水工隧洞混凝土襯砌施工的地下水控制技術分析

李成龍

摘 要：以水工隧洞混凝土襯砌施工地下水控制要點及技術為討論方向，以陜西省A水工隧洞為例，在介紹A水工隧洞基本情況的基礎上，結合A水工隧洞所處區域年降水量，采用大氣降水入滲估算法、涌水量經驗公式及最大水用量經驗公式，進行A水工隧洞施工用水量估算及現場用水量量測，并根據所得測量結果分析A水工隧洞混凝土襯砌施工地下水控制措施。

關鍵詞：水工隧洞;混凝土襯砌;施工技術;地下水控制

中圖分類號：TV554 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）26-0086-03

Analysis on Groundwater Control Technology in Concrete

Lining Construction of Hydraulic Tunnel

LI Chenglong

（Gansu Water Resources and Hydropower Engineering Bureau Co.， Ltd.， Lanzhou Gansu 730000）

Abstract： The key points and technology of groundwater control in the construction of concrete lining of hydraulic tunnel are discussed. Taking a hydraulic tunnel in Shaanxi Province as an example， based on the introduction of the basic situation of a hydraulic tunnel and combined with the annual precipitation of the area where a hydraulic tunnel is located， the construction water consumption estimation and on-site water consumption measurement of a hydraulic tunnel are obtained by using the atmospheric precipitation infiltration estimation algorithm， water consumption empirical formula and maximum water consumption empirical formula. According to the measured results， the groundwater control measures for concrete lining construction of a hydraulic tunnel are analyzed.

Keywords： hydraulic tunnel;concrete lining;construction technology;groundwater control

調水工程是國民經濟基礎設施的重要組成部分，其中水工隧洞作為我國水工建筑物的主要類型之一，對整體水利工程運用具有關鍵的控制作用。為保障水工隧洞長期安全可靠運行，隧洞內部襯砌限制圍巖變形及控制地下水逐漸成為水工隧洞的重要組成部分[1]。因此，深入研究與分析水工隧洞混凝土襯砌及地下水控制，有利于提高水工隧洞混凝土防滲效果，保障我國水利工程安全使用。

1 工程背景

A水工隧洞所在地段具有北高南低的總體特征，地處渭河二到三級階地，海拔約為380 m，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，平均氣溫為15.4 ℃，年平均降水量為543 mm，多集中于8月份和9月份。

水工隧洞位于黃土臺塬前緣斜坡地段，高程為367～417 m，臺塬斜坡由黃土狀土、山更新統黃土及古土組成。控制灌溉面積約有67.6 m，全長約為1 214 m。倒虹與前洞口深挖方渠道共計約79 m。設計人員將水工隧洞分為前后兩段，前洞長為310 m，后洞長約為745 m，隧洞洞底進口標高為39.67 m，出口標高為38.17 m。初步勘察圍巖類別為Ⅱ類～Ⅴ類，其中輸水隧洞進出口段圍巖類別為Ⅴ類。設計輸水量為0.417 m/s，整體依托單孔馬蹄形斷面混凝土襯砌[2]。隧洞前后洞進口如圖1和圖2所示。

2 地下水分析

2.1 涌水量計算

A水工隧洞洞身較長且埋深大，地層巖性較多，同時地質結構相對復雜。該工程處于渭河二到三級階地，地下水對A水工隧洞工程施工影響較大。A水工隧洞輸水進出口段圍巖類別為Ⅴ類，因此在對涌水量進行分析的過程中主要以大氣降水入滲估算法、涌水量經驗公式及最大涌水量經驗公式進行計算。

大氣降水入滲法的計算方式為：

Q=aFP/365 （1）

式中：Q為A水工隧洞水容量，m/d;a為大氣降水入滲系數，取10%;F為A水工隧洞影響帶匯水面積，根據A水工隧洞兩側距離計算;P為大氣年降水量，根據A水工隧洞所處地域平均年降水量上限計算得出P=1 043 mm[3]。

