引漢濟(jì)渭輸水隧洞二次襯砌混凝土裂縫原因分析

◎吳浩力

引漢濟(jì)渭輸水隧洞二次襯砌混凝土裂縫原因分析

◎吳浩力

1 概況

引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞全長98km,其中越嶺段全長81.58km，最大埋深達(dá)2012m，難分割的一段輸水隧洞長達(dá)40km,獨(dú)頭掘進(jìn)最大長度達(dá)13280m。隧洞由中國鐵建第一勘察設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流量70m3/s，無壓輸水，進(jìn)口高程537.17m，出口高程510.0m，縱坡比降1/3000，分段采用6.76m×6.76m的馬蹄形斷面和內(nèi)徑為7.16m的圓形斷面，其中鉆爆法施工長度42.29km，TBM法施工長度39.29km。隧洞穿越地層主要為不同時(shí)代的變質(zhì)巖及花崗巖、閃長巖。洞室圍巖主要有Ⅲ、Ⅳ類圍巖，其中Ⅲ類圍巖段總長36990m約占45.2%；Ⅳ類圍巖通過長度17875m約占21.9%。鉆爆段洞室溫度在23度左右，濕度75%，施工方法為先澆筑拱墻、拱頂，后澆筑仰拱，二襯混凝土澆筑設(shè)計(jì)標(biāo)號C30W6F50。除Ⅳ、Ⅴ類圍堰襯砌配筋外，其他均為素混凝土，襯砌厚度30cm～60cm,二次襯砌混凝土模板長度為12m。

在業(yè)主巡查過程當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)2、3號試驗(yàn)洞的二次襯砌混凝土都出現(xiàn)不同程度裂縫，為了盡快查明原因，確定防治方案，業(yè)主對裂縫情況進(jìn)行了檢測，并召集有關(guān)各方及專家對裂縫成因進(jìn)行了專題研討，通過多次試驗(yàn)，最終在多方共同努力下，使二襯裂縫問題得到很好控制。

2 第三方檢測情況及分析

2.1 原材料

經(jīng)檢測：各隧洞襯混凝土施工選用的細(xì)骨料、粗骨料、水泥為原混凝土配合比試驗(yàn)時(shí)送檢材料，施工材料各項(xiàng)技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 混凝土強(qiáng)度

隧洞襯砌混凝土強(qiáng)度和密度檢測采用鉆芯取樣室內(nèi)試驗(yàn)，取芯鉆孔布設(shè)在裂縫區(qū)（裂縫測量點(diǎn)處）和非裂縫區(qū)（距裂縫1.0m以外），由于隧洞襯砌裂縫區(qū)襯砌混凝土的芯樣裂縫均已貫通，無法制成試樣，隧洞襯砌混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)只進(jìn)行了非裂縫區(qū)的試驗(yàn)。

非裂縫區(qū)襯砌混凝土布設(shè)取芯鉆孔檢測斷面8條（其中2號洞3條，3號洞5條），每條斷面上布設(shè)取芯鉆孔3個(gè)，每個(gè)鉆孔深30cm，共布設(shè)取芯鉆孔24個(gè)。抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)16組（其中2號洞6組，3號洞10組)；密度檢測試驗(yàn)樣8組（其中2號洞4組，3號洞4組）。鉆孔芯樣直徑100mm，切割打磨后制成高100mm試樣（高徑比為1:1）。

根據(jù)芯樣抗壓強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)成果分析：

1）2號洞C30混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度Rb=30.1～40.0MPa，平均抗壓強(qiáng)度Rn=34. 1MPa，Sn=4.088MPa，Rn-0.7Sn=31.2MPa＞Rb=30.0MPa，R n-1.6Sn=27.6M Pa＞0.83Rb=24.9MPa，強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的離差系數(shù)Cv＜0.14。

2）3號洞C30混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度Rb=26.9～3 2.1MPa，平均抗壓強(qiáng)度Rn=30.3MPa，Sn=1.89MPa，Rn-0.7Sn=28.9M Pa＜Rb=30.0MPa，Rn-1.6Sn=27.1M Pa＞0.83Rb =24.9MPa，強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的離差系數(shù)Cv＜0.14。

根據(jù)隧洞襯砌混凝土抽檢芯樣抗壓強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)資料分析，2號洞襯砌混凝土的強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；3號洞襯砌混凝土的強(qiáng)度小于設(shè)計(jì)要求。

2.3 混凝土密度

從隧洞襯砌（非裂縫區(qū)）C30混凝土芯樣密度室內(nèi)試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)成果來看：

1）2號隧洞襯砌C30混凝土密度= 2.34g/cm3～2.40g/cm3，平均密度=2.363g/cm3。

2）3號隧洞襯砌C30混凝土密度= 2.17g/cm3～2.308g/cm3，平均密度=2. 242g/cm3。

根據(jù)隧洞襯砌混凝土芯樣密度抽檢試驗(yàn)資料分析，隧洞襯砌混凝土的密度偏小，均勻性較差。

2.4 隧洞混凝土襯砌厚度

1）2號洞襯砌混凝土鉆孔取芯檢測點(diǎn)厚度為26.0cm～38.5cm，平均襯砌厚度32.9cm，厚度檢測合格率為88.9%；超聲波檢測點(diǎn)的厚度為27.5cm～36.8cm，平均襯砌厚度32.8cm，檢測點(diǎn)厚度合格率為77.8%。

