王红帅

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 83000)

水工混凝土结构在工程上应用广泛，混凝土是一种复杂非均质多相的复合材料，很容易受外界的影响而形成裂缝，导致混凝土结构的强度、安全性和耐久性显著降低。所以必须加强洞衬混凝土裂缝的形成原因研究，并对其进行有效的预防和控制，才能够有效地保证水工隧洞的质量，发挥原有的功能。

1 工程概况

北疆某地下引水隧洞有5条输水隧洞，总长140km。采用5台Φ7.8m全断面开敞式硬岩掘进机(TBM)施工，总长110km。纵坡为i=1/3000、1/2310，相应洞径7.6～6.5m；钻爆法施工段，总长30km，钻爆段隧洞断面为标准马蹄形，纵坡i=1/5600、1/4000，相应洞径7.5～6.5m。洞衬混凝土的试验仓选在2#隧洞出口段，此段地形起伏，分布高程685～725m，隧洞岩性为泥盆系黑云母斜长片麻岩，碎裂～次块状结构，洞身段多位于弱风化～微风化岩体内，岩体节理裂隙较发育，在顶拱发育形成楔形不稳定体，对洞室稳定不利；岩石破碎较为严重，隧洞围岩不稳定，自稳能力弱，为Ⅳ类围岩。洞内岩壁干燥，无地下水影响。

2 洞衬混凝土实施情况

(1)隧洞衬砌型式

2#隧洞出口段洞型为标准马蹄形，围岩类别为Ⅳ类围岩，一次支护采用喷锚+挂网+HW150型钢拱架，喷护C30混凝土厚20cm，二衬钢筋混凝土采用C35钢筋混凝土，衬砌厚度45cm，浇筑段长度12m。

(2)混凝土浇筑施工

钢膜台车长12.1m，有工作窗24个，安装附着式平板振捣器20个，30mm的软轴振捣器4台， 使用泵送入仓，采取先边顶拱衬砌混凝土，后仰拱衬砌混凝土的方式进行浇筑。顺仓依次浇筑，第一仓混凝土位于洞口，浇筑时长约12h，浇筑10h后脱模，4d移动钢模台车。2#隧洞出口混凝土衬砌施工情况见表1。

表1 2#隧洞出口混凝土衬砌施工情况

(3)混凝土配合比及混凝土性能指标

2#隧洞出口段采用外购的成品料场天然砂与卵石破碎的豆石、小石和中石骨料配制C35F50W10衬砌混凝土，用水量152kg/m3，水胶比0.38，砂率42%，粉煤灰掺量20%，新伴混凝土坍落度167mm，混凝土和易性良好，28d抗压强度为51.8MPa，抗冻、抗渗性能满足设计要求，氯离子扩散系数为4.9×10-12m2/s，混凝土经90次硫酸盐溶液干湿循环后抗压强度比为103.2%。

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

混凝土配合比见表2，混凝土性能指标见表3。

表2 混凝土配合比

表3 混凝土性能指标

3 混凝土裂缝统计

水工隧洞产生的裂缝主要分为水平纵向裂缝和环向裂缝2种，根据裂缝深度可分为贯穿裂缝和表面裂缝。通过对0+008～0+056段4仓边顶拱衬砌混凝土裂缝现场调查，按裂缝形态判断应为表面裂缝。

