小斷面引水隧洞襯砌裂縫成因分析及處理方法

聶彥春，朱建文

（1.山西省中部引黃工程建設管理局，山西 太原 030002；2.山西中部引黃水務開發有限公司，山西 太原 030002）

0 前言

在隧道施工過程中，混凝土襯砌產生的裂縫是不可逆的，特別是有抗滲要求的隧道工程，不僅影響混凝土的抗滲性，引起鋼筋的銹蝕減小混凝土的耐久性，同時處理起來耗費大量的人力、物力和財力，還會耽誤工期。因此，必須采取有效的工藝措施來控制和建設混凝土中裂縫的數量和寬度[1～7]。本文以山西省中部引黃工程施工25 標引水隧洞為例，及時準確地判斷裂縫產生的原因，根據施工經驗分析了產生裂縫的原因，提出了相應的處理方法。

1 工程概況

引水隧洞是輸水工程的重要組成部分。山西省中部引黃工程25 標引水隧洞位于山西省呂梁市石樓縣境內，隧洞施工總長29.13 km，其中引水主洞長22.81 km，支洞與主洞均為城門形斷面，支洞凈寬3.65 m，凈高3.2 m；主洞凈寬2.5 m，凈高3.24 m。其中，17#隧洞工程施工支洞長605 m，坡度43.71%，混凝土運輸方式為有軌運輸，圍巖巖性為三疊系中統二馬營組上段（T2er2）砂巖與泥巖互層，主要為IV 類圍巖。依據設計圖紙，洞身襯砌混凝土強度等級為C25,巖洞段抗滲等級為W6，抗凍等級為F50，Ⅳ類圍巖縱向鋼筋為Ф10@200，環向鋼筋為Ф16@200 和Ф18@200，鋼筋混凝土保護層厚度35 mm，混凝土澆筑段12 m 一個倉位。鑒于該隧洞縱坡較大，二襯施工時，混凝土運輸采用絞車運送干料至支洞與主動的交叉口，在交叉口加水拌制后，罐車運送到施工部位。

2 裂縫情況

2.1 裂縫分布形式

17#隧洞襯砌混凝土裂縫一般在混凝土澆筑完成后7 天左右產生，開裂部位一般在側墻靠近底板位置，隨著時間的推移，裂縫逐漸往頂部延伸，在30 天左右混凝土裂縫呈環狀分布。裂縫發展形式見圖1、圖2。

圖1 側墻裂縫

圖2 頂拱裂縫

2.2 裂縫觀測情況

在發現裂縫后，采用裂縫測縫儀對裂縫寬度和深度進行了觀測。裂縫深度基本在2 cm～5 cm 之間，最大深度約9 cm，裂縫寬度基本在0.15 mm～0.5 mm 之間，最大1 mm 屬于表層裂縫。選取的部分裂縫觀測統計見表1。

表1 裂縫觀測統計表

3 原因分析

3.1 混凝土水化熱影響分析

該隧洞前期施工過程中受減水劑廠家影響，減水劑一直無法達到要求，具體表現為現場拌制的混凝土板結，造成堵管。在實際施工生產所用的配合比未添加減水劑，為保持水膠比不變，采用增加水泥用量的方法拌制，膠凝材料用量較多，澆筑后混凝土內部溫度較高，形成裂縫。配合比情況見表2。

表2 襯砌混凝土配合比表

已澆筑的混凝土在襯砌施工完成7 日后現場發現邊墻逐漸產生裂縫，并隨著時間推移裂縫往隧洞頂拱發展，20 個工作日左右形成環向裂縫。裂縫出現后，實驗室人員通過多次試拌以及外加劑廠家調整外加劑等方式最終現場試拌成功。具體配合比見表3。

