水工隧洞混凝土襯砌裂縫主要原因及預(yù)防措施

陳乃或，蘇志新，王成山，杜志達

（1.北京渤海嘉實工程咨詢有限責任公司，北京 101499；2.遼寧水利土木咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110055；3.遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006；4.大連理工大學建設(shè)工程學部，遼寧 大連 116024）

0 引言

混凝土襯砌裂縫是水工隧洞常見的缺陷，如錦屏2 級水電站1 號引水隧洞[1]、小浪底導流洞[2]、永寧河4 級電站引水隧洞[3]、東江水源工程6 號隧洞[4]、恩施洞坪水電站樞紐工程水工隧洞[5]、小孤山隧洞[6]等工程，在施工及運行過程中混凝土襯砌陸續(xù)出現(xiàn)一些裂縫，分布在頂拱、側(cè)墻或底板等各個部位，部分裂縫伴有滲水流白析鈣現(xiàn)象。裂縫影響隧洞整體性，降低隧洞抗?jié)B能力，引起鋼筋銹蝕，降低材料耐久性，影響使用功能并縮短使用壽命。因此，水工隧洞混凝土襯砌裂縫原因及預(yù)防措施的分析研究對保證工程的安全性與耐久性具有重要意義。我國現(xiàn)行水工隧洞設(shè)計規(guī)范按限裂結(jié)構(gòu)進行水工隧洞襯砌設(shè)計，沒有明確具體溫控防裂要求，未充分考慮溫度與收縮變形作用，通常施工期大多沒有采取有效的混凝土防裂措施。

1 裂縫分類

按裂縫分布形態(tài)可分為環(huán)向裂縫、縱向裂縫及斜向裂縫，按裂縫出現(xiàn)的時間可分為施工期裂縫和運行期裂縫，裂縫寬度可分為不大于和大于0.2 mm 兩種，按滲水情況可分為滲水裂縫和不滲水裂縫。

2 襯砌溫度及溫度徐變應(yīng)力分布規(guī)律

以遼寧省某大型輸水工程隧洞4-6洞段為例進行有限元溫度徐變應(yīng)力仿真計算。該隧洞為馬蹄形斷面，最大內(nèi)徑6 m，一次支護噴混凝土C30厚度10 cm，二次襯砌混凝土C35W12F200 厚度30 cm。計算方法詳見文獻［7］，分析了各種澆筑溫度、自生體積變形、底板與邊頂拱不同的澆筑時間、不同的通水時間與通水水溫等各種因素對隧洞襯砌溫度和應(yīng)力影響。

采用先澆筑一次支護噴混凝土，在第28 d 澆筑二次襯砌的混凝土底板，在第90 d 開始澆筑邊頂拱部分，在第180 d 開始通水進入運行階段?；炷翝仓某跏紲囟葹?5 ℃ ，通水水溫5，10，15 ℃，整個仿真計算方案的持續(xù)時間為365 d。計算結(jié)果顯示，施工期襯砌內(nèi)溫度與實測溫度有著相同的最高溫度及相似的變化規(guī)律。二次襯砌后24 h 內(nèi)混凝土溫升達到最高，7 d 內(nèi)混凝土溫度降至接近環(huán)境溫度。運行期通水后4.5 d 內(nèi)襯砌混凝土溫度達到通水水溫。底板二襯中心點溫度變化過程見圖1。頂拱二襯中心點處溫度與底板二襯中心點處溫度量值及規(guī)律相近。

圖1 不同通水溫度底板中心溫度變化過程（距表面0.15 m）

二襯后混凝土一般經(jīng)歷了水化熱溫升帶來的短暫壓應(yīng)力增長、溫降初期的壓應(yīng)力減小、溫降中后期的拉應(yīng)力產(chǎn)生及增長直至趨于平穩(wěn)的發(fā)展過程。運行初期，襯砌混凝土應(yīng)力主要受通水水溫影響，隨著混凝土溫度達到水溫溫度，襯砌內(nèi)拉應(yīng)力趨于平穩(wěn)并緩慢降低。

計算并比較不同澆筑溫度、不同通水水溫、不同自生體積變形的溫度應(yīng)力。不同澆筑溫度的底板二襯混凝土中心點溫度徐變應(yīng)力變化過程見圖2。計算結(jié)果顯示,不同澆筑溫度對溫度應(yīng)力影響差別不大。

