水工隧洞混凝土襯砌裂縫監測與成因分析

田振華，李寶石，王經臣

(1.中國水利水電科學研究院，北京100048；2.北京中水科工程總公司，北京100048；3.遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧沈陽110003)

水工隧洞混凝土襯砌裂縫監測與成因分析

田振華1，2，李寶石3，王經臣3

(1.中國水利水電科學研究院，北京100048；2.北京中水科工程總公司，北京100048；3.遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧沈陽110003)

以襯砌薄壁混凝土結構開裂為研究對象，進行了隧洞襯砌混凝土裂縫監測設計，并對混凝土應力應變、溫度、結構縫開合度等物理量進行了實時監測。監測結果顯示：襯砌在澆筑完成后1個月內出現貫穿性裂縫，裂縫從拱肩至邊墻分布，甚至延伸至整個斷面，但裂縫開合度較小，且無明顯張開趨勢。從監測數據分析來看，薄壁混凝土散熱較快，混凝土溫降梯度較大，混凝土內部溫度應力較高，加之混凝土表面未進行養護，表面干縮縫進一步加劇了混凝土內部裂縫的產生，裂縫產生后襯砌混凝土應力重分布，裂縫無進一步發展的趨勢。

隧洞；混凝土襯砌；裂縫；安全監測

1 研究背景

隧洞襯砌混凝土一般都是受圍巖約束極強的薄壁結構，且由于隧洞的特殊作用，一般混凝土標號都很高，混凝土在硬化的過程中水化熱的作用，致使襯砌混凝土內部溫度較高；加上圍巖的強約束作用，易產生較大的溫度應力[1]。對于過水隧洞而言，貫穿性裂縫對結構安全的影響是致命的；表面裂縫和淺層裂縫在長期高水頭力學和水化學作用下，極易造成裂縫的發展和鋼筋的銹蝕，降低襯砌結構的強度、剛度、穩定性、耐久性，并可能形成滲流通道，造成水資源浪費并危及結構安全。同時，水工隧洞又屬于地下隱蔽工程，一旦出現裂縫，修復處理工作難度大，因而危害極大[2]。

國內外對地表大體積混凝土工程的溫控研究比較深入，且越來越重視[3]；但對地下工程襯砌混凝土溫控研究卻比較簡淺，重視的程度遠遠不夠，有關此方面的溫控要求和規范都比較寬松，工程范例極少。因而，對水工隧洞襯砌混凝土的防裂展開一項專門研究至關重要。

本文以某水工隧洞工程為依托，進行了隧洞襯砌混凝土裂縫監測設計，并對混凝土應力應變、溫度、結構縫開合度等物理量進行了實時監測。通過實際監測數據了解隧洞襯砌混凝土受力特點，并進一步分析襯砌裂縫原因及預防措施。

2 隧洞襯砌裂縫監測設計

2.1 工程概況

隧洞全長16 km，斷面為馬蹄形，成洞洞徑為6.0 m。根據圍巖分類Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ類圍巖襯砌厚度分別為70、60、50 cm。洞室襯砌混凝土采用二級配，強度等級為C35W12F200。采用鋼模臺車澆筑襯砌，每倉12 m，跳倉澆筑，拆模時間24 h。

2.2 監測點布置

隧洞襯砌裂縫監測布置L1和L2兩個監測斷面，共計36支光纖光柵式傳感器(見圖1)，其中鋼筋計16支，應變計8支，無應力計2支，表面裂縫計4支，埋入式裂縫計4支，埋入式測縫計2支。鋼筋計監測襯砌內鋼筋應力，主要布置在邊墻、拱頂和拱肩位置，沿環向和洞軸線方向各布置1支；應變計及無應力計用于監測襯砌混凝土應力應變，應變計與鋼筋計位置相同，沿環向布置；表面裂縫計用于監測襯砌混凝土表面裂縫開合程度，裂縫出現后垂直裂縫方向安裝；埋入式裂縫計用于監測襯砌混凝土與圍巖結合的變化程度，位于頂拱和拱肩；埋入式測縫計用于監測襯砌混凝土施工分縫的變化情況，位于兩倉之間，距離底板1.5 m。觀測采用自動化設備，采集頻次1次/h。

圖1 隧洞襯砌裂縫監測儀器布置示意(單位：mm)

(1)鋼筋計安裝。鋼筋計與襯砌混凝土內的鋼筋采用平頭焊接方式，在焊接過程，確保儀器部位溫度不超過50 ℃，不得在焊縫處澆水以免影響焊接質量。焊接作業時對光纜進行保護，避免損傷。焊接完成后，傳感器光纜沿著鋼筋走線，每隔0.5 m用尼龍扎線綁扎好，必要時重點部位可采用膠粘固定。儀器光纜采用PE套管保護，引至斷面保護盒。

