水工隧洞襯砌混凝土裂縫成因分析及控制措施分析

洪躍庭

（廈門安能建設(shè)有限公司， 福建 廈門 361000）

0 引言

水工隧洞由土體、石巖開挖所共同形成，它的基本作用就是保證隧洞在巖土中的穩(wěn)定性，一般情況下可采用襯砌及支護(hù)等等方法抵御水流沖刷，同時保證防滲。所以說，水工隧洞施工中必須嚴(yán)格保證襯砌混凝土施工高質(zhì)量，避免裂縫、麻面、色差等不理想襯砌效果的出現(xiàn)。

1 水工隧洞襯砌混凝土裂縫的基本分類與產(chǎn)生成因

1.1 基本分類

一般情況下在水工隧洞襯砌施工中會存在兩種混凝土裂縫，它們分別為貫穿性有危害裂縫以及細(xì)小表層裂縫。

首先說細(xì)小表層裂縫，這種裂縫多分布于混凝土的表層部分，它的裂縫縫隙非常細(xì)小且無規(guī)律，所出現(xiàn)的數(shù)量也無法有效控制。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以了解這種表層裂縫的寬度都不大于1mm，長度也在0.5mm以內(nèi)，呈現(xiàn)出輕微張開或閉合狀態(tài)。大體來講這種裂縫不會為襯砌混凝土帶來多大影響，但是如果不加以注意控制，細(xì)小表層裂縫長期存在也會影響到水工隧洞內(nèi)部鋼筋的耐腐蝕性與整體結(jié)構(gòu)持久性，最終嚴(yán)重破壞水工隧洞結(jié)構(gòu)，引發(fā)安全事故發(fā)生。

其次看貫穿性有危害裂縫，這種裂縫是貫穿于整個水工隧洞整體結(jié)構(gòu)當(dāng)中的，它可直接威脅到水工隧洞施工過程的安全性，是水工隧洞不穩(wěn)定的表現(xiàn)。一般來說，貫穿性裂縫會單一出現(xiàn)，它的長度足夠長且呈現(xiàn)出明顯的向外張開狀態(tài)，裂縫寬度一般都超過5mm，最嚴(yán)重時寬度會超過20mm以上。由于這種裂縫的貫穿性強(qiáng)，所以通常情況下都是水工隧洞襯砌混凝土大面積滲漏的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

1.2 產(chǎn)生成因

導(dǎo)致水工隧洞出現(xiàn)上文所提到兩種裂縫的成因有很多，這里簡單闡述其中 3點(diǎn)。

第一，大幅度的溫度降溫會引發(fā)襯砌混凝土的收縮裂縫，特別是對于中小型水工隧洞而言，它們的施工通風(fēng)降溫條件普遍偏差，而且施工作業(yè)地層深度較深，所以水泥水化熱的溫升又大又快，在南方地區(qū)施工常年存在洞內(nèi)溫度過高的情況。溫度過高會導(dǎo)致洞內(nèi)水分蒸發(fā)冷凝淅過快，如果水工隧洞制只采取了混凝土表面養(yǎng)護(hù)就極易造成施工現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜，例如砼的散熱與施工現(xiàn)場環(huán)境散熱條件不服，此時就容易產(chǎn)生溫度收縮裂縫。這種溫度收縮裂縫由于形成不規(guī)律且對溫度變化非常敏感，對工程性能的整體影響也存在不確定性。

第二，外部圍巖或鋼筋應(yīng)力效應(yīng)導(dǎo)致襯砌混凝土產(chǎn)生裂縫，這是因?yàn)樗に矶吹氖┕て谕ǔ６急容^緊張，因此容易出現(xiàn)開挖成洞質(zhì)量較差的情況，導(dǎo)致成洞后襯砌混凝土的低質(zhì)量。就這一問題應(yīng)該從兩方面來講，其一是水工隧洞建設(shè)過程中對襯砌混凝土的養(yǎng)護(hù)工作無法有效到位，主要是因?yàn)樗矶粗协h(huán)境條件較差；其二是短距離循環(huán)的開挖支護(hù)作業(yè)太多，對于圍巖類別的判斷可能出現(xiàn)不明情況，如果不采取錨固支護(hù)，水工隧洞就容易出現(xiàn)襯砌混凝土承擔(dān)過大部分支護(hù)作用的結(jié)果，在外部重壓下就會出現(xiàn)襯砌混凝土裂縫問題。客觀講該類裂縫是會影響到襯砌混凝土發(fā)育質(zhì)量與發(fā)育規(guī)模的，對隧洞整體的破壞影響力是比較大的。

由與該類裂縫發(fā)育非常明顯，對隧洞破壞影響較大，所以就需要基于外部壓力對襯砌混凝土的結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力進(jìn)行計算，用科學(xué)角度證明它產(chǎn)生裂縫的成因。就以水工隧洞外部的外層環(huán)向的鋼筋為例，鋼筋本身會對襯砌混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力作用，令混凝土產(chǎn)生裂縫。這里對未貫穿襯砌的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，看其在壓力下的應(yīng)力情況。這里假設(shè)有一塊圍巖始終處于彈性受力狀態(tài)，沒有裂縫出現(xiàn)，此時就可以將整個圍巖視為是一個擁有半徑r的受到內(nèi)應(yīng)力p作用的厚壁圓筒，襯砌混凝土此時所受到的外部壓應(yīng)力應(yīng)該為：