圖2 不同澆筑溫度底板中心應(yīng)力變化過程（距表面0.15 m）

不同通水水溫的二襯混凝土溫度徐變應(yīng)力變化過程見圖3。計算結(jié)果顯示，通水水溫為5 ℃時，底板中心應(yīng)力達到2.5 MPa，通水溫度每升高5 ℃，應(yīng)力約減小1.0 MPa，可見通水水溫對溫度應(yīng)力影響顯著。

圖3 不同通水溫度底板中心應(yīng)力變化過程（距表面0.15 m）

不同自生體積變形的二襯混凝土溫度徐變應(yīng)力變化過程見圖4。計算結(jié)果顯示，外摻3%氧化鎂膨脹抗裂劑混凝土拉應(yīng)力比未摻加的減小約1.0 MPa，氧化鎂膨脹抗裂劑補償溫度應(yīng)力效果明顯，自生體積變形對溫度應(yīng)力影響顯著。

圖4 素混凝土與摻加MgO 混凝土底板中心應(yīng)力變化過程（距表面0.15 m）

頂拱二襯混凝土中心點溫度徐變應(yīng)力與底板二襯混凝土中心點處溫度徐變應(yīng)力量值及規(guī)律相近。

綜上，澆筑溫度對溫度應(yīng)力影響差別不大，施工期的水化熱溫升與內(nèi)表溫差、自生體積變形及通水水溫對隧洞襯砌應(yīng)力影響較大。

3 裂縫原因分析

1）施工期水化熱溫升及內(nèi)表溫差對溫度徐變應(yīng)力影響

上述隧洞混凝土襯砌有限元溫度徐變應(yīng)力仿真計算結(jié)果顯示，施工期最高溫度35 ℃，洞內(nèi)環(huán)境溫度14 ℃，內(nèi)表溫差21 ℃，施工初期二次襯砌后24 h 混凝土溫升階段由于時間短，混凝土彈模低，積累的壓應(yīng)力很小，甚至可以忽略不計。7 d內(nèi)混凝土溫度降至接近環(huán)境溫度，溫度徐變應(yīng)力達到1.5 MPa 以上。最高溫度、降溫幅度、內(nèi)表溫差，加之圍巖的約束，使得降溫過程累積了較大拉應(yīng)力，水化熱溫升及內(nèi)表溫差起了決定性作用。

小浪底導流洞襯砌采用C70 混凝土，底板厚度為2.5 m，邊頂拱厚度為2.0 m，澆筑完工后出現(xiàn)了一些不同程度的裂縫。底板混凝土的最高溫度達到53.5 ℃，最大溫差34.7 ℃。邊頂拱混凝土的最高溫度達到50.7 ℃，最大溫差29.1 ℃。澆筑后，11，100 d 底板拉應(yīng)力分別達到 3.4，4.7 MPa 。分析認為，由于C70 高強度混凝土水化熱溫升過高，襯砌厚度較厚，較大的溫差及拆模后表面溫降速度很快，底板受到較大基礎(chǔ)約束，是產(chǎn)生較大拉應(yīng)力的主要原因之一[2]。

混凝土水化熱溫升及內(nèi)表溫差是施工期隧洞襯砌混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力和裂縫的主要原因之一。較高的混凝土強度指標需要較高的水泥摻量、較厚的襯砌厚度，這些均可引起較高的水化熱溫升。

2）自生體積收縮變形的影響

混凝土依靠膠凝材料自身水化引起的體積變形，稱之為自生體積變形。普通水泥混凝土的自生體積變形大多為收縮，少數(shù)為膨脹，混凝土的自生體積變形較大時，相當于溫度變化數(shù)十度引起的變形，說明混凝土自生體積變形對其抗裂性能有著不容忽視的影響[8，9]，結(jié)合遼寧省白石及閻王鼻子混凝土壩進行的混凝土自生體積變形試驗研究表明[10]，采用撫順P·MH42.5 中熱硅酸鹽水泥（原大壩525號，內(nèi)含4.5%氧化鎂）配制的混凝土180 d自生體積變形為16.0×10-6，采用錦西P·O42.5 普通硅酸鹽水泥（原425 號，內(nèi)含4%氧化鎂）配制的混凝土120 d自生體積變形為7.11×10-6，兩種水泥配制的混凝土自生體積變形是微膨脹的。采用錦西P·O42.5普通硅酸鹽水泥，外摻4%氧化鎂，混凝土后期可達到（60～70）×10-6的膨脹量，即后期可增加約50×10-6膨脹量。

