隧洞衬砌混凝土裂缝原因分析及防治措施

2010-04-14王海峰

水科学与工程技术 2010年4期

王海峰

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 工程概况

南水北调中线京石段应急供水工程河北段共有7座隧洞工程，由南自北依次为雾山（Ⅰ）隧洞、雾山（Ⅱ）隧洞、吴庄隧洞、岗头隧洞、釜山隧洞、西市隧洞和下车亭隧洞。隧洞工程由进、出口段和洞身段组成，输水设计流量125～60m3/s。

隧洞工程地处太行山东麓丘陵与倾斜平原过渡地带，雾山（Ⅰ）、雾山（Ⅱ）、吴庄和岗头隧洞穿越蓟县系雾迷山组第3段（Jxw3）含燧石条带白云岩；釜山隧洞穿越蓟县系铁岭组（Jxt）含燧石条带或结核白云岩；西市隧洞穿越奥陶系亮甲山组（O1L）白云质灰岩；下车亭隧洞上游及中游段穿越青白口系下马岭组（Qnx）砂岩夹页岩、泥质页岩，下游段穿越蓟县系铁岭组（Jxt）含燧石条带白云岩。

隧洞洞身段布置均为两条平行的无压流隧洞，总长度17252m。下车亭隧洞采用马蹄型结构，断面尺寸6.4m×6.6m，采用锚喷支护和钢筋混凝土全断面衬砌，厚度为25～70cm。其余6座隧洞洞室采用圆拱直墙型结构，断面尺寸7.8m×8.37m～4.9m×6.12m，Ⅱ、Ⅲ类围岩洞段采用锚喷支护与25cm厚“凵”型混凝土组合式衬砌，Ⅳ类围岩和断层破碎带洞段采用锚喷支护与40～80cm厚钢筋混凝土全断面衬砌。25cm厚混凝土衬砌为非受力结构，起减糙作用，配置构造钢筋；全断面衬砌结构根据围岩条件配置受力钢筋。

2 衬砌混凝土施工及条件

2.1 衬砌混凝土浇筑

洞室衬砌混凝土采用二级配，强度等级为C25。每10m为一个浇筑段，每段分两次浇筑，按照先浇底板（拱），再浇侧墙（拱）、顶拱混凝土的顺序跳仓施工。隧洞模筑衬砌混凝土灌注采用全液压衬砌模板台车，混凝土自模板台车的预留窗口由输送泵进行浇筑、机械和人工振捣。

2.2 温控要求

砂、石料、水和罐装水泥等混凝土原材料采取降温措施，以降低混凝土的浇筑温度。制定出机口温度控制标准，出机口温度不符合标准的混凝土不能入仓。

混凝土最高浇筑温度不超过20℃，混凝土内外温差不超过24℃。

合理选择浇筑层厚及间歇期、合理安排施工程序和施工进度、合理安排各部位混凝土的浇筑时间。

对已拆模的衬砌进行洒水养护，必要时对新浇混凝土表面进行覆盖保温措施，减小内外温差。

2.3 混凝土配合比

京石段工程7座隧洞设计衬砌混凝土等级相同，由于选用料场不同、做配合比试验的单位不同，实际采用的混凝土配合比中水泥含量相差较大。其中，下车亭隧洞混凝土配合比中水泥量最高达290kg/m3，其余6座隧洞混凝土配合比中水泥量为246～278kg/m3。

2.4 围岩情况

洞室白云质灰岩和石英砂岩硬度大、弹模高，岩石弹性模量是混凝土弹性模量的2～4倍，基岩对混凝土结构的约束较强。

3 衬砌混凝土裂缝产生及原因分析

釜山隧洞、下车亭隧洞在7～9月高温季节施工中，衬砌混凝土产生了一些裂缝。裂缝多分布在每仓1/2或1/3位置，走向基本为垂直洞轴线分布，裂缝从洞口到洞身中部呈逐渐减少趋势。裂缝宽度0.05～0.75mm，大部分在0.1～0.2mm；长度0.5～9.4m，一般为3m。釜山隧洞11条裂缝的钻孔取芯检测显示，裂缝基本贯穿芯样混凝土，说明裂缝基本裂通，隧洞围岩喷混凝土经检查未发现裂缝现象。

隧洞衬砌混凝土裂缝形成原因非常复杂，往往是多种不利因素综合作用的结果。从产生裂缝的性状和施工温控措施分析，釜山、下车亭隧洞等先期浇筑衬砌混凝土出现的裂缝主要为混凝土内外温差过大，受基岩和老混凝土约束及其他综合原因而产生的温度裂缝。

混凝土浇筑后，其温度将发生复杂的变化，其体积也随之伸缩，当块体受到约束或限制不能自由伸缩时，就要产生温度应力。当温度应力为拉应力且超过混凝土的抗裂能力时就会开裂。复杂的温度变化可以分解出3种情况：