可以看到完整區(qū)的混凝土是受到壓力P的，在受到壓力后混凝土?xí)霈F(xiàn)應(yīng)力位移，它的計算公式應(yīng)該為：

可首先基于位移計算襯砌混凝土的半徑臨界開裂狀態(tài)，考慮到混凝土襯砌的每一個開裂區(qū)域都會傳遞徑向壓力，所以它的切向抗拉強(qiáng)度應(yīng)該設(shè)置推理為0，由此還能繼續(xù)得出它的邊界條件。基于上述公式，基本可以了解到外壓應(yīng)力對于襯砌混凝土及水工隧洞的壓力還是很大的，對于水工隧洞的破壞影響不可小視。

第三，風(fēng)鉆的地質(zhì)水文條件變化也會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形裂縫。一般情況下施工團(tuán)隊都要按圖施工，但由于地質(zhì)條件變化不定，所以按圖施工也會遇到某些施工技術(shù)與設(shè)計圖紙不契合的地方，因此由這種不合理現(xiàn)象所引發(fā)的水工隧洞混凝土襯砌也是非常常見。不過，該類裂縫在產(chǎn)生與形成過程都相對直觀易見，可為施工技術(shù)人員留下更多時間用以進(jìn)行控制和維護(hù)[1]。

2 水工隧洞襯砌混凝土的裂縫問題控制措施

針對水工隧洞襯砌混凝土的裂縫問題控制應(yīng)該首先做好技術(shù)人員調(diào)整，保證技術(shù)人員所勘察的地質(zhì)條件數(shù)據(jù)真實(shí)有效，隨時監(jiān)控其地質(zhì)條件變化，并給出相應(yīng)有效的施工方案。再一點(diǎn)，就是要把好建筑材料關(guān)，全面控制混凝土骨料的各項指標(biāo)要求，配合降低混凝土水化熱來規(guī)范水泥，同時分析水泥添加劑本身會否對混凝土溫度裂縫產(chǎn)生影響。除上述要點(diǎn)外，下文也從技術(shù)層面探討一下水工隧洞襯砌混凝土的基本施工問題，并做好裂縫問題防控對策。

2.1 施工過程動態(tài)管控

水工隧洞開挖必然會對隧洞圍巖造成破壞影響，嚴(yán)重時會塌方事故，所以為了有效做好補(bǔ)救措施必須要邊開挖、邊回填加固，全面控制開挖過程對巖體產(chǎn)生震動，即要規(guī)避成型隧洞的混凝土擾動破壞現(xiàn)象，全面改善隧洞施工中的通風(fēng)與排水環(huán)境條件。

在灌漿與噴錨過程中要嚴(yán)控施工工藝，考慮到水工隧洞的開挖面參差不齊，所以可能會出現(xiàn)混凝土噴涂厚度不均勻、封閉結(jié)合不完全的情況，直接影響到支護(hù)體襯砌混凝土之間的聯(lián)合作用。為了有效解決這一問題，必須有效區(qū)別加固支護(hù)與穩(wěn)定支護(hù)之間的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)洞身側(cè)橫向錨筋與掛網(wǎng)噴混凝土的基本效能，盡量在施工中有效消除圍巖二次及三次應(yīng)力重分布作用，減小圍巖應(yīng)力對襯砌混凝土的破壞性影響。再一點(diǎn)就是要均勻振搗澆筑混凝土，保證混凝土澆筑密實(shí)，避免出現(xiàn)漏振或形成不均勻的水泥砂漿層，保證施工縫結(jié)合的嚴(yán)謹(jǐn)合理處理。在施工后還要檢查混凝土的澆筑厚度，再確定襯砌混凝土加固的基本鋼筋配置。最后在完工后還要檢查襯砌混凝土在水工隧洞中是否存在細(xì)小表層裂縫，如果有必須要及時向上級反映，以便于快速完善地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，重新設(shè)計圖紙，重新安排施工流程，避免隨后施工中再次出現(xiàn)細(xì)小表層裂縫，保證水工隧洞襯砌混凝土施工的高質(zhì)量。

2.2 其它裂縫控制方法

除上述所談到的水工隧洞襯砌混凝土裂縫施工動態(tài)控制方法以外，還有表面修補(bǔ)法，它是比較常用的裂縫處理方法，可直接對水工隧洞中影響隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的裂縫進(jìn)行直接修補(bǔ)，結(jié)合實(shí)際施工過程在襯砌混凝土表面裂縫涂抹一層環(huán)氧膠水，配合水泥漿或油漆、水泥漿等等可有效避免像細(xì)小表層裂縫進(jìn)一步蔓延嚴(yán)重化。

另外像結(jié)構(gòu)加固法也可以有效影響水工隧洞襯砌混凝土結(jié)構(gòu)性能。目前基于結(jié)構(gòu)加固的方式有很多，例如有效粘貼鋼板加固、增設(shè)支點(diǎn)加固、或者直接增大混凝土截面面積都可有效規(guī)避襯砌混凝土裂縫問題出現(xiàn)。

3 總結(jié)

綜上所述，水工隧洞襯砌混凝土很容易出現(xiàn)裂縫問題，本文分析了它的裂縫成因并加以科學(xué)計算，提出了一系列的動態(tài)有效裂縫修復(fù)方法，希望通過科學(xué)合理的視角來重新審視水工隧洞施工相關(guān)技術(shù)難題。