表3 襯砌混凝土配合比表

試拌成功后，調整配合比后水泥用量為298 kg，現場混凝土標養試塊強度基本在35 MPa 左右。調整后現場澆筑的混凝土裂縫出現頻率明顯降低。同時為驗證混凝土澆筑后水化熱情況，施工單位購置了電子溫度儀對混凝土內部溫度進行檢測。埋設位置為混凝土同樁號距巖面5 cm 一個，外層鋼筋處埋設一個，每倉埋設兩組。檢測發現內外溫差基本穩定，多數在10℃～15℃之間，最大溫差16℃。根據測試結果分析，現用配合比混凝土內部溫差不大，溫度引起混凝土產生裂縫的可能性較小。

3.2 內外約束條件影響分析

混凝土溫升產生的水化熱而形成中心溫度較高，熱膨脹大，在中心區產生壓應力，在表面產生拉應力。若拉應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土將會產生裂縫。但從目前測試溫度來分析，混凝土溫升不足以形成如此大的表面拉應力。

3.3 外界溫度變化因素影響分析

澆筑的混凝土在主洞內，洞內基本恒溫，經檢測洞內溫度基本在17℃～18℃，不受外界溫度條件變化影響。

3.4 混凝土收縮變形影響分析

混凝土中80%的水分要蒸發，只有約20%的水分是水泥硬化所必需的。而最初的30%的自由水分幾乎不引起收縮，隨著混凝土的陸續干燥而使20%的吸附水逸出，就會出現干燥收縮，而表面干燥收縮快，中心干燥收縮慢。由于表面的干縮受到中心部位混凝土的約束，因而會在表面產生拉應力并導致裂縫。

前期混凝土未添加減水劑，每方混凝土用水量為245 kg左右，目前調整后的每方混凝土用水量約為165 kg，用水量減少約80 kg/m3。

按上述理論，20%的水分蒸發會引起混凝土收縮，主洞每倉澆筑混凝土約60 m3，原配合比水分蒸發量=60×0.245×20%=2.94 t，現配合比水分蒸發量=60×0.165×20%=1.98 t。目前配合比中水分蒸發量減少近1 t，收縮量明顯減少，混凝土收縮應是形成裂縫的不可排除的原因。

3.5 沉陷變形影響分析

該隧洞在一次開挖過程中即對引水主洞底板澆筑了C15混凝土墊層，在整個一次開挖支護過程中經過車輛碾壓，基礎面較穩定，承載力較強，出現沉降變形的可能性較小。

3.6 臺車長度影響分析

該隧洞引水主洞襯砌臺車長度全部為12 m，經咨詢，臺車長度有可能是形成裂縫的原因。為此，施工單位在17#主洞上下游各做了一倉9 m 的試驗倉，經觀察，在齡期達到10 天左右，仍然出現裂縫。同時，參觀其他標段的施工情況，同樣為12 m 長的倉位，裂縫出現的頻率均較低，基本排除臺車長度對裂縫的影響。

3.7 結構受力影響分析

設計圖紙中襯砌混凝土的縱向分布筋為Φ10 光圓鋼筋，經咨詢，側墻和頂拱會出現拉應力，鋼筋拉應力不足會出現裂縫。為此，施工單位在17#主洞進行了試驗，在兩倉中將側墻和頂拱的Φ10 光圓鋼筋改為Φ12 的螺紋鋼筋，試驗后觀察仍然出現裂縫。故側墻和頂拱拉應力原因基本可以排除。

3.8 原材料影響分析

襯砌混凝土施工中所使用的是細骨料為人工砂，且細度模數在3.0 左右，為粗砂，可能是形成裂縫的原因。為此，試驗人員對砂進行了調整，并進行了試驗。將黃河砂和人工砂混合，混合后的砂細度模數經試驗室檢測為2.46，符合中砂要求，現場澆筑7 天后發現混合砂澆筑的倉位裂縫較人工砂有增加趨勢。