涌水量經驗公式為：

Q=LKH（676-0.06）]? （2）

式中：Q為A水工隧洞涌水量，m/d;L為A水工隧洞洞長，m;K為汗水提滲透系數，m/d;H為洞底潛水層厚度。

最大涌水量經驗公式為：

Q=L （3）

根據上述計算方法得出A水工隧洞（前段、后段）施工涌水量，具體如表1所示。

2.2 現場涌水量量測

A水工隧洞地板工高程要低于附近河道及居民水井高程，同時A水工隧洞附近巖石裂隙較為成熟，隧洞施工勢必導致地下水位下降。通過對A水工隧洞外抽流量計劃，得出進口涌水量平均值和出口涌水量平均值分別為246 m和69 m。

3 A水工隧洞混凝土襯砌地下水控制措施

3.1 地下水控制要點

混凝土襯砌控制地下水的主要因素有原材料、施工工藝及結構受力。①原材料方面。在施工過程中，如果砂石材料和水泥材料質量存在問題或者外加劑的比例不合適，都會導致隧洞裂縫產生。②施工工藝因素。施工技術不合理或者存在水泥用量超標等情況，也會為裂縫產生埋下隱患。③結構受力。綜合水工隧洞地下水控制不足等現象來看，多以混凝土產生裂縫為主，因此在混凝土襯砌中應合理保障混凝土結構受力[4]。

3.1.1 隧洞設計及材料選擇。隧洞設計中出現斷面突變等問題，會導致集中應力大幅度作用在構件上，從而導致構件出現裂縫。我國因隧洞混凝土裂縫導致地下水控制不足的問題呈增長態勢。通過案例分析可以發現，產生裂縫的主要原因在于混凝土厚度不足和鋼筋直徑過大，同時混凝土干縮也會導致裂縫產生。混凝土硬化中體積不斷收縮，各個結構質點會產生相應作用力，導致混凝土產生裂縫。這種情況下混凝土產生的表面細微裂縫較多，一些較大體積的裂縫主要是水灰比過大導致的。A水工隧洞中，施工人員和管理人員對原材料進行嚴格檢驗，并在攪拌之前精確稱重，以此來確保配比精確。在運輸的過程中，要采取相應的防護措施，盡可能減少運輸時間。在混凝土入倉時，一定要嚴格控制下料的高度，避免產生混凝土離析現象。進倉平倉后，充分振搗密實，做到無漏振和超振現象[5]。

3.1.2 混凝土溫度。混凝土凝固或者硬化中會產生大量水化熱而引起溫度應力。A水工隧洞中混凝土厚度為0.4 m左右，且隧洞內的溫度比較穩定，溫差不超過標準數值。

3.1.3 施工工藝。隧洞混凝土襯砌施工中，襯砌工藝不佳也會導致裂縫產生。雖然采用的混凝土材料沒有質量問題，但是如果沒有做好攪拌、運輸以及振搗和后期的襯砌養護工作，也會導致混凝土產生裂縫。

3.2 施工過程

根據已開挖圍巖滲水情況合理地布置抽排水系統，考慮到混凝土襯砌中A水工隧洞整體地質圍巖的透水性非常強，沒有堵水灌漿的部分也產生滲水現象。根據現場計算，滲水量為115 m/s。為保障工程項目的施工質量和安全性，A水工隧洞混凝土襯砌施工時，在洞內配置22臺潛水泵，借助潛水泵來抽取隧洞內的滲水。潛水泵要配備直徑為100～200 mm的白色硬質水管進行排水，最后施工廢水被抽取到A水工隧洞口沉淀池內，經過三級沉淀后再進行排放[6]。