通過水泥安定性壓蒸試驗顯示，撫順與錦西內(nèi)含4%～5%氧化鎂水泥配制的混凝土，氧化鎂摻量為2%～3%較為合適。

上述隧洞仿真計算，在相同的施工計算方案下，采用未摻加膨脹抗裂劑素混凝土襯砌，后期邊頂拱襯砌的最大拉應(yīng)力值是3.1 MPa；而摻加氧化鎂膨脹抗裂劑混凝土襯砌，邊頂拱的最大拉應(yīng)力值是2.2 MPa，混凝土襯砌所受的拉應(yīng)力值約降低了0.8 MPa，說明自生體積變形對襯砌應(yīng)力有較大影響。摻加氧化鎂補償由溫降收縮變形引起的拉應(yīng)力效果明顯，與文獻［7］結(jié)論一致。

3）通水水溫的影響

上述隧洞仿真計算，通水水溫分別取5，10，15 ℃，整個仿真計算方案的持續(xù)時間為365 d。計算結(jié)果顯示，通水水溫為5 ℃時，底板中心應(yīng)力達到3.5 MPa，通水溫度每升高5 ℃，應(yīng)力約減小1.0 MPa,可見通水水溫對運行期溫度應(yīng)力影響顯著。

4）干縮變形的影響

混凝土表面水分損失較快，內(nèi)部水分散失慢，變形較大的表面受到內(nèi)部的約束而產(chǎn)生較大的表面拉應(yīng)力，如錦屏2 級水電站1 號引水隧洞[1]、小孤山隧洞[6]均有類似情況發(fā)生。

5）開挖斷面不合理

開挖巖面起伏差大容易引起巖石約束應(yīng)力集中，如錦屏2 級水電站1 號引水隧洞，由于襯砌部位的混凝土厚薄不均，散熱速度不均，溫差不均，加劇了應(yīng)力集中，在薄厚結(jié)合部位容易產(chǎn)生裂縫，采用鉆爆法開挖洞段襯砌裂縫數(shù)量多于采用TBM 開挖洞段[1]。超挖量過大引起溫度高，應(yīng)力大，如永寧河4 級電站引水隧洞，實際開挖斷面均有50～80 cm 不等的超挖，實際襯砌厚度為80～110 cm，遠遠超出設(shè)計的30 cm 厚混凝土，造成水化熱過高，混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力過大，產(chǎn)生較大的伸縮變形將混凝土拉裂[3]。

6）富水段引起的滲水裂縫

混凝土在澆筑初期，富水段內(nèi)水水壓過大超過混凝土初期強度，容易導致薄弱部位產(chǎn)生裂縫。如錦屏2 級水電站1 號引水隧洞，富水洞段雖然進行了引排和封堵，但仍然有散水點存在，澆筑時散水仍可能造成滲水通道，產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)，在混凝土溫度下降收縮時，滲水點處容易產(chǎn)生裂縫[1]。如恩施洞坪水電站水工隧洞混凝土襯砌，邊頂拱水平施工縫開倉前和開倉后有少量積水，沖毛或鑿毛后細小渣子難以徹底清除，砂漿攤鋪不全面，形成水平施工縫薄弱環(huán)節(jié)，外水壓力迅速增加，導致邊頂拱水平施工縫滲水[5]。

7）襯砌分段過長導致混凝土表面產(chǎn)生裂縫

水工輸水隧洞襯砌橫縫間距一般為8～12 m，分縫間距越大，圍巖約束應(yīng)力越大，襯砌越容易產(chǎn)生裂縫。

8）施工原因產(chǎn)生的裂縫

包括混凝土拌合、支模、振搗、養(yǎng)護、回填灌漿及固結(jié)灌漿各個環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量，對裂縫的產(chǎn)生均有一定的作用。如錦屏2 級水電站1 號引水隧洞、小浪底導流洞、東江水源工程6 號隧洞等襯砌裂縫均與施工質(zhì)量有直接關(guān)系[1，2，4]。

