水工隧洞混凝土衬砌裂缝主要原因及预防措施

陈乃或，苏志新，王成山，杜志达

（1.北京渤海嘉实工程咨询有限责任公司，北京 101499；2.辽宁水利土木咨询有限公司，辽宁 沈阳 110055；3.辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006；4.大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116024）

0 引言

混凝土衬砌裂缝是水工隧洞常见的缺陷，如锦屏2 级水电站1 号引水隧洞[1]、小浪底导流洞[2]、永宁河4 级电站引水隧洞[3]、东江水源工程6 号隧洞[4]、恩施洞坪水电站枢纽工程水工隧洞[5]、小孤山隧洞[6]等工程，在施工及运行过程中混凝土衬砌陆续出现一些裂缝，分布在顶拱、侧墙或底板等各个部位，部分裂缝伴有渗水流白析钙现象。裂缝影响隧洞整体性，降低隧洞抗渗能力，引起钢筋锈蚀，降低材料耐久性，影响使用功能并缩短使用寿命。因此，水工隧洞混凝土衬砌裂缝原因及预防措施的分析研究对保证工程的安全性与耐久性具有重要意义。我国现行水工隧洞设计规范按限裂结构进行水工隧洞衬砌设计，没有明确具体温控防裂要求，未充分考虑温度与收缩变形作用，通常施工期大多没有采取有效的混凝土防裂措施。

1 裂缝分类

按裂缝分布形态可分为环向裂缝、纵向裂缝及斜向裂缝，按裂缝出现的时间可分为施工期裂缝和运行期裂缝，裂缝宽度可分为不大于和大于0.2 mm 两种，按渗水情况可分为渗水裂缝和不渗水裂缝。

2 衬砌温度及温度徐变应力分布规律

以辽宁省某大型输水工程隧洞4-6洞段为例进行有限元温度徐变应力仿真计算。该隧洞为马蹄形断面，最大内径6 m，一次支护喷混凝土C30厚度10 cm，二次衬砌混凝土C35W12F200 厚度30 cm。计算方法详见文献［7］，分析了各种浇筑温度、自生体积变形、底板与边顶拱不同的浇筑时间、不同的通水时间与通水水温等各种因素对隧洞衬砌温度和应力影响。

采用先浇筑一次支护喷混凝土，在第28 d 浇筑二次衬砌的混凝土底板，在第90 d 开始浇筑边顶拱部分，在第180 d 开始通水进入运行阶段。混凝土浇筑的初始温度为25 ℃ ，通水水温5，10，15 ℃，整个仿真计算方案的持续时间为365 d。计算结果显示，施工期衬砌内温度与实测温度有着相同的最高温度及相似的变化规律。二次衬砌后24 h 内混凝土温升达到最高，7 d 内混凝土温度降至接近环境温度。运行期通水后4.5 d 内衬砌混凝土温度达到通水水温。底板二衬中心点温度变化过程见图1。顶拱二衬中心点处温度与底板二衬中心点处温度量值及规律相近。

图1 不同通水温度底板中心温度变化过程（距表面0.15 m）

二衬后混凝土一般经历了水化热温升带来的短暂压应力增长、温降初期的压应力减小、温降中后期的拉应力产生及增长直至趋于平稳的发展过程。运行初期，衬砌混凝土应力主要受通水水温影响，随着混凝土温度达到水温温度，衬砌内拉应力趋于平稳并缓慢降低。

计算并比较不同浇筑温度、不同通水水温、不同自生体积变形的温度应力。不同浇筑温度的底板二衬混凝土中心点温度徐变应力变化过程见图2。计算结果显示,不同浇筑温度对温度应力影响差别不大。

图2 不同浇筑温度底板中心应力变化过程（距表面0.15 m）

不同通水水温的二衬混凝土温度徐变应力变化过程见图3。计算结果显示，通水水温为5 ℃时，底板中心应力达到2.5 MPa，通水温度每升高5 ℃，应力约减小1.0 MPa，可见通水水温对温度应力影响显著。

图3 不同通水温度底板中心应力变化过程（距表面0.15 m）

不同自生体积变形的二衬混凝土温度徐变应力变化过程见图4。计算结果显示，外掺3%氧化镁膨胀抗裂剂混凝土拉应力比未掺加的减小约1.0 MPa，氧化镁膨胀抗裂剂补偿温度应力效果明显，自生体积变形对温度应力影响显著。

