引漢濟渭輸水隧洞二次襯砌混凝土裂縫原因分析

◎吳浩力

引漢濟渭輸水隧洞二次襯砌混凝土裂縫原因分析

◎吳浩力

1 概況

引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞全長98km,其中越嶺段全長81.58km，最大埋深達2012m，難分割的一段輸水隧洞長達40km,獨頭掘進最大長度達13280m。隧洞由中國鐵建第一勘察設計院設計，設計流量70m3/s，無壓輸水，進口高程537.17m，出口高程510.0m，縱坡比降1/3000，分段采用6.76m×6.76m的馬蹄形斷面和內(nèi)徑為7.16m的圓形斷面，其中鉆爆法施工長度42.29km，TBM法施工長度39.29km。隧洞穿越地層主要為不同時代的變質(zhì)巖及花崗巖、閃長巖。洞室圍巖主要有Ⅲ、Ⅳ類圍巖，其中Ⅲ類圍巖段總長36990m約占45.2%；Ⅳ類圍巖通過長度17875m約占21.9%。鉆爆段洞室溫度在23度左右，濕度75%，施工方法為先澆筑拱墻、拱頂，后澆筑仰拱，二襯混凝土澆筑設計標號C30W6F50。除Ⅳ、Ⅴ類圍堰襯砌配筋外，其他均為素混凝土，襯砌厚度30cm～60cm,二次襯砌混凝土模板長度為12m。

在業(yè)主巡查過程當中，發(fā)現(xiàn)2、3號試驗洞的二次襯砌混凝土都出現(xiàn)不同程度裂縫，為了盡快查明原因，確定防治方案，業(yè)主對裂縫情況進行了檢測，并召集有關各方及專家對裂縫成因進行了專題研討，通過多次試驗，最終在多方共同努力下，使二襯裂縫問題得到很好控制。

2 第三方檢測情況及分析

2.1 原材料

經(jīng)檢測：各隧洞襯混凝土施工選用的細骨料、粗骨料、水泥為原混凝土配合比試驗時送檢材料，施工材料各項技術質(zhì)量指標符合設計要求和規(guī)范標準。

2.2 混凝土強度

隧洞襯砌混凝土強度和密度檢測采用鉆芯取樣室內(nèi)試驗，取芯鉆孔布設在裂縫區(qū)（裂縫測量點處）和非裂縫區(qū)（距裂縫1.0m以外），由于隧洞襯砌裂縫區(qū)襯砌混凝土的芯樣裂縫均已貫通，無法制成試樣，隧洞襯砌混凝土強度試驗只進行了非裂縫區(qū)的試驗。

非裂縫區(qū)襯砌混凝土布設取芯鉆孔檢測斷面8條（其中2號洞3條，3號洞5條），每條斷面上布設取芯鉆孔3個，每個鉆孔深30cm，共布設取芯鉆孔24個。抗壓強度試驗16組（其中2號洞6組，3號洞10組)；密度檢測試驗樣8組（其中2號洞4組，3號洞4組）。鉆孔芯樣直徑100mm，切割打磨后制成高100mm試樣（高徑比為1:1）。

根據(jù)芯樣抗壓強度室內(nèi)試驗資料統(tǒng)計成果分析：

1）2號洞C30混凝土芯樣抗壓強度Rb=30.1～40.0MPa，平均抗壓強度Rn=34. 1MPa，Sn=4.088MPa，Rn-0.7Sn=31.2MPa＞Rb=30.0MPa，R n-1.6Sn=27.6M Pa＞0.83Rb=24.9MPa，強度統(tǒng)計數(shù)據(jù)的離差系數(shù)Cv＜0.14。

2）3號洞C30混凝土芯樣抗壓強度Rb=26.9～3 2.1MPa，平均抗壓強度Rn=30.3MPa，Sn=1.89MPa，Rn-0.7Sn=28.9M Pa＜Rb=30.0MPa，Rn-1.6Sn=27.1M Pa＞0.83Rb =24.9MPa，強度統(tǒng)計數(shù)據(jù)的離差系數(shù)Cv＜0.14。

根據(jù)隧洞襯砌混凝土抽檢芯樣抗壓強度室內(nèi)試驗資料分析，2號洞襯砌混凝土的強度達到了設計要求和規(guī)范標準；3號洞襯砌混凝土的強度小于設計要求。

