隧洞衬砌混凝土裂缝成因及施工改进措施

2021-04-01武云华李玉峰

工程建设与设计 2021年23期

武云华，李玉峰

（云南省滇中引水工程建管局玉溪分局，云南玉溪653100）

1 引言

隧洞工程建设中，衬砌混凝土是非常重要的组成部分，混凝土施工的质量会直接影响隧洞工程整体的质量和安全。而结合实际情况分析，在隧洞衬砌混凝土施工中，经常会因为各种因素的影响而出现开裂问题。裂缝的类型包括了温度裂缝、收缩裂缝、沉陷裂缝以及接茬裂缝等，这些裂缝的存在严重影响了衬砌混凝土的质量和性能。对此，施工单位需要做好裂缝成因的分析，采取有效的改进和应对措施来对裂缝进行处理。

2 项目概述

滇中引水工程是国务院批准，国家发改委和水利部确定的172项重大节水供水工程中的标志性工程之首，是云南省可持续发展的战略性基础工程，工程的实施可从根本上解决滇中区的水资源短缺问题，具有显著的经济效益、社会效益和生态效益。

滇中引水工程由水源工程和输水工程2部分组成，在金沙江干流石鼓抽水至高程2 035 m，其后自流引水至各受水区，渠首流量135 m3/s。工程输水线路总长664 km，其中隧洞线路总长612 km，占比高达92%。地质条件国内引调水工程中最复杂，跨越多个复杂地质构造单元，隧洞施工遭遇复杂地质段，施工工艺复杂。以玉溪段为例，输水洞渠起点为昆明新庄，末点为玉溪市与红河州分界的曲江，途经昆明市晋宁区、玉溪市江川区及通海县，线路总长78 km，设计引水流量隧洞渠首为40 m3/s，隧洞渠末为20 m3/s。输水总洞渠采用无压输水，干渠建筑物主要有隧洞、渡槽、暗涵、倒虹吸、消能及控制建筑物，建筑物以隧洞为主，其中隧洞8条，长72.8 km，占线路总长的94.43%。隧洞断面主要采用马蹄形（小扑隧洞）和城门洞形，马蹄型断面尺寸4.6 m×4.6 m，城门洞型断面尺寸3.0 m×3.9 m。随着工程的不断推进，目前开始施工支洞二衬混凝土施工，如何更好地把控二衬混凝土的质量，确保工程建成为经得起考验的“千年工程”，对整个工程隧洞二衬混凝土施工提出了更严格要求。做好隧道衬砌混凝土工程的施工建设和维护，能够切实保障隧道工程的稳定性和可靠性，同时也可为引水工程的总体建设提供可靠支撑，应该得到工程技术人员的重视[1]。

3 隧洞衬砌混凝土裂缝成因

以玉溪段施工支洞二衬混凝土进行分析，全线共布置13条施工支洞，合计全长9.347 km，其中Ⅳ类围岩合计长2.513 km，占比26.89%，Ⅴ类围岩合计长5.058 km，占比54.11%，Ⅳ类、Ⅴ类围岩合计占支洞总长比达81.0%，围岩工程地质条件较差，隧洞围岩稳定问题较突出，从保障隧洞衬砌混凝土施工质量的角度，需要做好衬砌混凝土裂缝成因的分析。

1）混凝土配比不当。隧洞工程衬砌工程采用的是泵送混凝土，对于强度的要求较高，这也使得其水灰比以及坍落度较大，水泥用量多，容易在混凝土内部产生较大的水化热，引发混凝土开裂问题。

2）材料和温度。该工程中，混凝土配置使用的是散装水泥，存放在钢制水泥罐中，容易受到外部环境因素的影响，而粗细骨料在夏季或者冬季施工中存在较大的温度变化，如果在混凝土拌和中无法进行有效控制，会出现混凝土浇筑温度变化较大的问题。

3）地下水影响。玉溪段输水线路区穿越7个与输水隧洞线关系密切、规模较大的岩溶水系统，部分地段地表、地下水环境影响问题较突出，隧洞施工存在一定程度的涌突水、疏干、塌陷等岩溶灾害问题，隧洞内存在地下水外渗的问题，而在衬砌施工完成后，地下水难以排出，外水压力的持续累积，会对衬砌混凝土产生较大的影响，而当压力超过混凝土结构的承载极限时，结构会出现裂缝。

4）施工因素影响。工程施工中，对于施工材料的质量有着非常严格的要求，如果砂石骨料的含泥量超标，或者细度模数超标，会影响混凝土结构的整体性能，而在混凝土浇筑过程中，也存在着间隔时间短，浇筑速度偏快的问题，部分区域施工作业空间有限，无法采用分层多窗口下料的方式，或者在对混凝土进行振捣时，存在着振捣不及时又或者振捣不充分的情况，很容易产生冷缝。混凝土养护对于混凝土施工质量的影响十分巨大，若养护工作没有及时进行，或者养护时间不足[2]，则混凝土的强度可能无法达到预期，在前期强度难以抵抗收缩应力的情况下，混凝土结构自然会产生开裂问题。

5）外部环境温度及养护。混凝土养护过程中，如果没有做好穿堂风的防范，则混凝土表面的温度湿度会下降，形成相应的内外温差，浇筑初期环境温度偏高或者偏低都会引发混凝土内外温差过大的问题，容易形成温度裂缝。