（1）衬砌混凝土浇筑后由于水泥水化热的作用温度快速升高，经过2d达到最高，而后逐渐降低到洞内平均温度。通过对下车亭隧洞60cm厚衬砌混凝土内部温度观测，混凝土浇筑后46h达到55.6℃（水化热最大温升34.0℃），之后温度持续下降。

混凝土从最高温度降到洞内平均温度，体积收缩受到围岩的约束，温差越大，基岩变形模量越高，衬砌越薄越容易产生裂缝。强约束也使早期出现的温度裂缝继续拉长加深。

由于隧洞的衬砌厚度较薄，散热条件较好，混凝土的温度下降较快。特别是洞口处，与环境温度比较接近，昼夜温差大，在洞口没有采取封堵的情况下，混凝土的温降梯度较大，温度应力超过混凝土极限抗拉强度。洞口部位出现的裂缝占绝大多数也说明了这个原因。

（2）衬砌混凝土温度在变化过程中，温度分布是中间高、边界低。洞内温度越低，混凝土表面的温度梯度越大，由于受到内部温度较高的混凝土约束，而在表面产生拉应力。当内外温差达到一定数值后，混凝土将发生裂缝。

（3）当混凝土浇筑完成后受到气温陡降（寒潮）的影响，表面薄层混凝土的温度梯度突然增大，混凝土开裂，这种裂缝大部分在混凝土浇筑后的早期发生，内温越高，开裂的可能性越大，这种由寒潮带来的表面温差引起的裂缝为表面裂缝，裂缝细而浅。

以上3种情况，互相叠加，开始是由于内外温差大或遇寒潮，形成细而浅的表面裂缝，后期叠加上由于混凝土降温受到围岩的约束，使裂缝的长度和宽度逐渐增大。

4 裂缝的预防和处理措施

4.1 预防措施

（1）控制混凝土原材料的温度是实现温度控制的主要手段。采取堆高骨料堆、料场上方搭设凉棚、骨料洒水、预冷骨料、利用夜间低温浇筑、加冰拌和、运输过程中隔热遮阳、水泥经贮存和倒罐等都是有效的降温措施。施工中严格控制混凝土入仓浇筑温度。

（2）尽量选择在夜间浇筑混凝土，延长拆模时间并适当保温或涂抹防止水分蒸发的养护剂。混凝土拆模后表面及时覆盖湿润的遮盖物，并派专人洒水养护，控制内外温差。洞口处挂帘保温，冬季在洞口生火炉。

（3）调整混凝土配合比，降低单位水泥用量。根据有关资料，混凝土中单方水泥用量每增减10kg，水化热相应升降1℃～1.2℃。

（4）提高洞室开挖质量，控制超欠挖和围岩平整度，减小混凝土应力集中。底板（拱）部位超挖大于设计值时，采取先浇筑基础垫层，再浇筑衬砌的施工方法。

（5）加强对混凝土的振捣，保证衬砌混凝土的均匀密实性，尤其是25cm厚的衬砌，边墙模板增加附着式振捣器。改进泵送混凝土施工工艺，缩短混凝土浇筑层的间歇时间，及时进行养护。

4.2 裂缝的处理

隧洞洞身衬砌混凝土产生的裂缝基本为垂直洞轴线分布，不属于危害性裂缝，为非结构性受约束温度裂缝，对结构的稳定性影响不大，但对工程的防渗和结构的耐久性有影响。

根据工程运行要求，结合裂缝的状况，衬砌混凝土在回填灌浆和固结灌浆后对裂缝进行处理。裂缝处理采用化学灌浆和表面覆盖两种方法。

4.2.1 化学灌浆

受力的全断面衬砌结构和裂缝宽度大于0.2mm的“凵”型非受力衬砌结构采用化学灌浆处理。

化学灌浆使用无毒、环保、亲水性好、可灌性好、黏结强度高、遇水膨胀并具有柔弹性，适应一定温度变形能力的高强水溶性聚氨酯浆材。化学灌浆处理主要有开槽埋管法、钻孔法和无损贴嘴法。无损贴嘴法是目前处理裂缝最先进的方法，具有工艺简单、无钻孔、无孔容耗浆、易找准裂缝、对混凝土无损伤等优点值得大力推广，难点是渗水缝的贴嘴。结合实际情况，衬砌裂缝灌浆采用无损贴嘴法，灌浆前应进行灌浆试验以确定浆液的配比和灌浆参数，灌浆完成后采用钻孔取芯对贯穿性裂缝进行质量检查。

4.2.2 表面覆盖

裂缝宽度小于0.2mm的“凵”型非受力衬砌结构采用表面覆盖法处理。

表面覆盖法采用的喷涂材料为无毒环保、固化速度快、凝胶时间短的双组分环氧树脂溶剂型胶粘剂。处理范围：对裂缝中心线两侧10cm范围进行表面覆盖处理。