引汉济渭输水隧洞二次衬砌混凝土裂缝原因分析

◎吴浩力

引汉济渭输水隧洞二次衬砌混凝土裂缝原因分析

◎吴浩力

1 概况

引汉济渭工程秦岭输水隧洞全长98km,其中越岭段全长81.58km，最大埋深达2012m，难分割的一段输水隧洞长达40km,独头掘进最大长度达13280m。隧洞由中国铁建第一勘察设计院设计，设计流量70m3/s，无压输水，进口高程537.17m，出口高程510.0m，纵坡比降1/3000，分段采用6.76m×6.76m的马蹄形断面和内径为7.16m的圆形断面，其中钻爆法施工长度42.29km，TBM法施工长度39.29km。隧洞穿越地层主要为不同时代的变质岩及花岗岩、闪长岩。洞室围岩主要有Ⅲ、Ⅳ类围岩，其中Ⅲ类围岩段总长36990m约占45.2%；Ⅳ类围岩通过长度17875m约占21.9%。钻爆段洞室温度在23度左右，湿度75%，施工方法为先浇筑拱墙、拱顶，后浇筑仰拱，二衬混凝土浇筑设计标号C30W6F50。除Ⅳ、Ⅴ类围堰衬砌配筋外，其他均为素混凝土，衬砌厚度30cm～60cm,二次衬砌混凝土模板长度为12m。

在业主巡查过程当中，发现2、3号试验洞的二次衬砌混凝土都出现不同程度裂缝，为了尽快查明原因，确定防治方案，业主对裂缝情况进行了检测，并召集有关各方及专家对裂缝成因进行了专题研讨，通过多次试验，最终在多方共同努力下，使二衬裂缝问题得到很好控制。

2 第三方检测情况及分析

2.1 原材料

经检测：各隧洞衬混凝土施工选用的细骨料、粗骨料、水泥为原混凝土配合比试验时送检材料，施工材料各项技术质量指标符合设计要求和规范标准。

2.2 混凝土强度

隧洞衬砌混凝土强度和密度检测采用钻芯取样室内试验，取芯钻孔布设在裂缝区（裂缝测量点处）和非裂缝区（距裂缝1.0m以外），由于隧洞衬砌裂缝区衬砌混凝土的芯样裂缝均已贯通，无法制成试样，隧洞衬砌混凝土强度试验只进行了非裂缝区的试验。

非裂缝区衬砌混凝土布设取芯钻孔检测断面8条（其中2号洞3条，3号洞5条），每条断面上布设取芯钻孔3个，每个钻孔深30cm，共布设取芯钻孔24个。抗压强度试验16组（其中2号洞6组，3号洞10组)；密度检测试验样8组（其中2号洞4组，3号洞4组）。钻孔芯样直径100mm，切割打磨后制成高100mm试样（高径比为1:1）。

根据芯样抗压强度室内试验资料统计成果分析：

1）2号洞C30混凝土芯样抗压强度Rb=30.1～40.0MPa，平均抗压强度Rn=34. 1MPa，Sn=4.088MPa，Rn-0.7Sn=31.2MPa＞Rb=30.0MPa，R n-1.6Sn=27.6M Pa＞0.83Rb=24.9MPa，强度统计数据的离差系数Cv＜0.14。

2）3号洞C30混凝土芯样抗压强度Rb=26.9～3 2.1MPa，平均抗压强度Rn=30.3MPa，Sn=1.89MPa，Rn-0.7Sn=28.9M Pa＜Rb=30.0MPa，Rn-1.6Sn=27.1M Pa＞0.83Rb =24.9MPa，强度统计数据的离差系数Cv＜0.14。

根据隧洞衬砌混凝土抽检芯样抗压强度室内试验资料分析，2号洞衬砌混凝土的强度达到了设计要求和规范标准；3号洞衬砌混凝土的强度小于设计要求。

2.3 混凝土密度

从隧洞衬砌（非裂缝区）C30混凝土芯样密度室内试验资料统计成果来看：

1）2号隧洞衬砌C30混凝土密度= 2.34g/cm3～2.40g/cm3，平均密度=2.363g/cm3。

2）3号隧洞衬砌C30混凝土密度= 2.17g/cm3～2.308g/cm3，平均密度=2. 242g/cm3。

根据隧洞衬砌混凝土芯样密度抽检试验资料分析，隧洞衬砌混凝土的密度偏小，均匀性较差。

2.4 隧洞混凝土衬砌厚度

1）2号洞衬砌混凝土钻孔取芯检测点厚度为26.0cm～38.5cm，平均衬砌厚度32.9cm，厚度检测合格率为88.9%；超声波检测点的厚度为27.5cm～36.8cm，平均衬砌厚度32.8cm，检测点厚度合格率为77.8%。