(2)應變計安裝。應變計用鋼筋上綁扎定位。應變計埋設時嚴格控制方向，安裝期間須當心避免對兩端塊施加過大的力，以防止傳感器在安裝時由于超出其量程而損壞。儀器光纜的走線、保護與鋼筋計相同。

(3)無應力計安裝。首先將無應力計放置的無應力計筒內，用細鉛絲將無應力計固定筒內中心位置。然后將無應力計筒固定在埋設位置且大口朝上。儀器光纜的走線、保護與鋼筋計相同。

(4)表面裂縫計安裝。襯砌混凝土出現裂縫后，在混凝土表面裂縫兩側鉆孔，固定錨栓，安裝儀器支架。裂縫計方向與混凝土裂縫方向垂直，將裂縫計安裝在儀器的支架上。儀器光纜沿襯砌混凝土邊墻走線，儀器光纜直接接入主光纜。

(5)埋入式測縫計安裝。采用電錘在圍巖上鉆孔，將測縫計套筒安裝在鉆孔內，采用界面膠粘連緊密。測縫計一端固定在套筒里，套筒填充棉花，避免混凝土漿液進入。

(6)埋入式裂縫計安裝。在已澆筑混凝土的倉面上鉆孔安裝裂縫計套筒，然后在套筒內安裝裂縫計。儀器光纜的走線、保護與鋼筋計相同。

3 隧洞襯砌裂縫監測成果分析

通過對已襯砌洞段裂縫查看情況，各隧洞段已襯砌混凝土大部分裂縫為環向裂縫，且大部分位于倉位中段，呈規律性分布；裂縫多分布于邊頂拱范圍，長度12～15 m，小部分為半側裂縫，長度約2～6 m，裂縫寬度0.1～1.5 mm，大部分環向裂縫為貫穿性裂縫，有滲水或鈣質析出；裂縫最早出現在混凝土澆筑結束后約15天前后。2015年5月27日開始安裝埋設儀器，至2016年6月20日為止，隧洞襯砌各測點監測成果過程線見圖2。

監測成果表明：

(1)表1為隧洞襯砌混凝土溫度觀測成果，隧洞襯砌澆筑時環境溫度在14 ℃左右，混凝土入倉溫度在25℃左右，混凝土澆筑后24 h內達到最高溫度，L1斷面最高溫度35 ℃，L2斷面最高溫度40 ℃。混凝土降溫主要發生在最高溫升后7 d內，降溫幅度達20 ℃，襯砌混凝土散熱時長約1個月，之后混凝土溫度基本穩定，主要受環境溫度影響。當前混凝土溫度11 ℃左右，與環境溫度基本一致。

圖2 隧洞襯砌各測點監測成果過程線

(2)從埋設的無應力計來看，襯砌混凝土呈收縮狀態，混凝土當前自生體積應變在-245.44～-184.09 με；隨著混凝土溫度降低，混凝土收縮較快，主要收縮發生在混凝土澆筑后2個月以內；計算得出L1斷面混凝土溫度線膨脹系數為8.8 με/℃，L2斷面混凝土溫度線膨脹系數為9.2 με/℃；混凝土應變與溫度的復相關系數在0.96以上，混凝土自生體積變形受溫度影響最大；隨著溫度的降低混凝土收縮呈持續性，混凝土自生體積應變隨溫度呈動態穩定狀態。

表1 隧洞襯砌混凝土溫度觀測成果

(3)從埋設的應變計來看，混凝土受力拉壓不一，混凝土收縮過程中受周邊約束影響，混凝土以受拉為主，總體應變較小，應力應變主要發生在混凝土澆筑后1個月內，主要受溫度影響；當混凝土拉應變達到最大后，混凝土出現拉應變變小壓應變變大的趨勢；目前混凝土應力應變趨勢相對穩定。混凝土拉應變最大的部位在L2斷面(樁號：D191+436.000)左邊墻的位置，應變值為130.24 με；壓應變混凝土應變最大的位置在L2斷面(樁號：D191+436.000)，應變值在-103.07 με。

(4)混凝土鋼筋應力受力拉壓不一，以受拉為主，總體鋼筋應力較小。混凝土澆筑初期，隨著混凝土溫度的逐漸下降，鋼筋應力增長較快；隨著混凝土溫度的相對穩定(16℃左右)，鋼筋應力趨于穩定。鋼筋應力最大的部位在L2斷面(樁號：D191+436.000)頂拱和左邊墻位置，應力值為69.88 MPa，沿斷面環向方向，與混凝土最大應變在同一位置，且方向一致，這可能與周圍的地質條件有關。

(5)圍巖與襯砌混凝土結合縫呈張開狀態，主要發生在混凝土澆筑后1個月內，與混凝土無應力應變監測成果一致。當前最大開合度為1.07 mm，發生在L1斷面(樁號：D191+424.000)頂拱的位置，目前總體趨勢相對穩定。

