输水隧洞衬砌温度裂缝调查及处理

董文津

(凌河保护区管理局，辽宁 朝阳县 122629)

1 工程概况

青山水库输水工程全长71.02 km，其主要功能是将青山水库的水经过输水管线输送至葫芦岛市开发区，以解决当地工业和生活用水问题。工程的规划工期为28个月，概算投资4.60亿元。在工程的规划设计中，穿越围屏山段的输水线路采用有压输水隧洞工程方案，该输水隧洞段全长2 152 m。隧洞施工采用全断面开挖的支护的方式进行。具体的施工设计方案为：首先打入长度1 m直径为20 mm，间距0.30 m，排距0.50 m的系统短锚杆，然后进行120 b，间距为1 m工字钢支撑结构的安装，其纵向连接采用槽钢，其规格为12#，最后进行混凝土的喷挂作业，厚度设计为15 cm，标号采用C25。然后，再打长度5 m直径为20 mm，间距0.30 m，排距0.50 m的系统长锚杆。隧洞的二次衬砌为混凝土衬砌结构设计，其中底板混凝土为C40W8F100，边墙和拱顶部位为C30W8F100。

2 施工基本情况

在输水隧洞的衬砌工程施工过程中，生产营地对面的3 km的场地内设置了一个HZ90混凝土搅拌站，搅拌站的设计搅拌能力和实际搅拌能力分别为每小时90 m3和55 m3，完全可以满足施工需求。拌和好的混凝土利用9 m3的搅拌车沿施工道路进行运输，从搅拌站到施工现场大约需要30 min。隧洞的底板和边墙利用天泵进行混凝土的浇筑，在浇筑过程中的底板和边墙分别利用φ100振捣棒和φ70软轴式振捣器进行振捣，在初振完成之后30 min，再利用φ20式振捣器沿着模边进行复振。在混凝土浇筑完成之后的24 h开始养护，养护时间为28 d。

3 衬砌裂缝调查与原因分析

3.1 衬砌裂缝调查

引水隧洞的衬砌施工始于2018年6月6日，至8月6日共计完成浇筑施工16仓，192 m，在衬砌混凝土施工养护期间，对衬砌结构进行了多次质量巡检，并发现大部分仓号的衬砌均出现数量不等的裂缝，在衬砌的底板和边墙部位均有分布，其宽度大都在0.05～0.20 mm之间，通过工程现场的抽样凿槽检测，裂缝的深度不大，一般都在5 cm以内。根据《水工混凝土浇筑物缺陷检测和评估技术规程》(DLT5251-2010)的分类标准，调查中发现的裂缝主要是龟裂和细微裂缝，也就是A类裂缝；还有少量的表面或浅层裂缝以及深层裂缝等B类和C类裂缝，没有发现贯穿性D类裂缝。具体调查结果如表1所示。

表1 裂缝调查统计表

3.2 衬砌混凝土温控情况

由于衬砌混凝土浇筑时正处于施工地区的高温季节，为了满足温控设计指标要求，在混凝土的搅拌和施工过程中采取了一定的温控措施，特别是尽量选择夜间施工作业，如果需要在日间施工作业，则采取加冰搅拌的方式控制混凝土温度。另一方面，为了控制浇筑完成后混凝土内部水化热造成的温升，在混凝土内部设置了冷却水管，以便降低混凝土温度裂缝发生的几率。根据施工中的监测数据，统计获取如表2所示的砂石骨料的温度和表3所示的发现裂缝仓面的温度参数。

表2 砂石骨料温度监测数据表(单位：℃)

表3 发现裂缝仓面的温度参数统计表(单位：℃)

3.3 裂缝原因的初步分析

结合混凝土裂缝的常见成因以及工程实际，对工程衬砌混凝土出现的裂缝原因进行初步分析，主要有以下几个方面：一是衬砌施工中选用的高强抗冲耐磨混凝土，这种混凝土具有明显的干缩性，容易诱发衬砌裂缝。二是衬砌混凝土在施工之后的24 h左右达到内部温度的最大值，之后由于温控措施的使用，后期温度下降幅度过大，1 d之内的最高温度下降了10～18℃，这一降幅渊源超过相应的设计标准，由于在强度较低的阶段发生了较大幅度的降温，不利于温度裂缝的控制。三是按照相关施工规范的要求，混凝土内部的最高温度容许值为37℃，但是根据监测数据，混凝土内部温度的最高值远超这一标准，与外界温度的温差达到20℃以上，接近设计要求的极限，不利于温度裂缝的控制。因此，做好施工过程中的温度控制工作，是预防衬砌混凝土裂缝产生的根本途径。

4 裂缝的处理

4.1 修补原则

根据调查结果可以看出，输水隧洞初衬混凝土虽然存在明显的额裂缝，但是大多数裂缝为不需要处理的A类裂缝，对于B类和C类裂缝，则需要采取一定的处理措施。其中，B类裂缝的处理措施是表面修补封闭，C类裂缝的处理措施是进行内部化学灌浆加上表面修补封闭处理。

4.2 灌浆材料

对于C类裂缝需要进行化学灌浆，灌浆材料采用LW、HW水溶性聚氨酯化学灌浆材料，这是一种快速高效的防渗补强加固灌浆材料，已经在诸多水利工程中得到了广泛的使用，其部分性能如表4所示。

表4 水溶性聚氨酯化学灌浆材料主要性能表

4.3 工艺流程

裂缝修补的工艺流程如图1所示。首先，需要利用磨缝和洗缝的方式处理好需要修补的衬砌混凝土表面，为修补工作做好保障；沿裂缝的两侧5 cm布置A14斜孔，孔距为30 cm，钻孔的角度要<45°，深度要保证穿过裂缝，但是不能打穿结构；在钻好的孔内安装灌浆嘴，并使用六角扳手紧固，保证不漏水；完成上述环节之后，再使用快干水泥对裂缝的表面进行封闭，保证在下一步的灌浆过程中不会出现跑浆现象；灌浆过程则采用电动灌浆机进行，灌浆压力根据实际情况选择0.30～0.50 MPa，在灌浆过程中，如果已经连续5 min不进浆，即可结束灌浆；在灌浆结束之后拆掉灌浆嘴，再用HK-EQ环氧胶泥封闭灌浆孔；待浆液固化之后，去除衬砌表面的灌浆浆液，并在裂缝的表面涂刷一道HK-966增厚环氧涂料，宽度掌握在5～10 cm。

图1 化学灌浆修补工艺流程示意图

5 结语

混凝土裂缝是长期困扰水利工程界的重要技术问题，特别是在引水隧洞施工工程中，衬砌裂缝会对工程质量以及安全稳定运行造成十分严重的影响。虽然衬砌混凝土裂缝产生的原因较多，但是温度裂缝仍旧是其中最常见的类型和诱因。此次研究以具体工程为例，研究了衬砌混凝土温度裂缝产生的主要原因，并结合工程实际提出了具体的修补技术措施，对类似工程施工具有一定的借鉴意义。但是，混凝土裂缝产生的原因较多，需要结合不同工程所处的地理环境进行具体的探索和总结，才能更有效地预防输水隧洞衬砌裂缝，保证工程本身的质量和经济效益。