0+044～0+056段裂缝5条，缝宽0.1～0.25mm不等，2条均为横向裂缝，均在右侧拱腰位置，3条纵向裂缝，裂缝均出现该仓中部位置。如图1所示。

图1 0+044～0+056段裂缝示意图

0+032～0+044段裂缝2条，缝宽0.1～0.2mm不等，2条均为横向裂缝，裂缝均出现该仓中部位置，左右边墙各一条对称布置。如图2所示。

图2 0+032～0+044左侧边墙纵向裂缝示意图

0+020～0+032、0+008～0+020两仓截至到目前尚未发现裂缝。裂缝详细统计见表4。

表4 裂缝详细统计表

4 洞衬混凝土监测

在桩号0+032～0+044m段安装监测仪器，进行洞衬混凝土监测，主要包含两部分：一是混凝土温度观测，在仰拱、单侧腰线及腰线底部分别距表面0(采用粘贴方式)、5、15、30、45cm处埋设5支温度计，3个部位共计15支温度计，监测衬砌混凝土温度；环境气温1支，共计16支温度计；二是混凝土应变观测，在上述断面间距1m处，分别布设1组两向应变计组(轴向和环向)，及1支无应力计，共计3组两向应变计组，观测混凝土应力应。

监测仪器布置如图3所示。

图3 监测仪器布置图

4.1 洞衬混凝土温度监测

(1)混凝土温升

各测点入仓温度26.5～28.3℃，平均入仓温度27.2℃；各测点最高温度38.5～45.0℃，平均最高温度42.3℃；各测点最大温升11.0～17.9℃，平均温升15.1℃；最大温升历时14.5～20.0h，平均最大温升历时16.6h；升至最高温度后，平均1d温度降幅6.1℃，平均2d温度降幅11.0℃，平均3d温度降幅14.0℃。混凝土温度过程线如图4—6所示。

图4 仰拱部位混凝土温度变化过程线

图5 腰线部位混凝土温度变化过程线

图6 腰线底部部位混凝土温度变化过程线

1d温降速率6.1℃/d，第2日温降速率4.9℃/d，第3日温降速率3.0℃/d。

(2)内外温差

由于混凝土表面温度计须在拆模之后，才能粘贴在混凝土表面，因此观测时间较滞后，为便于混凝土内外温差的对比，选取混凝土洞内气温与距混凝土表面30cm处的温度向比较。

2#洞洞内气温一般在15.1～20.0℃，气温变化较大，拆模后的10h内气温升高，最高气温28.4℃。7月3日10:00拆模后(即收仓后12h)，截至7月5日13:00，约51h，大部分混凝土内外温差均超过15℃，仰拱、腰线及腰线底部的最大温差分别为24.5、23.6、20.0℃；温差过程线如图7所示。

图7 2#洞内外温差过程线

4.2 混凝土应力应变

7月3日12点，即浇筑后约14h、脱模后约2h， 2#洞仰拱、腰线及腰线底部部位混凝土的单轴应变分别由压应变向拉应变变化，截至7月9日11:00，历时约140h，仰拱部位混凝土的竖向单轴应变分别由压应变300 uε变化为拉应变216uε，轴向方向由压应变257uε变化为拉应变201uε，竖向及轴向单轴应变分别增加了约516 、458 uε；腰线部位混凝土的竖向单轴应变分别由压应变34 uε变化为拉应变174uε，轴向方向由压应变50 uε变化为拉应变199 uε，竖向及轴向单轴应变分别增加了约208 、249uε，目前各部位的拉应力仍在持续增加。2#洞各部位混凝土温度及单轴应变过程线如图8所示，其中-1为竖向，-2为轴向(洞轴线)。

图8 仰供部位混凝土单轴应变过程线

图9 洞腰线部位混凝土单轴应变过程线

5 结论

(1)建议进行混凝土配合比试验，合理的配合比可以降低混凝土水化热温升，对于合理控制内外温差有利。同时加强混凝土养护，减小混凝土内外温差。

(2)混凝土的入仓温度为27.2℃，温度较高，混凝土温降速度太快。建议拌合或浇筑要有温控措施，以降低入仓温度、控制温降速度。

(3)混凝土极限拉应变一般超过120 uε将产生裂缝，综合考虑混凝土单轴应变的结果来看，拆模的早晚对于混凝土裂缝的产生影响不大。

(4)仰拱、腰线及腰线底部部位的最大温升差异性较大，表明同仓混凝土拌合不均匀，建议后期在拌和过程中要充分搅拌。