图4 素混凝土与掺加MgO 混凝土底板中心应力变化过程（距表面0.15 m）

顶拱二衬混凝土中心点温度徐变应力与底板二衬混凝土中心点处温度徐变应力量值及规律相近。

综上，浇筑温度对温度应力影响差别不大，施工期的水化热温升与内表温差、自生体积变形及通水水温对隧洞衬砌应力影响较大。

3 裂缝原因分析

1）施工期水化热温升及内表温差对温度徐变应力影响

上述隧洞混凝土衬砌有限元温度徐变应力仿真计算结果显示，施工期最高温度35 ℃，洞内环境温度14 ℃，内表温差21 ℃，施工初期二次衬砌后24 h 混凝土温升阶段由于时间短，混凝土弹模低，积累的压应力很小，甚至可以忽略不计。7 d内混凝土温度降至接近环境温度，温度徐变应力达到1.5 MPa 以上。最高温度、降温幅度、内表温差，加之围岩的约束，使得降温过程累积了较大拉应力，水化热温升及内表温差起了决定性作用。

小浪底导流洞衬砌采用C70 混凝土，底板厚度为2.5 m，边顶拱厚度为2.0 m，浇筑完工后出现了一些不同程度的裂缝。底板混凝土的最高温度达到53.5 ℃，最大温差34.7 ℃。边顶拱混凝土的最高温度达到50.7 ℃，最大温差29.1 ℃。浇筑后，11，100 d 底板拉应力分别达到 3.4，4.7 MPa 。分析认为，由于C70 高强度混凝土水化热温升过高，衬砌厚度较厚，较大的温差及拆模后表面温降速度很快，底板受到较大基础约束，是产生较大拉应力的主要原因之一[2]。

混凝土水化热温升及内表温差是施工期隧洞衬砌混凝土产生拉应力和裂缝的主要原因之一。较高的混凝土强度指标需要较高的水泥掺量、较厚的衬砌厚度，这些均可引起较高的水化热温升。

2）自生体积收缩变形的影响

混凝土依靠胶凝材料自身水化引起的体积变形，称之为自生体积变形。普通水泥混凝土的自生体积变形大多为收缩，少数为膨胀，混凝土的自生体积变形较大时，相当于温度变化数十度引起的变形，说明混凝土自生体积变形对其抗裂性能有着不容忽视的影响[8，9]，结合辽宁省白石及阎王鼻子混凝土坝进行的混凝土自生体积变形试验研究表明[10]，采用抚顺P·MH42.5 中热硅酸盐水泥（原大坝525号，内含4.5%氧化镁）配制的混凝土180 d自生体积变形为16.0×10-6，采用锦西P·O42.5 普通硅酸盐水泥（原425 号，内含4%氧化镁）配制的混凝土120 d自生体积变形为7.11×10-6，两种水泥配制的混凝土自生体积变形是微膨胀的。采用锦西P·O42.5普通硅酸盐水泥，外掺4%氧化镁，混凝土后期可达到（60～70）×10-6的膨胀量，即后期可增加约50×10-6膨胀量。

通过水泥安定性压蒸试验显示，抚顺与锦西内含4%～5%氧化镁水泥配制的混凝土，氧化镁掺量为2%～3%较为合适。

上述隧洞仿真计算，在相同的施工计算方案下，采用未掺加膨胀抗裂剂素混凝土衬砌，后期边顶拱衬砌的最大拉应力值是3.1 MPa；而掺加氧化镁膨胀抗裂剂混凝土衬砌，边顶拱的最大拉应力值是2.2 MPa，混凝土衬砌所受的拉应力值约降低了0.8 MPa，说明自生体积变形对衬砌应力有较大影响。掺加氧化镁补偿由温降收缩变形引起的拉应力效果明显，与文献［7］结论一致。

3）通水水温的影响

上述隧洞仿真计算，通水水温分别取5，10，15 ℃，整个仿真计算方案的持续时间为365 d。计算结果显示，通水水温为5 ℃时，底板中心应力达到3.5 MPa，通水温度每升高5 ℃，应力约减小1.0 MPa,可见通水水温对运行期温度应力影响显著。

4）干缩变形的影响

混凝土表面水分损失较快，内部水分散失慢，变形较大的表面受到内部的约束而产生较大的表面拉应力，如锦屏2 级水电站1 号引水隧洞[1]、小孤山隧洞[6]均有类似情况发生。

5）开挖断面不合理

开挖岩面起伏差大容易引起岩石约束应力集中，如锦屏2 级水电站1 号引水隧洞，由于衬砌部位的混凝土厚薄不均，散热速度不均，温差不均，加剧了应力集中，在薄厚结合部位容易产生裂缝，采用钻爆法开挖洞段衬砌裂缝数量多于采用TBM 开挖洞段[1]。超挖量过大引起温度高，应力大，如永宁河4 级电站引水隧洞，实际开挖断面均有50～80 cm 不等的超挖，实际衬砌厚度为80～110 cm，远远超出设计的30 cm 厚混凝土，造成水化热过高，混凝土内部温度应力过大，产生较大的伸缩变形将混凝土拉裂[3]。