2）3号洞衬砌混凝土钻孔取芯检测点厚度为26cm～59cm，平均衬砌厚度40.4cm，厚度检测合格率为92.3%；超声波检测点的厚度为28.5cm～55.8cm，平均衬砌厚度38.7cm，检测点厚度合格率为92.3%。

2.5 隧洞衬砌混凝土裂缝的分布特征

从现场调查资料来看，隧洞衬砌混凝土体裂缝以环向裂缝为主，横向和纵向裂缝分布较少，有渗水的裂缝主要分布于3号洞，环向裂缝贯通隧洞的顶拱和侧壁，长度为17.0m～17.4m，纵向裂缝长度5.0m～10.0m，横向裂缝一般为环向和纵向裂缝的交叉分支，长度为3.0m～5.0m。环向裂缝和横向裂缝之间的间距一般为3.0m～4.0m，最小的1.0m～2.0m。3号洞渗水的裂缝多位于拱脚以上2.0m～5.0m处，裂缝的一般宽度为0.5mm～1.0mm，最宽2.2mm，渗水裂缝的宽度大于1.2mm。

2.6 隧洞衬砌混凝土裂缝表面宽度测试

裂缝宽度测试采用WYSX-100X读数显微镜，读数精度0.05mm。裂缝宽度测试过程首先对裂缝按分布特征进行归类，并编号，详细记录裂缝的位置及特征。然后进行裂缝宽度的测试。裂缝宽度测试断面主要布设在各标段不同类型的典型裂缝上，每条裂缝检测断面按不同部位（裂缝的两端附近和中部）各布设测量点3处，每处测量点数据采集3个，共布设裂缝宽度检测断面12条（2号洞3条，3号洞9条），布设测量点40处，采集裂缝宽度数据80个。

根据裂缝宽度检测资料统计成果分析，2号洞检测裂缝宽度为0.15mm～2.2mm，平均宽度0.89mm；3号洞检测裂缝宽度为0.20mm～1.75mm，平均宽度0.88mm。

2.7 混凝土衬砌厚度与裂缝深度

从超声波法检测资料统计成果来看：

（1）2号洞超声波检测点衬砌混凝土厚度为27.5cm～36.8cm，裂缝深度29.6cm～38.8cm。

（2）3号洞超声波检测点衬砌混凝土厚度为28.5cm～55.8cm，裂缝深度27.8cm～53.2cm。

根据钻孔检测和超声波检测资料综合分析，隧洞衬砌混凝土层表面裂缝已穿透了混凝土衬砌层。

2.8 二次衬砌裂缝检测成果分析

1）隧洞二衬混凝土施工过程中选用的细骨料、粗骨料、水泥为均原混凝土配合比试验时送检材料，施工材料各项测试指标符合规范标准。

2）根据隧洞衬砌混凝土芯样抗压强度检测资料分析，2号洞检测段衬砌混凝土的强度达到了设计要求，3号洞检测段衬砌混凝土的强度小于设计要求和规范标准。

3）2号洞衬砌混凝土厚度为26cm～38.5cm，平均衬砌厚度32.9cm，检测点衬砌厚度合格率为77.8～88.9%；隧洞衬砌混凝土裂缝表面宽度为0.15mm～2.2mm，检测裂缝均已穿透了混凝土衬砌层。

4）3号洞衬砌混凝土厚度为26cm～59cm，平均衬砌厚度40.4cm，检测点衬砌厚度合格率为92.3%；隧洞衬砌混凝土体裂缝表面宽度为0.20mm～1.75mm，检测裂缝均已穿透了混凝土衬砌层。

