北疆某長距離地下引水隧洞襯砌混凝土裂縫原因探討

王紅帥

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 83000)

水工混凝土結構在工程上應用廣泛，混凝土是一種復雜非均質多相的復合材料，很容易受外界的影響而形成裂縫，導致混凝土結構的強度、安全性和耐久性顯著降低。所以必須加強洞襯混凝土裂縫的形成原因研究，并對其進行有效的預防和控制，才能夠有效地保證水工隧洞的質量，發揮原有的功能。

1 工程概況

北疆某地下引水隧洞有5條輸水隧洞，總長140km。采用5臺Φ7.8m全斷面開敞式硬巖掘進機(TBM)施工，總長110km。縱坡為i=1/3000、1/2310，相應洞徑7.6～6.5m；鉆爆法施工段，總長30km，鉆爆段隧洞斷面為標準馬蹄形，縱坡i=1/5600、1/4000，相應洞徑7.5～6.5m。洞襯混凝土的試驗倉選在2#隧洞出口段，此段地形起伏，分布高程685～725m，隧洞巖性為泥盆系黑云母斜長片麻巖，碎裂～次塊狀結構，洞身段多位于弱風化～微風化巖體內，巖體節理裂隙較發育，在頂拱發育形成楔形不穩定體，對洞室穩定不利；巖石破碎較為嚴重，隧洞圍巖不穩定，自穩能力弱，為Ⅳ類圍巖。洞內巖壁干燥，無地下水影響。

2 洞襯混凝土實施情況

(1)隧洞襯砌型式

2#隧洞出口段洞型為標準馬蹄形，圍巖類別為Ⅳ類圍巖，一次支護采用噴錨+掛網+HW150型鋼拱架，噴護C30混凝土厚20cm，二襯鋼筋混凝土采用C35鋼筋混凝土，襯砌厚度45cm，澆筑段長度12m。

(2)混凝土澆筑施工

鋼膜臺車長12.1m，有工作窗24個，安裝附著式平板振搗器20個，30mm的軟軸振搗器4臺， 使用泵送入倉，采取先邊頂拱襯砌混凝土，后仰拱襯砌混凝土的方式進行澆筑。順倉依次澆筑，第一倉混凝土位于洞口，澆筑時長約12h，澆筑10h后脫模，4d移動鋼模臺車。2#隧洞出口混凝土襯砌施工情況見表1。

表1 2#隧洞出口混凝土襯砌施工情況

(3)混凝土配合比及混凝土性能指標

2#隧洞出口段采用外購的成品料場天然砂與卵石破碎的豆石、小石和中石骨料配制C35F50W10襯砌混凝土，用水量152kg/m3，水膠比0.38，砂率42%，粉煤灰摻量20%，新伴混凝土坍落度167mm，混凝土和易性良好，28d抗壓強度為51.8MPa，抗凍、抗滲性能滿足設計要求，氯離子擴散系數為4.9×10-12m2/s，混凝土經90次硫酸鹽溶液干濕循環后抗壓強度比為103.2%。

水泥采用天山水泥P·MSR42.5，密度3160kg/m3，粉煤灰:乾元盛Ⅰ級F類，密度2410kg/m3。

混凝土配合比見表2，混凝土性能指標見表3。

表2 混凝土配合比

表3 混凝土性能指標

3 混凝土裂縫統計

水工隧洞產生的裂縫主要分為水平縱向裂縫和環向裂縫2種，根據裂縫深度可分為貫穿裂縫和表面裂縫。通過對0+008～0+056段4倉邊頂拱襯砌混凝土裂縫現場調查，按裂縫形態判斷應為表面裂縫。

