杭州市第二水源千岛湖配水工程水工隧洞衬砌混凝土裂缝防治

胡奇晶，梁 锋

（浙江东洲建设咨询有限公司，浙江 杭州 310002）

在水工隧洞混凝土衬砌工程中，需要重视混凝土裂缝的相关问题，积极做好相关防范措施，将可能存在的干扰因素降到最低。通过实际研究和数据分析，优化施工流程和改进技术方法，不断提升工程实体质量的内部强度和外观效果。

1 概 况

1.1 工程概况

杭州市第二水源千岛湖配水工程输水线路总长113.22 km，动态总投资约为106亿元，规模为Ⅰ等工程。其中输水隧洞混凝土衬砌段长约102.29 km，主隧洞采用C30混凝土衬砌，根据不同围岩类别，混凝土衬砌厚度为35～45 cm不等。隧洞衬后净断面均为6.70 m×6.45 m（宽×高）。

混凝土衬砌是水工隧洞施工的主要内容之一，混凝土衬砌裂缝会引起混凝土内钢筋锈蚀，进而缩短使用寿命；另外，贯通性裂缝形成隧洞内外水的渗漏通道，影响饮用水水质。减少混凝土衬砌裂缝是确保隧洞使用寿命和引用水水质的重要保障。

1.2 隧洞衬砌概况

本工程隧洞混凝土衬砌模板采用长为12.00 m的钢模台车。混凝土经运输车运输至工作面，转入HBT-60D混凝土泵输料入仓，入仓后采用插入式振捣和台车自身配备平板振捣器结合振捣，衬砌施工示意见图1。

图1 混凝土衬砌施工示意图

1.3 混凝土生产概况

混凝土搅拌采用HZS50混凝土搅拌站配制，配置PT1000型电子自动配料系统，通过查阅其他水利工程的相关资料，C30混凝土水泥用量一般为300～450 kg/m3[1]，本工程衬砌C30混凝土水泥用量定为411 kg/m3。

2 混凝土裂缝产生原因分析及确认

混凝土内部应力是产生裂缝的直接原因。形成应力的因素主要有围岩的约束、温度变化、混凝土干缩，钢筋混凝土抗拉强度用于抵抗裂缝的产生，造成钢筋混凝土抗拉强度过低的因素有材料粘结性能差、混凝土级配不连续和抗拉材料用量少等[2]。

2.1 围岩约束

（1）隧洞四周围岩约束大：隧洞衬砌混凝土外侧被围岩和一期喷射混凝土支护包围而非自由面，造成衬砌应力不能在外侧释放，形成混凝土衬砌裂缝。

经确认，混凝土在硬化过程中，体积随着混凝土龄期变化而有所变化，其外侧的围岩基本稳定，可认为始终不发生变化，围岩和混凝土衬砌间不存在自由空间。因此混凝土结构受围岩约束产生内部应力，此应力必然存在，无法避免。

（2）洞径变化：围岩地质条件变化，一期喷射混凝土支护后洞径有变化，造成混凝土衬砌厚薄不均匀，致使混凝土衬砌应力不均衡，形成混凝土衬砌裂缝。

本工程洞径变化部位已经设置结构缝，不会另外产生混凝土裂缝。

（3）钢拱架带肋：一次支护钢拱架喷射混凝土不平整，使得钢拱架带肋，造成混凝土衬砌厚薄不均，致使混凝土衬砌应力的不均衡，形成混凝土衬砌裂缝。

现场两榀钢拱架之间喷射混凝土用量较少，形成环向的凹槽，即钢拱架带肋，经测量钢拱架处洞径和钢拱架之间喷射混凝土部位的洞径平均偏差达到15 cm，大于规范要求的10 cm。钢拱架部位应力集中，是形成混凝土衬砌裂缝的主要原因之一。

2.2 温度变化

（1）水泥用量过多：水泥水化热是混凝土硬化过程中温度上升的主要原因，温升引起热胀冷缩，形成混凝土衬砌裂缝。

本工程C30衬砌混凝土水泥用量为411 kg/m3，一般C30衬砌混凝土水泥用量为300～450 kg/m3，因此本工程衬砌混凝土的水泥用量偏大，水泥用量与混凝土水化热息息相关，即水泥用量度则水化热高，易形成温度裂缝。

（2）原材料温度过高：若各类原材料温度过高，则混凝土拌合物温度也相应较高，导致混凝土结构的初始温度较高，对混凝土硬化过程的温升，以及后期降温时的应力均产生不利影响。

该地区夏季日平均气温为27.5 ℃，经监测，现场施工场地日平均温度为29.2 ℃。根据现状调查统计分析，在未实行有效降温措施的情况下，混凝土入仓温度大于28.0 ℃，易形成裂缝。