6）富水段引起的渗水裂缝

混凝土在浇筑初期，富水段内水水压过大超过混凝土初期强度，容易导致薄弱部位产生裂缝。如锦屏2 级水电站1 号引水隧洞，富水洞段虽然进行了引排和封堵，但仍然有散水点存在，浇筑时散水仍可能造成渗水通道，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[1]。如恩施洞坪水电站水工隧洞混凝土衬砌，边顶拱水平施工缝开仓前和开仓后有少量积水，冲毛或凿毛后细小渣子难以彻底清除，砂浆摊铺不全面，形成水平施工缝薄弱环节，外水压力迅速增加，导致边顶拱水平施工缝渗水[5]。

7）衬砌分段过长导致混凝土表面产生裂缝

水工输水隧洞衬砌横缝间距一般为8～12 m，分缝间距越大，围岩约束应力越大，衬砌越容易产生裂缝。

8）施工原因产生的裂缝

包括混凝土拌合、支模、振捣、养护、回填灌浆及固结灌浆各个环节的施工质量，对裂缝的产生均有一定的作用。如锦屏2 级水电站1 号引水隧洞、小浪底导流洞、东江水源工程6 号隧洞等衬砌裂缝均与施工质量有直接关系[1，2，4]。

4 裂缝预防措施

1）降低水化热温升减小内表温差

优先选择发热量低的水泥，优化混凝土配合比，尽可能减少水泥用量。混凝土强度指标以满足结构强度及耐久性要求即可，避免人为提高衬砌混凝土强度指标。衬砌厚度较厚时，采取分层施工方案。受外界气温影响大的短洞或洞口部位，加强衬砌混凝土表面保温，减小内表温差，减小温度应力。

2）掺加氧化镁膨胀抗裂剂补偿温度应力

采用内含4%～5%氧化镁的中热硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥配制的混凝土，可外掺2%～3%氧化镁。具有不同氧化镁含量的水泥，其合适的氧化镁掺量需要通过水泥安定性压蒸试验确定；外掺氧化镁混凝土的自生体积变形需通过实验确定；外掺氧化镁对隧洞衬砌混凝土温度应力的补偿作用效果需通过有限元温度徐变应力仿真计算确定。

3）掺加纤维提高混凝土抗裂能力

为提高混凝土抗裂能力，可适当掺加聚丙烯纤维。如猴山混凝土坝C30W6F200 混凝土采用掺加聚丙烯纤维提高混凝土抗裂能力，掺量为1 kg/m3，28，90 d 极限拉伸值由 82.7×10-6，115.9×10-6提高到96.6×10-6，151.3×10-6，换算为抗拉强度，可分别提高0.48，0.62 MPa

4）控制通水水温

由于运行期通水水温对隧洞混凝土衬砌应力影响较大，应避免通水水温过低，尽可能采取分层取水措施。

5）保持衬砌混凝土表面湿润

应做好衬砌混凝土表面保湿养生，减小表面干缩应力。可以在混凝土表面喷涂养护剂，在混凝土表面形成一层保护膜封闭混凝土表面，减少水分的散失，减少干缩裂缝。

6）严格控制开挖岩面起伏差及超挖

采取有效措施严格控制岩石超挖量。如发现超挖40 cm 以上，应先回填混凝土，待其收缩后，再浇二衬混凝土。

7）富水段隧洞应做好引流排水

采用“先引导、后排水”的方法，在未进行二衬混凝土浇筑时，预先设置导水孔，创造导排外水减压的条件。在二次浇筑混凝土后，使无规的渗漏水通过引导水管变为有规的卸压排水导流，使二衬混凝土有足够的强度增长时间，确保混凝土的质量，最后通过注浆封闭导水孔达到止渗的目的，避免渗水引起裂缝。

8）按照围岩条件合理选择衬砌分段长度

水工隧洞混凝土衬砌设计分段长度一般为8～12 m，按照围岩类别及应力分析结果合理选择分段长度。当围岩完整、坚硬、弹模高，对衬砌混凝土约束大时，段长取小值，反之，段长可取大值。

9）加强施工质量

严格控制混凝土原材料、拌合、支模、振捣、养护、回填灌浆及固结灌浆各个环节施工质量。

5 结语

引起水工隧洞混凝土衬砌裂缝的原因是多方面的，有限元温度徐变应力计算结果显示，浇筑温度对温度应力影响差别不大，施工期的水化热温升与内表温差、自生体积变形及通水水温对隧洞衬砌应力影响较大，干缩变形、开挖起伏差、富水段渗水、衬砌分段长度及各个环节的施工质量都对产生裂缝有一定影响。重要工程宜结合温度应力有限元仿真计算，全面考虑浇筑温度、水化热温升、环境温度、自生体积变形、水压、通水水温及围岩约束等作用，综合比较确定需采取的防裂措施。