0+044～0+056段裂縫5條，縫寬0.1～0.25mm不等，2條均為橫向裂縫，均在右側拱腰位置，3條縱向裂縫，裂縫均出現該倉中部位置。如圖1所示。

圖1 0+044～0+056段裂縫示意圖

0+032～0+044段裂縫2條，縫寬0.1～0.2mm不等，2條均為橫向裂縫，裂縫均出現該倉中部位置，左右邊墻各一條對稱布置。如圖2所示。

圖2 0+032～0+044左側邊墻縱向裂縫示意圖

0+020～0+032、0+008～0+020兩倉截至到目前尚未發現裂縫。裂縫詳細統計見表4。

表4 裂縫詳細統計表

4 洞襯混凝土監測

在樁號0+032～0+044m段安裝監測儀器，進行洞襯混凝土監測，主要包含兩部分：一是混凝土溫度觀測，在仰拱、單側腰線及腰線底部分別距表面0(采用粘貼方式)、5、15、30、45cm處埋設5支溫度計，3個部位共計15支溫度計，監測襯砌混凝土溫度；環境氣溫1支，共計16支溫度計；二是混凝土應變觀測，在上述斷面間距1m處，分別布設1組兩向應變計組(軸向和環向)，及1支無應力計，共計3組兩向應變計組，觀測混凝土應力應。

監測儀器布置如圖3所示。

圖3 監測儀器布置圖

4.1 洞襯混凝土溫度監測

(1)混凝土溫升

各測點入倉溫度26.5～28.3℃，平均入倉溫度27.2℃；各測點最高溫度38.5～45.0℃，平均最高溫度42.3℃；各測點最大溫升11.0～17.9℃，平均溫升15.1℃；最大溫升歷時14.5～20.0h，平均最大溫升歷時16.6h；升至最高溫度后，平均1d溫度降幅6.1℃，平均2d溫度降幅11.0℃，平均3d溫度降幅14.0℃。混凝土溫度過程線如圖4—6所示。

圖4 仰拱部位混凝土溫度變化過程線

圖5 腰線部位混凝土溫度變化過程線

圖6 腰線底部部位混凝土溫度變化過程線

1d溫降速率6.1℃/d，第2日溫降速率4.9℃/d，第3日溫降速率3.0℃/d。

(2)內外溫差

由于混凝土表面溫度計須在拆模之后，才能粘貼在混凝土表面，因此觀測時間較滯后，為便于混凝土內外溫差的對比，選取混凝土洞內氣溫與距混凝土表面30cm處的溫度向比較。

2#洞洞內氣溫一般在15.1～20.0℃，氣溫變化較大，拆模后的10h內氣溫升高，最高氣溫28.4℃。7月3日10:00拆模后(即收倉后12h)，截至7月5日13:00，約51h，大部分混凝土內外溫差均超過15℃，仰拱、腰線及腰線底部的最大溫差分別為24.5、23.6、20.0℃；溫差過程線如圖7所示。

圖7 2#洞內外溫差過程線

4.2 混凝土應力應變

7月3日12點，即澆筑后約14h、脫模后約2h， 2#洞仰拱、腰線及腰線底部部位混凝土的單軸應變分別由壓應變向拉應變變化，截至7月9日11:00，歷時約140h，仰拱部位混凝土的豎向單軸應變分別由壓應變300 uε變化為拉應變216uε，軸向方向由壓應變257uε變化為拉應變201uε，豎向及軸向單軸應變分別增加了約516 、458 uε；腰線部位混凝土的豎向單軸應變分別由壓應變34 uε變化為拉應變174uε，軸向方向由壓應變50 uε變化為拉應變199 uε，豎向及軸向單軸應變分別增加了約208 、249uε，目前各部位的拉應力仍在持續增加。2#洞各部位混凝土溫度及單軸應變過程線如圖8所示，其中-1為豎向，-2為軸向(洞軸線)。

圖8 仰供部位混凝土單軸應變過程線

圖9 洞腰線部位混凝土單軸應變過程線

5 結論

(1)建議進行混凝土配合比試驗，合理的配合比可以降低混凝土水化熱溫升，對于合理控制內外溫差有利。同時加強混凝土養護，減小混凝土內外溫差。

(2)混凝土的入倉溫度為27.2℃，溫度較高，混凝土溫降速度太快。建議拌合或澆筑要有溫控措施，以降低入倉溫度、控制溫降速度。

(3)混凝土極限拉應變一般超過120 uε將產生裂縫，綜合考慮混凝土單軸應變的結果來看，拆模的早晚對于混凝土裂縫的產生影響不大。

(4)仰拱、腰線及腰線底部部位的最大溫升差異性較大，表明同倉混凝土拌合不均勻，建議后期在拌和過程中要充分攪拌。