（3）养护时表面降温过快：混凝土养护时，内部温度因水化热仍然在释放，表面因淋水养护，水分蒸发而温度降低，形成内外温差，混凝土内外温差造成由内而外不等的应力，形成混凝土衬砌裂缝。

经确认，洞内贯通风易造成混凝土表面快速降温。规范要求，混凝土内外温差应小于15.0 ℃，根据现状调查的统计结果，混凝土内外温差最大值均大于15.0 ℃，易出现裂缝。

2.3 混凝土抗拉强度低

（1）砂的含泥量过高：工程采用河砂，若河砂表面包裹较多的泥土，将大大降低混凝土拌合物的粘结性能，不利于控制裂缝。

（2）粗骨料的石粉含量过高：工程采用自制粗骨料，较多的石粉含量也将降低混凝土拌合物的粘结性能，不利于控制裂缝。

（3）水泥品质差：水泥是混凝土主要胶凝材料，低品质的水泥不能保证混凝土拌合物的粘结性能，不利于控制裂缝。

对现场原材料进行抽查检验，检验结果均符合规范要求。

2.4 抗拉材料

（1）钢筋间距过大：钢筋间距过大同样影响钢筋混凝土整体的抗拉性能，不利于控制裂缝。

本工程裂缝主要为环向裂缝，适当加密分布筋的间距有利于控制环向裂缝。目前混凝土衬砌的钢筋间距为20 cm×25 cm，分布筋间距存在较小的调整空间。钢筋是主要受拉结构，钢筋加密后能有效控制裂缝的产生，且裂缝发生后，能适当抑制裂缝扩大，经分析加密钢筋增加施工成本，但对混凝土增加抗拉力有限，并非造成裂缝的决定性因素。

（2）未采用纤维等抗拉材料：纤维是提高混凝土抗拉强度的主要材料，未采用抗拉材料不利于控制裂缝。

本工程为饮水工程，在混凝土中添加纤维会影响水质，为保证饮用水质量，未采用加纤维的方案。

3 工程裂缝处理措施

通过研究讨论，确定本工程出现裂缝可能导致的主要原因为：喷射混凝土厚度用量不足、洞内贯通风较大、原材料降温措施不到位、水泥用量过大。针对主要原因，制定实施方案。

3.1 补喷拱架之间混凝土

通过对钢拱架喷射混凝土不足的部位进行补喷，使喷护后洞径偏差小于10 cm，减少钢拱架带来的集中应力，使衬砌混凝土受力均匀。

3.2 隔档贯通风

为避免贯通洞内存在的穿堂风，使洞内适当升温、保温，将贯通隧洞一侧洞口设置防风帘遮蔽，具体实施措施见图2。实施后对洞内进行日常温度测量平均为20.4 ℃。由于洞内不再有风，混凝土自身散热至洞内温度明显升高，实测混凝土内外温差小于15.0 ℃。

图2 洞内设置简易防风帘图

3.3 增加原材料降温措施

骨料堆放处设置遮阳棚，顶部配备喷淋系统长期洒水降温。喷淋用水采用地下水，水温约为15.0 ℃左右。经降温后测得骨料拌合前平均温度为24.0 ℃。

混凝土拌合用水冷却采用制冷设备制冷降温，水温在8.0 ℃左右。

由于目前处于夏季施工，故混凝土浇筑时间安排在夜间进行。经降温处理后的混凝土入仓温度实测均小于28.0 ℃，符合设计要求。

3.4 优化配合比

为减少混凝土水化热反应，通过多次配合比试验，保证混凝土强度下，减少水泥用量。

优化后混凝土的水泥用量从411 kg/m3减少到368 kg/m3。经过优化配合比浇筑的混凝土，测得混凝土温升符合小于20.0 ℃的规范要求，较原混凝土内部最高温度平均降低5.0 ℃左右。

4 对策实施效果

结合以上措施实施，对洞内0+249～0+369 m共120 m进行试验（每12 m为1仓，共10仓），实测入仓温度及温升得到有效控制，裂缝出现率明显降低，达到预期效果，具体数据见表1。

表1 试验段混凝土温度及裂缝实测表

5 结 语

通过一系列针对性的改进措施，裂缝数量明显减少，隧洞衬砌质量明显提升，经过4M1E各因素的密切配合达到最佳效果，并在施工中不断总结改善，降低此类质量问题发生率。

总之，对施工过程每一环节都必须严格按施工规范实施。对各种影响因素都必须考虑周全，施工前周密计划、合理安排，施工过程中严加控制，施工后及时评定总结。针对隧洞衬砌裂缝问题，采取更加有效的施工方法和施工技术，才能保证施工质量。