺(tái)車剛度、控制混凝土澆筑過程以及及時(shí)養(yǎng)護(hù)等措施對(duì)“先拱墻后仰拱”法施工裂縫具有良好的防止效果。