(6)混凝土施工縫呈張開狀態，主要發生在混凝土澆筑后1個月內，與混凝土無應力應變監測成果一致。隨著混凝土收縮，施工縫開合度增大；目前施工縫開合度受溫度影響明顯，當前測值分別為1.38 mm和1.16 mm。

(7)混凝土表面裂縫開合度總體趨勢變小，裂縫出現后無明顯擴展，目前處于穩定狀態；裂縫出現時間與混凝土應變計最大拉應變出現時間基本一致。

4 結論和建議

4.1 結 論

(1)在混凝土澆筑后，由于水泥水化熱的作用導致混凝土溫度快速升高，1 d左右達到最高，而后逐漸降低到洞內平均溫度。混凝土早期強度高，水化熱也高，當內部混凝土溫度高于外部混凝土的溫差大時，就容易產生裂縫。監測到的混凝土內部最高溫度約40 ℃，澆筑完成的混凝土外表面溫度與環境溫度15 ℃較接近，襯砌混凝土內外溫差25 ℃，內外溫差較大是造成混凝土襯砌開裂的主要原因。

(2)洞內外空氣對流速度快，在洞口沒有采取封堵的情況下混凝土表面干燥，水化熱反應過早停止，混凝土表面的抗拉強度低，而混凝土內部水化熱還未停止，易形成混凝土應力集中而產生表面裂縫；隨著混凝土溫度應力增加，表面裂縫進一步發展為貫穿性裂縫。

4.2 預防混凝土產生裂縫的措施

(1)控制混凝土原材料的溫度是實現溫度控制的主要手段。夏季采用了堆高骨料堆、料場上方搭設遮陽棚、骨料灑水、預冷骨料、利用夜間低溫澆筑。秋末冬初時節隧洞洞口封閉，采用熱風機洞內增溫、澆筑溫控全過程中跟蹤。

(2)夏季將選擇在夜間澆筑混凝土，延長拆模時間并適當保溫或涂抹防止水分蒸發的養護劑。混凝土拆模后表面按照施工規范及時灑水養護。冬季施工則選擇白天氣溫較高時段澆筑。洞口處掛棉簾子保溫，冬季洞內采取增溫措施。

4.3 裂縫的處理

隧洞洞身襯砌混凝土產生的裂縫基本為垂直洞軸線環向和橫向分布，初步分析為不屬于危害性裂縫，為非結構性受約束溫度裂縫，對結構的穩定性影響不大，但對工程的防滲和結構的耐久性有影響。根據工程運行要求，結合裂縫的狀況，襯砌混凝土在回填灌漿和固結灌漿后對裂縫進行處理。對于裂縫處理采用化學灌漿和表面覆蓋兩種方法[4]。

[1] 張素磊. 隧洞襯砌結構健康診斷及技術狀況評定研究[D]. 北京： 北京交通大學, 2012．

[2] 李財輝. 水工隧洞襯砌混凝土裂縫的防治及處理[J]. 福建建材, 2013(11)： 67- 68．

[3] 朱伯芳. 大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M]. 北京: 中國電力出版社, 1999．

[4] 李寧. 引水洞襯砌裂縫的影響及灌漿處理仿真分析[J]. 巖土力學, 2001(6)： 163- 165．

MonitoringandCauseAnalysisofConcreteLiningCrackinginHydraulicTunnel

TIAN Zhenhua1,2, LI Baoshi3, WANG Jingchen3

(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China; 2. Beijing IWHR Technology Co., Ltd., Beijing 100048, China; 3. Liaoning Water Resource Management Group Company Ltd., Shenyang 110003, Liaoning, China)

For studying the cracking of thin-wall lining concrete structure, the concrete lining crack automatic monitoring system of a hydraulic tunnel is designed, which is able to real-time monitor the stress, strain, temperature, crack opening of concrete. The monitoring results show that the lining has penetrated cracks within one month after the completion of pouring, and the cracks are distributed from arch to side walls, even to whole tunnel section, but the crack opening is small and there is no obvious enlarging trend. From the analysis of monitoring data, it is found that the heat dissipation of thin-wall concrete is faster, the temperature drop gradient of concrete is larger and the internal temperature stress of concrete is higher. As lining concrete surface curing is not carried out, the dry shrinkage of surface concrete further promote the development of cracking in internal concrete. After the cracking, the stress in lining concrete will be re-distributed, so the cracks will not further develop．

tunnel; concrete lining; crack; safety monitoring

TV698.11

A

0559- 9342(2017)09- 0045- 04

2017- 03- 24

田振華(1986—)，男，河南濮陽人，工程師，博士研究生，主要從事大壩等結構安全監測工作．

(責任編輯王 琪)