先拱墙后仰拱法衬砌施工隧洞混凝土裂缝形成及防治研究

李虎子 任喜平

(陕西引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024)

调水工程中输水隧洞发挥着极其重要的作用，其中混凝土衬砌施工是保证质量和制约工期的关键性工序。隧洞衬砌是指支持和维护隧洞的长期稳定和耐久性的永久结构物[1]。隧洞衬砌混凝土的裂缝问题是比较普遍的质量问题[2]，公伯峡、周宁、惠蓄等水利工程的输水隧洞衬砌混凝土出现了或多或少的混凝土开裂现象[3-5]。开裂将会导致渗漏问题，可能会危及水工隧洞的结构安全，并造成一定经济损失[6]。本文结合引汉济渭工程，对输水隧洞衬砌“先拱墙后仰拱”法施工裂缝进行数值模拟分析，并提出防治措施。

1 工程简介

引汉济渭工程秦岭隧洞黄三段Ⅱ标主隧洞桩号起点为K7+929，终点为K16+481.16，总长8552.16m。主隧洞为马蹄形断面，断面净空尺寸6.76m×6.76m，纵比降1/2500。主隧洞支护形式为一次锚喷支护和二次衬砌。衬砌结构选用C25混凝土，Ⅱ～Ⅴ类级别围岩钢筋混凝土衬砌结构的厚度分别为30cm、35cm、45cm、50cm。其中Ⅱ、Ⅲ类围岩配置单排结构配筋，Ⅳ、Ⅴ类围岩配置双排受力钢筋。地板和拱墙之间的接茬混凝土采用凹形键槽型式进行设置，键槽连接部位设置止水条。

2 计算原理

2.1 分层组合式

分层组合式模型是通过把横截面划分成若干混凝土和钢筋层，并沿着截面高度形成直线分布模式，按照钢筋混凝土材料的应力和应变结合平衡条件皆能够得到相应单元的刚度表达式。分层组合式计算原理在钢筋混凝土板、壳结构、杆件系统中应用较为普遍。

采用分层组合式将混凝土划分成若干条带，将同层钢筋划分成一个条带。普通的受弯构件把混凝土结构划分成7～10层计算弯矩和曲率的关系是比较适宜的。在计算过程中将每一条带上的应力视作是均匀分布模式。

2.2 带钢筋的四边形单元

图1 含有一根钢筋的四边形单元

2.3 带钢筋膜的8结点六面体单元

此组合方法选取等参数单元，把钢筋和混凝土结合看作是不存在相对滑移，两者分布于一个位移场里面，通过结点的位移来确定其他各点所有的位移。与通常均匀连续体的区别为，此组合单元具有钢筋，可对单元刚度起到一定的作用。

3 计算条件

3.1 计算模型

以黄三段Ⅱ标主隧洞桩号K15 + 234衬砌混凝土地板为坐标系的原点，轴线方向设定为X轴，隧洞下游方向作为正；垂直方向设定为Z轴，向上的方向为正；与轴线垂直的方向设定为Y轴。

选用非线性有限元ANSYS软件选取5倍洞径的外围岩建立模型，沿X轴向取0 ～60m；沿Y轴向取-60～60m；Z轴向取高程1578m为下界限，地表面为上界限。有限元模型底界限选用三向约束，两侧界限采取水平约束。选用四节点面单元对围岩和混凝土结构进行有限元网格划分，选用两节点线单元对钢筋进行有限元网格划分，共计25675个节点和28780个单元。隧洞结构的三维有限元模型见图2。

图2 隧洞结构的三维有限元模型

3.2 计算参数

依据秦岭隧洞(黄三段)地质资料和相关参考资料确定K10+410～K10+560洞段Ⅳ类围岩及衬砌混凝土、钢筋的力学参数，详见表1。

表1 秦岭隧洞围岩、衬砌支护结构相应参数取值

4 衬砌裂缝分析

衬砌混凝土为C30素混凝土，为分析“先拱墙后仰拱”施工对裂缝形成的影响，采用有限元模拟软件ANSYS对拱墙衬砌混凝土受力特征进行了数值分析。

4.1 纵向裂缝分析

拱部X方向(即隧洞断面)应力计算结果见图3，可以看出：X向应力在曲墙中部和拱部中心位置出现拉应力区，拱部中心区域拉应力值大于C30混凝土抗拉强度(1.5MPa)，可见在此区域及附近有出现纵向裂缝的可能。