2.3 混凝土密度

從隧洞襯砌（非裂縫區(qū)）C30混凝土芯樣密度室內(nèi)試驗資料統(tǒng)計成果來看：

1）2號隧洞襯砌C30混凝土密度= 2.34g/cm3～2.40g/cm3，平均密度=2.363g/cm3。

2）3號隧洞襯砌C30混凝土密度= 2.17g/cm3～2.308g/cm3，平均密度=2. 242g/cm3。

根據(jù)隧洞襯砌混凝土芯樣密度抽檢試驗資料分析，隧洞襯砌混凝土的密度偏小，均勻性較差。

2.4 隧洞混凝土襯砌厚度

1）2號洞襯砌混凝土鉆孔取芯檢測點厚度為26.0cm～38.5cm，平均襯砌厚度32.9cm，厚度檢測合格率為88.9%；超聲波檢測點的厚度為27.5cm～36.8cm，平均襯砌厚度32.8cm，檢測點厚度合格率為77.8%。

2）3號洞襯砌混凝土鉆孔取芯檢測點厚度為26cm～59cm，平均襯砌厚度40.4cm，厚度檢測合格率為92.3%；超聲波檢測點的厚度為28.5cm～55.8cm，平均襯砌厚度38.7cm，檢測點厚度合格率為92.3%。

2.5 隧洞襯砌混凝土裂縫的分布特征

從現(xiàn)場調(diào)查資料來看，隧洞襯砌混凝土體裂縫以環(huán)向裂縫為主，橫向和縱向裂縫分布較少，有滲水的裂縫主要分布于3號洞，環(huán)向裂縫貫通隧洞的頂拱和側壁，長度為17.0m～17.4m，縱向裂縫長度5.0m～10.0m，橫向裂縫一般為環(huán)向和縱向裂縫的交叉分支，長度為3.0m～5.0m。環(huán)向裂縫和橫向裂縫之間的間距一般為3.0m～4.0m，最小的1.0m～2.0m。3號洞滲水的裂縫多位于拱腳以上2.0m～5.0m處，裂縫的一般寬度為0.5mm～1.0mm，最寬2.2mm，滲水裂縫的寬度大于1.2mm。

2.6 隧洞襯砌混凝土裂縫表面寬度測試

裂縫寬度測試采用WYSX-100X讀數(shù)顯微鏡，讀數(shù)精度0.05mm。裂縫寬度測試過程首先對裂縫按分布特征進行歸類，并編號，詳細記錄裂縫的位置及特征。然后進行裂縫寬度的測試。裂縫寬度測試斷面主要布設在各標段不同類型的典型裂縫上，每條裂縫檢測斷面按不同部位（裂縫的兩端附近和中部）各布設測量點3處，每處測量點數(shù)據(jù)采集3個，共布設裂縫寬度檢測斷面12條（2號洞3條，3號洞9條），布設測量點40處，采集裂縫寬度數(shù)據(jù)80個。

根據(jù)裂縫寬度檢測資料統(tǒng)計成果分析，2號洞檢測裂縫寬度為0.15mm～2.2mm，平均寬度0.89mm；3號洞檢測裂縫寬度為0.20mm～1.75mm，平均寬度0.88mm。

2.7 混凝土襯砌厚度與裂縫深度

從超聲波法檢測資料統(tǒng)計成果來看：

（1）2號洞超聲波檢測點襯砌混凝土厚度為27.5cm～36.8cm，裂縫深度29.6cm～38.8cm。

（2）3號洞超聲波檢測點襯砌混凝土厚度為28.5cm～55.8cm，裂縫深度27.8cm～53.2cm。

根據(jù)鉆孔檢測和超聲波檢測資料綜合分析，隧洞襯砌混凝土層表面裂縫已穿透了混凝土襯砌層。

2.8 二次襯砌裂縫檢測成果分析

1）隧洞二襯混凝土施工過程中選用的細骨料、粗骨料、水泥為均原混凝土配合比試驗時送檢材料，施工材料各項測試指標符合規(guī)范標準。

2）根據(jù)隧洞襯砌混凝土芯樣抗壓強度檢測資料分析，2號洞檢測段襯砌混凝土的強度達到了設計要求，3號洞檢測段襯砌混凝土的強度小于設計要求和規(guī)范標準。

3）2號洞襯砌混凝土厚度為26cm～38.5cm，平均襯砌厚度32.9cm，檢測點襯砌厚度合格率為77.8～88.9%；隧洞襯砌混凝土裂縫表面寬度為0.15mm～2.2mm，檢測裂縫均已穿透了混凝土襯砌層。

4）3號洞襯砌混凝土厚度為26cm～59cm，平均襯砌厚度40.4cm，檢測點襯砌厚度合格率為92.3%；隧洞襯砌混凝土體裂縫表面寬度為0.20mm～1.75mm，檢測裂縫均已穿透了混凝土襯砌層。

5）鉆孔取芯觀測，混凝土芯樣中存在大量氣孔，隧洞襯砌混凝土密度較小，均勻性差，所檢裂縫均穿透了襯砌混凝土層，裂縫寬度由拱腳向頂拱有變寬現(xiàn)象，且個別芯樣的裂縫有劈裂碎石現(xiàn)象。

