水工隧洞衬砌混凝土裂缝成因分析及控制措施分析

2018-08-29洪跃庭

四川水泥 2018年9期

洪跃庭

（厦门安能建设有限公司，福建厦门 361000）

0 引言

水工隧洞由土体、石岩开挖所共同形成，它的基本作用就是保证隧洞在岩土中的稳定性，一般情况下可采用衬砌及支护等等方法抵御水流冲刷，同时保证防渗。所以说，水工隧洞施工中必须严格保证衬砌混凝土施工高质量，避免裂缝、麻面、色差等不理想衬砌效果的出现。

1 水工隧洞衬砌混凝土裂缝的基本分类与产生成因

1.1 基本分类

一般情况下在水工隧洞衬砌施工中会存在两种混凝土裂缝，它们分别为贯穿性有危害裂缝以及细小表层裂缝。

首先说细小表层裂缝，这种裂缝多分布于混凝土的表层部分，它的裂缝缝隙非常细小且无规律，所出现的数量也无法有效控制。根据实践经验可以了解这种表层裂缝的宽度都不大于1mm，长度也在0.5mm以内，呈现出轻微张开或闭合状态。大体来讲这种裂缝不会为衬砌混凝土带来多大影响，但是如果不加以注意控制，细小表层裂缝长期存在也会影响到水工隧洞内部钢筋的耐腐蚀性与整体结构持久性，最终严重破坏水工隧洞结构，引发安全事故发生。

其次看贯穿性有危害裂缝，这种裂缝是贯穿于整个水工隧洞整体结构当中的，它可直接威胁到水工隧洞施工过程的安全性，是水工隧洞不稳定的表现。一般来说，贯穿性裂缝会单一出现，它的长度足够长且呈现出明显的向外张开状态，裂缝宽度一般都超过5mm，最严重时宽度会超过20mm以上。由于这种裂缝的贯穿性强，所以通常情况下都是水工隧洞衬砌混凝土大面积渗漏的罪魁祸首。

1.2 产生成因

导致水工隧洞出现上文所提到两种裂缝的成因有很多，这里简单阐述其中 3点。

第一，大幅度的温度降温会引发衬砌混凝土的收缩裂缝，特别是对于中小型水工隧洞而言，它们的施工通风降温条件普遍偏差，而且施工作业地层深度较深，所以水泥水化热的温升又大又快，在南方地区施工常年存在洞内温度过高的情况。温度过高会导致洞内水分蒸发冷凝淅过快，如果水工隧洞制只采取了混凝土表面养护就极易造成施工现场环境的复杂，例如砼的散热与施工现场环境散热条件不服，此时就容易产生温度收缩裂缝。这种温度收缩裂缝由于形成不规律且对温度变化非常敏感，对工程性能的整体影响也存在不确定性。

第二，外部围岩或钢筋应力效应导致衬砌混凝土产生裂缝，这是因为水工隧洞的施工期通常都比较紧张，因此容易出现开挖成洞质量较差的情况，导致成洞后衬砌混凝土的低质量。就这一问题应该从两方面来讲，其一是水工隧洞建设过程中对衬砌混凝土的养护工作无法有效到位，主要是因为隧洞中环境条件较差；其二是短距离循环的开挖支护作业太多，对于围岩类别的判断可能出现不明情况，如果不采取锚固支护，水工隧洞就容易出现衬砌混凝土承担过大部分支护作用的结果，在外部重压下就会出现衬砌混凝土裂缝问题。客观讲该类裂缝是会影响到衬砌混凝土发育质量与发育规模的，对隧洞整体的破坏影响力是比较大的。

由与该类裂缝发育非常明显，对隧洞破坏影响较大，所以就需要基于外部压力对衬砌混凝土的结构压应力进行计算，用科学角度证明它产生裂缝的成因。就以水工隧洞外部的外层环向的钢筋为例，钢筋本身会对衬砌混凝土产生压应力作用，令混凝土产生裂缝。这里对未贯穿衬砌的混凝土结构进行分析，看其在压力下的应力情况。这里假设有一块围岩始终处于弹性受力状态，没有裂缝出现，此时就可以将整个围岩视为是一个拥有半径r的受到内应力p作用的厚壁圆筒，衬砌混凝土此时所受到的外部压应力应该为：

可以看到完整区的混凝土是受到压力P的，在受到压力后混凝土会出现应力位移，它的计算公式应该为：

可首先基于位移计算衬砌混凝土的半径临界开裂状态，考虑到混凝土衬砌的每一个开裂区域都会传递径向压力，所以它的切向抗拉强度应该设置推理为0，由此还能继续得出它的边界条件。基于上述公式，基本可以了解到外压应力对于衬砌混凝土及水工隧洞的压力还是很大的，对于水工隧洞的破坏影响不可小视。

第三，风钻的地质水文条件变化也会产生结构变形裂缝。一般情况下施工团队都要按图施工，但由于地质条件变化不定，所以按图施工也会遇到某些施工技术与设计图纸不契合的地方，因此由这种不合理现象所引发的水工隧洞混凝土衬砌也是非常常见。不过，该类裂缝在产生与形成过程都相对直观易见，可为施工技术人员留下更多时间用以进行控制和维护[1]。

2 水工隧洞衬砌混凝土的裂缝问题控制措施

针对水工隧洞衬砌混凝土的裂缝问题控制应该首先做好技术人员调整，保证技术人员所勘察的地质条件数据真实有效，随时监控其地质条件变化，并给出相应有效的施工方案。再一点，就是要把好建筑材料关，全面控制混凝土骨料的各项指标要求，配合降低混凝土水化热来规范水泥，同时分析水泥添加剂本身会否对混凝土温度裂缝产生影响。除上述要点外，下文也从技术层面探讨一下水工隧洞衬砌混凝土的基本施工问题，并做好裂缝问题防控对策。

2.1 施工过程动态管控

水工隧洞开挖必然会对隧洞围岩造成破坏影响，严重时会塌方事故，所以为了有效做好补救措施必须要边开挖、边回填加固，全面控制开挖过程对岩体产生震动，即要规避成型隧洞的混凝土扰动破坏现象，全面改善隧洞施工中的通风与排水环境条件。

在灌浆与喷锚过程中要严控施工工艺，考虑到水工隧洞的开挖面参差不齐，所以可能会出现混凝土喷涂厚度不均匀、封闭结合不完全的情况，直接影响到支护体衬砌混凝土之间的联合作用。为了有效解决这一问题，必须有效区别加固支护与稳定支护之间的关系，强调洞身侧横向锚筋与挂网喷混凝土的基本效能，尽量在施工中有效消除围岩二次及三次应力重分布作用，减小围岩应力对衬砌混凝土的破坏性影响。再一点就是要均匀振捣浇筑混凝土，保证混凝土浇筑密实，避免出现漏振或形成不均匀的水泥砂浆层，保证施工缝结合的严谨合理处理。在施工后还要检查混凝土的浇筑厚度，再确定衬砌混凝土加固的基本钢筋配置。最后在完工后还要检查衬砌混凝土在水工隧洞中是否存在细小表层裂缝，如果有必须要及时向上级反映，以便于快速完善地质勘察数据，重新设计图纸，重新安排施工流程，避免随后施工中再次出现细小表层裂缝，保证水工隧洞衬砌混凝土施工的高质量。