图3 X向应力云图

拱部X方向(即隧洞断面)位移计算结果见图4，可以看出：X位移一侧为正、一侧为负，断面中间区域为正负分界区，拱部受拉向两侧发生位移。中间区域可能被拉开，出现纵向裂缝；同时，曲墙中部也出现了正负分界区域，可能出现纵向裂缝。

综上所述，拱部在中心位置处易出现纵向拉裂缝，曲墙中部也可能出现纵向拉裂缝。拱部和曲墙的纵向开裂主要是由于无筋混凝土属于典型的脆性结构，围岩应力产生水平作用，从而使拱部和曲墙受到垂直于隧洞轴线的拉应力，当拉应力超过抗拉强度时，则可能会出现纵向裂缝。

图4 X向位移云图

4.2 环向裂缝分析

拱部Z方向(即洞轴方向)应力计算结果见图5，可以看出，Z向应力在拱部中线附近的正值区域，沿纵向有较长的分布区域，这些区域受拉力控制，拉应力最大值出现在拱部中点位置，达到7.68MPa，多处受拉区域拉应力值达到1.75MPa，拉应力值超过C30混凝土抗拉强度(1.5MPa)，区域范围可能出现环向裂缝。

拱部和曲墙的环向开裂主要是由于无筋混凝土属于典型的脆性结构，不同里程下的围岩产生不均匀沉降变形，导致拱部和曲墙受到沿隧洞轴线的拉应力，当拉应力超过抗拉强度时，则可能造成环向裂缝。

5 施工裂缝防治措施

5.1 控制混凝土质量

a.优化配合比。为降低水化热，项目在配合比设计阶段，以保证设计指标为前提，多次优化配合比，降低水泥用量，严格控制骨料级配[7]。

b.控制混凝土坍落度。在保证混凝土和易性良好的情况下降低混凝土坍落度可有效防止施工裂缝，按照《水工混凝土施工规范》要求泵送混凝土在浇筑时坍落度范围为180～220mm[8]；现场浇筑混凝土坍落度范围为180～200mm，在混凝土搅拌、运输过程中严格控制坍落度，首先对搅拌机口混凝土的温度和坍落度进行量测，准确记录混凝土运输时间，洞外多次量测混凝土罐车上混凝土温度，混凝土进洞之后，再次记录混凝土坍落度和温度，通过数据统计，计算混凝土在运输过程中坍落度的损耗，做好坍落度从搅拌到浇筑过程中的控制，见表2。

表2 混凝土数据统计

5.2 提高衬砌台车刚度

为避免混凝土浇筑过程中衬砌台车出现较大变形，项目在台车设计时，采用高强度钢材焊接台车龙门架，提高衬砌台车整体刚度，将浇筑过程中的台车变形降到最低。同时，在混凝土浇筑过程中，增设横向钢支撑，限制台车变形，随时观测记录，根据台车变形调整混凝土浇筑速度。

5.3 控制混凝土浇筑过程

混凝土浇筑过程采用人工振捣，二窗以下的混凝土浇筑过程中，人工钻进衬砌台车进行振捣，混凝土入仓后先平仓再振捣，每一位置的振捣时间以混凝土粗骨料不再显著下沉，并开始泛浆为准，防止欠振、漏振或过振，浇筑块第一层、卸料接触带和台阶边坡混凝土应加强振捣。衬砌台车在浇筑过程中存在盲区，部分位置不能振捣，针对这一问题，我们在衬砌台车二窗下部90cm位置增设窗口，加强振捣。

5.4 及时养护

对于浇筑好的衬砌混凝土，拆模之后，及时进行养护；项目采用雾炮车进行衬砌混凝土外观质量养护，持续养护28天。

6 结 论

a.“先拱墙后仰拱”法施工时拱部中心位置、曲墙中部均易出现纵向拉裂缝，主要由于无筋混凝土是脆性结构，围岩应力产生水平作用，从而使拱部和曲墙受到垂直于隧洞轴线的拉应力，当拉应力超过抗拉强度时，则可能会出现纵向裂缝。

b.拱部和曲墙的环向开裂主要是由于无筋混凝土是脆性结构，不同里程下的围岩产生不均匀沉降变形，导致拱部和曲墙受到沿隧洞轴线的拉应力，当拉应力超过抗拉强度时，则可能造成环向裂缝。

c.采取控制混凝土质量、提高衬砌台车刚度、控制混凝土浇筑过程以及及时养护等措施对“先拱墙后仰拱”法施工裂缝具有良好的防止效果。