針對無壓引水A水工隧洞混凝土，應分兩層進行襯砌。針對混凝土底板和矮邊墻進行襯砌，在底板襯砌結束后達到規定的強度后，可以借助鋼模臺車來襯砌A水工隧洞的邊頂拱。在進行混凝土襯砌時，考慮到底板有積水且邊頂拱也存在滲水區域，采取堵排結合的施工原則進行施工。其中：“堵”是指襯砌混凝土底板時將來自上游的水堵住，而“排”是將倉內滲水排到倉外;針對襯砌過程中的上游底板來水采用沙袋堆組成擋水坎，利用水泥堵漏的方式堵水，同時在最低處挖一個集水坑，借助水泵引導水流，將水流引導至下游。在下游可以采取相同的方法擋住底板水，并借此實現底板混凝土干地施工。在針對A水工隧洞的邊拱頂進行襯砌的過程中，滲水嚴重區域可沿著邊墻鋪設一層防水布，同時在防水布的外側每間隔一定距離插入PPR管道至底板盲溝內，并用膨脹螺絲固定排水管，避免管道出現偏移。針對一些集中滲水的區域，可通過打排水管的方式構建相應的排水體系[7]，借此實現混凝土干地施工，減少邊頂拱混凝土遇水熱化后產生的壓力。

施工縫屬于新舊混凝土結合的區域，雖然針對隧洞地邊頂拱施工前進行了鑿毛和清理，但是受到施工條件等因素的限制，如果進行沖倉，必然會殘留少量的積水和砂礫。同時，混凝土入倉后如果其結合面沒有做好相應的振搗工作，可能會導致該區域成為嚴重滲水區域。A水工隧洞在施工前可以借助多次實驗的方式找出最佳的混凝土配合比，并嚴格控制混凝土材料的比例，通過優化混凝土材料的結構和配比等方式提升混凝土材料的性能，同時采用混凝土雙摻技術有效提升混凝土的性能和抗滲能力。

此外，襯砌結束后拆模時間不要過早。在混凝土未達到一定強度的情況下進行拆模，混凝土很容易出現裂縫。拆模后進行保溫養護，緩慢降溫，減少混凝土內外溫差，防止溫度應力過大使混凝土產生裂縫。上述措施可以有效減少混凝土的滲水現象，同時還能降低施工成本[8]。

4 結語

本文以水工隧洞混凝土襯砌施工的地下水控制技術為討論方向，在介紹A水工隧洞背景的基礎上對A水工隧洞地下水量進行測試，繼而提出若干地下水控制措施。水工隧洞是水利水電工程的核心輸水項目之一，屬于重點工程項目，但是水工隧洞中經常存在地下水等地質隱患。如果不做好水流控制工作，非常容易導致混凝土被沖刷并產生裂縫，進而對隧洞的結構產生影響。鑒于此，本文結合實際的工程項目案例，采用“堵+排”的方式強化對地下水水流的控制，并采取各類措施嚴格控制對混凝土的襯砌，降低混凝土貫穿裂縫產生的概率，從而保障隧洞的質量和美觀。

參考文獻：

[1]卞康，肖明.高壓水工隧洞鋼筋混凝土襯砌開裂滲漏研究[J].巖石力學與工程學報，2010（增刊2）：3647-3654.

[2]趙海波，王安琪.水工隧洞襯砌混凝土裂縫產生原因及預防措施[J].水利規劃與設計，2016（4）：3.

[3]孫曉英，徐升.水工隧洞襯砌混凝土滲水裂縫處理研究[J].水利水電工程設計，2016（1）：20-23.

[4]樊啟祥，段亞輝.水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂技術創新與實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2015：14.

[5]倪代俊，李丕俊，史軍花，等.光纜套管密封件及其在水工隧洞混凝土封堵體的施工方法：CN105068199B[P].2015-07-24.

[6]陳妤瑒，杜志達，王成山.外摻MgO對水工隧洞混凝土溫度徐變應力的影響[J].水利與建筑工程學報，2018（4）：148-153.

[7]亢景付，孫少杰，張沁成，等.水工隧洞預應力混凝土襯砌考慮錨索失效時的應力狀態分析[J].水力發電學報，2006（4）：83-87.

[8]杜志紅，趙香玲，白銀花.探討水工隧洞混凝土設計與施工中問題控制措施[J].管理觀察，2010（2）：358-359.

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