2）3號洞襯砌混凝土鉆孔取芯檢測點(diǎn)厚度為26cm～59cm，平均襯砌厚度40.4cm，厚度檢測合格率為92.3%；超聲波檢測點(diǎn)的厚度為28.5cm～55.8cm，平均襯砌厚度38.7cm，檢測點(diǎn)厚度合格率為92.3%。

2.5 隧洞襯砌混凝土裂縫的分布特征

從現(xiàn)場調(diào)查資料來看，隧洞襯砌混凝土體裂縫以環(huán)向裂縫為主，橫向和縱向裂縫分布較少，有滲水的裂縫主要分布于3號洞，環(huán)向裂縫貫通隧洞的頂拱和側(cè)壁，長度為17.0m～17.4m，縱向裂縫長度5.0m～10.0m，橫向裂縫一般為環(huán)向和縱向裂縫的交叉分支，長度為3.0m～5.0m。環(huán)向裂縫和橫向裂縫之間的間距一般為3.0m～4.0m，最小的1.0m～2.0m。3號洞滲水的裂縫多位于拱腳以上2.0m～5.0m處，裂縫的一般寬度為0.5mm～1.0mm，最寬2.2mm，滲水裂縫的寬度大于1.2mm。

2.6 隧洞襯砌混凝土裂縫表面寬度測試

裂縫寬度測試采用WYSX-100X讀數(shù)顯微鏡，讀數(shù)精度0.05mm。裂縫寬度測試過程首先對裂縫按分布特征進(jìn)行歸類，并編號，詳細(xì)記錄裂縫的位置及特征。然后進(jìn)行裂縫寬度的測試。裂縫寬度測試斷面主要布設(shè)在各標(biāo)段不同類型的典型裂縫上，每條裂縫檢測斷面按不同部位（裂縫的兩端附近和中部）各布設(shè)測量點(diǎn)3處，每處測量點(diǎn)數(shù)據(jù)采集3個(gè)，共布設(shè)裂縫寬度檢測斷面12條（2號洞3條，3號洞9條），布設(shè)測量點(diǎn)40處，采集裂縫寬度數(shù)據(jù)80個(gè)。

根據(jù)裂縫寬度檢測資料統(tǒng)計(jì)成果分析，2號洞檢測裂縫寬度為0.15mm～2.2mm，平均寬度0.89mm；3號洞檢測裂縫寬度為0.20mm～1.75mm，平均寬度0.88mm。

2.7 混凝土襯砌厚度與裂縫深度

從超聲波法檢測資料統(tǒng)計(jì)成果來看：

（1）2號洞超聲波檢測點(diǎn)襯砌混凝土厚度為27.5cm～36.8cm，裂縫深度29.6cm～38.8cm。

（2）3號洞超聲波檢測點(diǎn)襯砌混凝土厚度為28.5cm～55.8cm，裂縫深度27.8cm～53.2cm。

根據(jù)鉆孔檢測和超聲波檢測資料綜合分析，隧洞襯砌混凝土層表面裂縫已穿透了混凝土襯砌層。

2.8 二次襯砌裂縫檢測成果分析

1）隧洞二襯混凝土施工過程中選用的細(xì)骨料、粗骨料、水泥為均原混凝土配合比試驗(yàn)時(shí)送檢材料，施工材料各項(xiàng)測試指標(biāo)符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2）根據(jù)隧洞襯砌混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度檢測資料分析，2號洞檢測段襯砌混凝土的強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，3號洞檢測段襯砌混凝土的強(qiáng)度小于設(shè)計(jì)要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

3）2號洞襯砌混凝土厚度為26cm～38.5cm，平均襯砌厚度32.9cm，檢測點(diǎn)襯砌厚度合格率為77.8～88.9%；隧洞襯砌混凝土裂縫表面寬度為0.15mm～2.2mm，檢測裂縫均已穿透了混凝土襯砌層。

4）3號洞襯砌混凝土厚度為26cm～59cm，平均襯砌厚度40.4cm，檢測點(diǎn)襯砌厚度合格率為92.3%；隧洞襯砌混凝土體裂縫表面寬度為0.20mm～1.75mm，檢測裂縫均已穿透了混凝土襯砌層。

5）鉆孔取芯觀測，混凝土芯樣中存在大量氣孔，隧洞襯砌混凝土密度較小，均勻性差，所檢裂縫均穿透了襯砌混凝土層，裂縫寬度由拱腳向頂拱有變寬現(xiàn)象，且個(gè)別芯樣的裂縫有劈裂碎石現(xiàn)象。