5）钻孔取芯观测，混凝土芯样中存在大量气孔，隧洞衬砌混凝土密度较小，均匀性差，所检裂缝均穿透了衬砌混凝土层，裂缝宽度由拱脚向顶拱有变宽现象，且个别芯样的裂缝有劈裂碎石现象。

综合分析认为：隧洞衬砌混凝土裂缝的产生与施工工艺造成的混凝土衬砌局部振捣不到位，混凝土体密度

按防渗要求衬砌结构的设计原则

岩洞衬砌型式选择

3 其他原因分析

4 结语

3.1 素混凝土缺乏限裂构造

本工程属于无压隧洞，拱墙衬砌混凝土设计要求为：Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩拱墙分别采用C25素混凝土、C25/C30素混凝土和C30钢筋混凝土，防渗等级均为W6，应属于一般防渗要求。鉴于素混凝土的防渗性能较差，一般只用于无防渗要求的混凝土衬砌施工，依据如下：

根据《水工隧洞设计规范SL_279-2002》第6.1.7条（如下表），衬砌的防渗要求为一般时，衬砌设计原则为限制裂缝宽度设计。

同时根据《水工隧洞设计规范SL_279-2002》第6.1.10条（如下表），无压隧洞在限裂设计的情况下，隧洞衬砌形式应选择钢筋混凝土。

根据上述水工隧洞设计规范的要求，素混凝土主要应用在无防渗要求的非限裂洞段，而本工程混凝土防渗等级为W6，应根据限裂设计的要求选择钢筋混凝土，才能有效控制混凝土裂缝的发展。

3.2 先浇注拱墙导致二衬混凝土自重拉裂

本工程均采用先浇注拱墙、后浇注仰拱的方法进行混凝土浇注施工。在仰拱未浇注之前，由于混凝土底部缺乏支撑，在拱墙混凝土自重的作用下，会导致拱墙混凝土内表面产生拉力，当这个拉力超过混凝土的抗拉极限时便产生裂缝。这个拉力的大小和位置与隧洞水平和垂直收敛的差异程度有一定的关系。3.3由高埋深应力释放及地质原因所造成的裂缝

根据承包人对围岩进行监控量测的结果，本工程隧洞水平收敛速度小0.2mm/d，拱顶下沉速度小于0.15mm/d，围岩基本稳定，但应力依然存在，存在应力变形导致裂缝的问题。随着隧洞埋深的增加，应加强对围岩收敛变形的监测，选择合理的衬砌时机，防止高地应力导致混凝土变形和破坏。

3.4 富水段渗水引起的裂缝

引水洞部分洞段为富水洞段，3号洞“8.4”涌水出水口附近，根据该洞段附近连续10模出现较多裂缝且有水渗出的情况，推断该洞段在浇筑前仍有散水点存在，且个别模在浇筑前的引排工作不理想，混凝土浇筑完成后早期强度不够时，散水集中后压力增大造成渗水通道，产生薄弱环节，在混凝土温度下降收缩时，渗水点处容易产生裂缝。

3.5 脱模时间晚，导致未能及时养护而产生裂缝

根据承包人实验资料，混凝土在浇注完成后24h～28h到达最高温度，这也是最需要洒水养护的时间，但2号洞混凝土因未拆模导致不能及时进行养护，在拆模后开始养护时（48h～80h）混凝土已经处于温度下降阶段，而在温度最高峰时因未拆模导致不能进行养护工作，不利用混凝土温度控制，增加了裂缝发生的可能性。加之混凝土自身水化热作用，加速了混凝土表面水份的蒸发作用，如果在拆模后的剩余养护期内仍未能严格控制养护施工质量，则混凝土干缩作用会加剧，从而有可能产生干缩和温度裂缝。

3.6 由混凝土厚薄不均所造成的裂缝

由于钻爆法开挖洞段超挖现场导致衬砌混凝土厚薄不均，在厚薄结合部位

引汉济渭工程是陕西省省重点水利工程，更是民生工程。鉴于输水隧洞埋深大，地质条件复杂，加之现场施工环节又伴随诸多不确定因素，要控制好质量，必须完善设计，坚持标准化施工，严格过程管理，加大监督力度，及时发现问题并妥善处理，确保工程能够保质保量完成。陕西水利

（责任编辑：王剑）

◆作者系陕西省引汉济渭工程协调领导小组办公室工程师。