4 裂縫預(yù)防措施

1）降低水化熱溫升減小內(nèi)表溫差

優(yōu)先選擇發(fā)熱量低的水泥，優(yōu)化混凝土配合比，盡可能減少水泥用量?；炷翉姸戎笜艘詽M足結(jié)構(gòu)強度及耐久性要求即可，避免人為提高襯砌混凝土強度指標。襯砌厚度較厚時，采取分層施工方案。受外界氣溫影響大的短洞或洞口部位，加強襯砌混凝土表面保溫，減小內(nèi)表溫差，減小溫度應(yīng)力。

2）摻加氧化鎂膨脹抗裂劑補償溫度應(yīng)力

采用內(nèi)含4%～5%氧化鎂的中熱硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥配制的混凝土，可外摻2%～3%氧化鎂。具有不同氧化鎂含量的水泥，其合適的氧化鎂摻量需要通過水泥安定性壓蒸試驗確定；外摻氧化鎂混凝土的自生體積變形需通過實驗確定；外摻氧化鎂對隧洞襯砌混凝土溫度應(yīng)力的補償作用效果需通過有限元溫度徐變應(yīng)力仿真計算確定。

3）摻加纖維提高混凝土抗裂能力

為提高混凝土抗裂能力，可適當摻加聚丙烯纖維。如猴山混凝土壩C30W6F200 混凝土采用摻加聚丙烯纖維提高混凝土抗裂能力，摻量為1 kg/m3，28，90 d 極限拉伸值由 82.7×10-6，115.9×10-6提高到96.6×10-6，151.3×10-6，換算為抗拉強度，可分別提高0.48，0.62 MPa

4）控制通水水溫

由于運行期通水水溫對隧洞混凝土襯砌應(yīng)力影響較大，應(yīng)避免通水水溫過低，盡可能采取分層取水措施。

5）保持襯砌混凝土表面濕潤

應(yīng)做好襯砌混凝土表面保濕養(yǎng)生，減小表面干縮應(yīng)力?？梢栽诨炷帘砻鎳娡筐B(yǎng)護劑，在混凝土表面形成一層保護膜封閉混凝土表面，減少水分的散失，減少干縮裂縫。

6）嚴格控制開挖巖面起伏差及超挖

采取有效措施嚴格控制巖石超挖量。如發(fā)現(xiàn)超挖40 cm 以上，應(yīng)先回填混凝土，待其收縮后，再澆二襯混凝土。

7）富水段隧洞應(yīng)做好引流排水

采用“先引導、后排水”的方法，在未進行二襯混凝土澆筑時，預(yù)先設(shè)置導水孔，創(chuàng)造導排外水減壓的條件。在二次澆筑混凝土后，使無規(guī)的滲漏水通過引導水管變?yōu)橛幸?guī)的卸壓排水導流，使二襯混凝土有足夠的強度增長時間，確?；炷恋馁|(zhì)量，最后通過注漿封閉導水孔達到止?jié)B的目的，避免滲水引起裂縫。

8）按照圍巖條件合理選擇襯砌分段長度

水工隧洞混凝土襯砌設(shè)計分段長度一般為8～12 m，按照圍巖類別及應(yīng)力分析結(jié)果合理選擇分段長度。當圍巖完整、堅硬、彈模高，對襯砌混凝土約束大時，段長取小值，反之，段長可取大值。

9）加強施工質(zhì)量

嚴格控制混凝土原材料、拌合、支模、振搗、養(yǎng)護、回填灌漿及固結(jié)灌漿各個環(huán)節(jié)施工質(zhì)量。

5 結(jié)語

引起水工隧洞混凝土襯砌裂縫的原因是多方面的，有限元溫度徐變應(yīng)力計算結(jié)果顯示，澆筑溫度對溫度應(yīng)力影響差別不大，施工期的水化熱溫升與內(nèi)表溫差、自生體積變形及通水水溫對隧洞襯砌應(yīng)力影響較大，干縮變形、開挖起伏差、富水段滲水、襯砌分段長度及各個環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量都對產(chǎn)生裂縫有一定影響。重要工程宜結(jié)合溫度應(yīng)力有限元仿真計算，全面考慮澆筑溫度、水化熱溫升、環(huán)境溫度、自生體積變形、水壓、通水水溫及圍巖約束等作用，綜合比較確定需采取的防裂措施。