綜合分析認(rèn)為：隧洞襯砌混凝土裂縫的產(chǎn)生與施工工藝造成的混凝土襯砌局部振搗不到位，混凝土體密度

按防滲要求襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

巖洞襯砌型式選擇

3 其他原因分析

4 結(jié)語

3.1 素混凝土缺乏限裂構(gòu)造

本工程屬于無壓隧洞，拱墻襯砌混凝土設(shè)計(jì)要求為：Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖拱墻分別采用C25素混凝土、C25/C30素混凝土和C30鋼筋混凝土，防滲等級均為W6，應(yīng)屬于一般防滲要求。鑒于素混凝土的防滲性能較差，一般只用于無防滲要求的混凝土襯砌施工，依據(jù)如下：

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范SL_279-2002》第6.1.7條（如下表），襯砌的防滲要求為一般時(shí)，襯砌設(shè)計(jì)原則為限制裂縫寬度設(shè)計(jì)。

同時(shí)根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范SL_279-2002》第6.1.10條（如下表），無壓隧洞在限裂設(shè)計(jì)的情況下，隧洞襯砌形式應(yīng)選擇鋼筋混凝土。

根據(jù)上述水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，素混凝土主要應(yīng)用在無防滲要求的非限裂洞段，而本工程混凝土防滲等級為W6，應(yīng)根據(jù)限裂設(shè)計(jì)的要求選擇鋼筋混凝土，才能有效控制混凝土裂縫的發(fā)展。

3.2 先澆注拱墻導(dǎo)致二襯混凝土自重拉裂

本工程均采用先澆注拱墻、后澆注仰拱的方法進(jìn)行混凝土澆注施工。在仰拱未澆注之前，由于混凝土底部缺乏支撐，在拱墻混凝土自重的作用下，會(huì)導(dǎo)致拱墻混凝土內(nèi)表面產(chǎn)生拉力，當(dāng)這個(gè)拉力超過混凝土的抗拉極限時(shí)便產(chǎn)生裂縫。這個(gè)拉力的大小和位置與隧洞水平和垂直收斂的差異程度有一定的關(guān)系。3.3由高埋深應(yīng)力釋放及地質(zhì)原因所造成的裂縫

根據(jù)承包人對圍巖進(jìn)行監(jiān)控量測的結(jié)果，本工程隧洞水平收斂速度小0.2mm/d，拱頂下沉速度小于0.15mm/d，圍巖基本穩(wěn)定，但應(yīng)力依然存在，存在應(yīng)力變形導(dǎo)致裂縫的問題。隨著隧洞埋深的增加，應(yīng)加強(qiáng)對圍巖收斂變形的監(jiān)測，選擇合理的襯砌時(shí)機(jī)，防止高地應(yīng)力導(dǎo)致混凝土變形和破壞。

3.4 富水段滲水引起的裂縫

引水洞部分洞段為富水洞段，3號洞“8.4”涌水出水口附近，根據(jù)該洞段附近連續(xù)10模出現(xiàn)較多裂縫且有水滲出的情況，推斷該洞段在澆筑前仍有散水點(diǎn)存在，且個(gè)別模在澆筑前的引排工作不理想，混凝土澆筑完成后早期強(qiáng)度不夠時(shí)，散水集中后壓力增大造成滲水通道，產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)，在混凝土溫度下降收縮時(shí)，滲水點(diǎn)處容易產(chǎn)生裂縫。

3.5 脫模時(shí)間晚，導(dǎo)致未能及時(shí)養(yǎng)護(hù)而產(chǎn)生裂縫

根據(jù)承包人實(shí)驗(yàn)資料，混凝土在澆注完成后24h～28h到達(dá)最高溫度，這也是最需要灑水養(yǎng)護(hù)的時(shí)間，但2號洞混凝土因未拆模導(dǎo)致不能及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在拆模后開始養(yǎng)護(hù)時(shí)（48h～80h）混凝土已經(jīng)處于溫度下降階段，而在溫度最高峰時(shí)因未拆模導(dǎo)致不能進(jìn)行養(yǎng)護(hù)工作，不利用混凝土溫度控制，增加了裂縫發(fā)生的可能性。加之混凝土自身水化熱作用，加速了混凝土表面水份的蒸發(fā)作用，如果在拆模后的剩余養(yǎng)護(hù)期內(nèi)仍未能嚴(yán)格控制養(yǎng)護(hù)施工質(zhì)量，則混凝土干縮作用會(huì)加劇，從而有可能產(chǎn)生干縮和溫度裂縫。

3.6 由混凝土厚薄不均所造成的裂縫

由于鉆爆法開挖洞段超挖現(xiàn)場導(dǎo)致襯砌混凝土厚薄不均，在厚薄結(jié)合部位

引漢濟(jì)渭工程是陜西省省重點(diǎn)水利工程，更是民生工程。鑒于輸水隧洞埋深大，地質(zhì)條件復(fù)雜，加之現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)又伴隨諸多不確定因素，要控制好質(zhì)量，必須完善設(shè)計(jì)，堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)化施工，嚴(yán)格過程管理，加大監(jiān)督力度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并妥善處理，確保工程能夠保質(zhì)保量完成。陜西水利

（責(zé)任編輯：王劍）

◆作者系陜西省引漢濟(jì)渭工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室工程師。