4 隧洞衬砌混凝土改进措施

4.1 结合项目需求优化混凝土配合比

工程技术人员应该结合玉溪段隧洞工程衬砌混凝土施工的现实需求，对混凝土配合比进行优化和调整，在保证其强度不变的情况下，可以适当增加粉煤灰的用量，减少水泥用量，或者添加高效减水剂，以降低水灰比，对混凝土水化热进行控制。从保证混凝土持久性和渗透性的角度，应该将水胶比控制在0.4以内，水胶比越低，相应的混凝土强度也越高。水量与水胶比都可以在很大程度上保障混凝土的持久性和强度，不过想要保证混凝土的流动性，还需要加入一定的减水剂，理想状态下，减水剂的掺入量应该控制在1%~2%，如果超过这个范围，并不能进一步提升效果，也会导致成本增大。

4.2 有效控制原材料及混凝土温度

1）应该对水泥的进场温度进行严格控制。为了避免水泥材料温度过高引发混凝土拌和出机温度偏高的问题，需要对水泥材料的进场温度进行严格控制，可以在拌和站内设置2个散装水泥罐，对于新进场的散装水泥，可以先贮存，优先使用早进场的水泥，等到新进场水泥的温度适宜后再使用，使用前需要对温度进行测量。砂石料需要提前放入料仓保温棚，避免太阳暴晒。

2）在夏季施工时，可以在混凝土拌和中，使用井水来降低混凝土拌和温度和出机温度。冬季施工需要提前将骨料运送到拌和站的棚内进行预热[3]，水也需要提前加热，对混凝土拌和过程中的温度进行跟踪监测，确保其入仓温度不能超过28℃。

3）应该做好减水剂的合理选择，对水泥水化速度进行控制，确保其能够实现均匀放热。

4）在夏季施工中，应该尽可能安排早上10点前、下午4点后的低温时段施工，冬季则相反，应该安排白天气温较高的时段施工，混凝土运输罐车应该设置好相应的罐体保温措施，确保混凝土的入仓温度不能低于5℃。

4.3 完善引排水措施

1）在对隧洞进行施工的过程中，排水系统是一个非常关键的组成部分，其能够将隧洞内的积水排出，避免渗出或者流出的地下水威胁隧洞运行安全，也可以阻止地下水进入混凝土浇筑界面。在对衬砌混凝土进行施工的过程中，一般是通过引排的方式来对地下水进行处理，如果水量较大，则需要在衬砌施工前做好必要的阻水灌浆工作[4]。

2）在一些富水区域，尤其是施工中遇到的围岩面潮湿的情况，需要在钢筋制作安装前，开展系统性的防排水施工，在玉溪段的13条隧洞中，采用的防排水设施主要是在墙面铺设防水布或者设置排水管道，衬砌面出水点位置需要设置出水管，通过纵向与环向引排水管的相互配合来保证排水的效果，纵向引排水管需要向前方持续延伸，这样能够尽可能地减小出水压力，确保后续衬砌作业中不会出现长距离出水的问题。需要注意，所有的引排水设施都必须做到牢固固定，这样在后续的混凝土入仓环节，才不容易出现引排水措施松动、脱落的问题，也才能最大限度地保障衬砌施工的质量。

3）在完成富水区域隧洞的衬砌施工后，需要做好预留回填灌浆孔的排水工作，确保衬砌面不会因为水压出现水击穿裂缝[5]。

4.4 做好材料进场质量控制工作

（1）应该做好砂石料质量控制。在工程施工中，需要选择经过检验合格的砂石料，将其依照规格、品种和来源分开存放，每一车砂石都需要经过试验员目测合格后才能进场，对于目测不合格的材料需要清除。连续进场达到一定程度后（该工程中为600 t），需要做好取样检测，检验合格后才能允许使用。（2）应该做好水泥、外加剂等材料的进场控制。需要先查看材料的合格证书和质量检验报告，看其是否与送来的原材料一致，按照厂家、品种、规格、批号等卸到指定区域，在标识牌上标识清楚。（3）应该依照现场施工进度，确保材料供应的及时性和稳定性，避免出现较大的质量波动。

4.5 加强对施工过程的控制

1）需要对混凝土拌和质量进行控制。工程技术人员应该依照预先设计好的配比进行混凝土拌制作业，不能对配合比进行私自调整。拌和站设备的称量偏差需要控制在一定范围内，同时适当延长混凝土搅拌的时间，保证拌和的均匀性[6]。在对拌和好的混凝土进行运输时，应该选择专用罐车一边搅拌一边运输，确保混凝土在进入泵内时更加均匀，在条件允许的情况下，确保混凝土尽早入仓。

2）应该做好施工过程管控。对于质量不合格的材料，应该禁止入仓，做好混凝土入仓坍落度的严格控制，明确要求作业人员在混凝土运输和泵送过程中不能随意加水。混凝土振捣应该采用分层振捣的方式，做到不超振、不漏振，橡胶止水带周边应该采用人工振捣的方式，在保证没有粗集料集中的同时，避免止水带的扭曲。需要依照外部环境温度来对混凝土浇筑的时间进行相应调整，做好结合面振捣和分层振捣工作，每一层浇筑的厚度不能超过50 cm，混凝土浇筑过程中，两侧混凝土浇筑面的高度差应该被控制在50 cm左右，浇筑的速度也需要控制在设计规定的范围内。

3）需要做好混凝土拆模时间控制，确保衬砌混凝土顶拱的强度能够达到5 MPa以上，同时为了避免水泥水化热、外水压力等因素引发的结构开裂问题，应该适当推迟拆模时间，将其放在混凝土浇筑完成24 h后。

4）做好混凝土养护工作。混凝土脱模后需要对其温度进行跟踪测量，在表面温度低于45℃以后进行洒水养护，养护时间至少为24 d，在养护期间需要始终保持混凝土表面湿润。