綜合分析認為：隧洞襯砌混凝土裂縫的產(chǎn)生與施工工藝造成的混凝土襯砌局部振搗不到位，混凝土體密度

按防滲要求襯砌結構的設計原則

巖洞襯砌型式選擇

3 其他原因分析

4 結語

3.1 素混凝土缺乏限裂構造

本工程屬于無壓隧洞，拱墻襯砌混凝土設計要求為：Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖拱墻分別采用C25素混凝土、C25/C30素混凝土和C30鋼筋混凝土，防滲等級均為W6，應屬于一般防滲要求。鑒于素混凝土的防滲性能較差，一般只用于無防滲要求的混凝土襯砌施工，依據(jù)如下：

根據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范SL_279-2002》第6.1.7條（如下表），襯砌的防滲要求為一般時，襯砌設計原則為限制裂縫寬度設計。

同時根據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范SL_279-2002》第6.1.10條（如下表），無壓隧洞在限裂設計的情況下，隧洞襯砌形式應選擇鋼筋混凝土。

根據(jù)上述水工隧洞設計規(guī)范的要求，素混凝土主要應用在無防滲要求的非限裂洞段，而本工程混凝土防滲等級為W6，應根據(jù)限裂設計的要求選擇鋼筋混凝土，才能有效控制混凝土裂縫的發(fā)展。

3.2 先澆注拱墻導致二襯混凝土自重拉裂

本工程均采用先澆注拱墻、后澆注仰拱的方法進行混凝土澆注施工。在仰拱未澆注之前，由于混凝土底部缺乏支撐，在拱墻混凝土自重的作用下，會導致拱墻混凝土內(nèi)表面產(chǎn)生拉力，當這個拉力超過混凝土的抗拉極限時便產(chǎn)生裂縫。這個拉力的大小和位置與隧洞水平和垂直收斂的差異程度有一定的關系。3.3由高埋深應力釋放及地質(zhì)原因所造成的裂縫

根據(jù)承包人對圍巖進行監(jiān)控量測的結果，本工程隧洞水平收斂速度小0.2mm/d，拱頂下沉速度小于0.15mm/d，圍巖基本穩(wěn)定，但應力依然存在，存在應力變形導致裂縫的問題。隨著隧洞埋深的增加，應加強對圍巖收斂變形的監(jiān)測，選擇合理的襯砌時機，防止高地應力導致混凝土變形和破壞。

3.4 富水段滲水引起的裂縫

引水洞部分洞段為富水洞段，3號洞“8.4”涌水出水口附近，根據(jù)該洞段附近連續(xù)10模出現(xiàn)較多裂縫且有水滲出的情況，推斷該洞段在澆筑前仍有散水點存在，且個別模在澆筑前的引排工作不理想，混凝土澆筑完成后早期強度不夠時，散水集中后壓力增大造成滲水通道，產(chǎn)生薄弱環(huán)節(jié)，在混凝土溫度下降收縮時，滲水點處容易產(chǎn)生裂縫。

3.5 脫模時間晚，導致未能及時養(yǎng)護而產(chǎn)生裂縫

根據(jù)承包人實驗資料，混凝土在澆注完成后24h～28h到達最高溫度，這也是最需要灑水養(yǎng)護的時間，但2號洞混凝土因未拆模導致不能及時進行養(yǎng)護，在拆模后開始養(yǎng)護時（48h～80h）混凝土已經(jīng)處于溫度下降階段，而在溫度最高峰時因未拆模導致不能進行養(yǎng)護工作，不利用混凝土溫度控制，增加了裂縫發(fā)生的可能性。加之混凝土自身水化熱作用，加速了混凝土表面水份的蒸發(fā)作用，如果在拆模后的剩余養(yǎng)護期內(nèi)仍未能嚴格控制養(yǎng)護施工質(zhì)量，則混凝土干縮作用會加劇，從而有可能產(chǎn)生干縮和溫度裂縫。

3.6 由混凝土厚薄不均所造成的裂縫

由于鉆爆法開挖洞段超挖現(xiàn)場導致襯砌混凝土厚薄不均，在厚薄結合部位

引漢濟渭工程是陜西省省重點水利工程，更是民生工程。鑒于輸水隧洞埋深大，地質(zhì)條件復雜，加之現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)又伴隨諸多不確定因素，要控制好質(zhì)量，必須完善設計，堅持標準化施工，嚴格過程管理，加大監(jiān)督力度，及時發(fā)現(xiàn)問題并妥善處理，確保工程能夠保質(zhì)保量完成。陜西水利

（責任編輯：王劍）

◆作者系陜西省引漢濟渭工程協(xié)調(diào)領導小組辦公室工程師。