4 預防措施

在發現襯砌混凝土出現環向裂縫后，建設單位組織監理、施工單位項立即采取措施。首要措施是調整混凝土配合比（減少膠凝材料用量），水泥用量由原來的318 kg/m3，調整為298 kg/m3，調整后現場澆筑的混凝土裂縫出現頻率明顯降低，但并未徹底消除。之后重新選擇符合要求的減水劑并嚴格控制摻配比例，延長拆模時間、加強養護，對于隧洞已貫通，洞內風力較大，使混凝土表面水分蒸發較快可能產生干縮裂縫情況，洞內加設了門簾。采用了上述措施以后，肉眼可見裂縫已基本得到消除。

5 裂縫處理方法

為進一步提供結構的整體性和安全性，本工程裂縫處理在回填灌漿結束后采用化學灌漿技術措施對裂縫進行處理。在回填灌漿過程中，發現個別裂縫處有水泥漿液流出，經檢測發現該裂縫屬于貫穿性裂縫。通過各參建單位認真分析研究、對比南水北調等經驗性成果并及時組織召開專家會，對該隧洞不同裂縫制定了不同的處理辦法，取得了較好的效果。

5.1 裂縫處理

（1）縫寬≤0.2 mm 裂縫（無水）處理

對于縫寬≤0.2 mm 的無水裂縫，主要采用低粘度環氧樹脂漿液作為進行涂刷封閉，封閉寬度為10 cm。該材料對混凝土等材質具有良好的粘接性，可在連續伸縮、振動及溫度變化下保持良好的氣密性和防水性，施工工藝簡單，耐久性好，且無毒污染，適用于大多數襯砌裂縫的修補。

（2）縫寬＞0.2 mm 裂縫及縫寬≤0.2 mm 的有水裂縫處理

對于縫寬＞0.2 mm 裂縫及縫寬≤0.2 mm 的有水裂縫，打磨后，采用聚氨酯進行灌漿，灌漿后，采用低粘度環氧樹脂漿液涂刷封閉，封閉寬度為10 cm。

（3）對于特殊的裂縫：如寬度大于0.2 mm 且出水量較大的有水裂縫，在聚氨酯灌漿完畢后，采用聚脲材料進行表面封閉，封閉寬度為10 cm。

5.2 灌漿步驟

灌漿施工操作步驟：清理裂縫→固定灌漿咀→封閉裂縫→配置漿液→灌漿

為了保證封縫質量，應清除裂縫周圍的析出物及其他殘留物，裂縫兩邊各5 cm 內的混凝土表面，打磨出均勻的新鮮面。

裂縫寬度在0.5 mm 以上，設置灌漿咀的距離應在0.5 m左右；裂縫寬度在0.4 mm～0.5 mm，灌漿孔距0.4 m 左右；裂縫寬度在0.3 mm～0.4 mm，灌漿孔距0.3 m 左右；裂縫寬度在0.3 mm 以下，灌漿孔距0.2 m 左右。

灌漿嘴固定在鉆好的灌漿孔位置并采用騎縫的方式安裝灌漿咀，裂縫尖滅處及斷開、分岔部位應加密。

對于不滲水的干燥縫：首先用環氧膩子均勻封縫，然后使用結構膠將裂縫兩邊各2.0 cm 范圍內的表面涂2.0 mm～5.0 mm厚做第二道密封層，以確保灌漿時裂縫中的漿液不會瀉漏。對于潮濕縫：首先用堵漏劑堵水，待干燥后，在裂縫兩邊各2.0 cm 寬的范圍用結構膠涂2.0 mm～5.0 mm厚做為保護層，確保裂縫不漏漿。

按由下而上的順序進行灌漿。灌漿過程中，應保持工作壓力在0.1 MPa～0.3 MPa，當灌到最后一個灌漿嘴時，應適當加大壓力迸漿。迸漿期間應觀察是否還在進漿，灌漿結束標準以不吸漿為原則，如果吸漿率小于0.01 L/min，應維持至少10 min，可做為結束標準，停止灌漿。

6 結論

隧道工程施工過程中，襯砌混凝土出現裂縫是一種較為普遍的現象，一旦二襯混凝土出現裂縫，就必須對裂縫進行及時、仔細、認真的觀測，以具體的觀測數據，通過理論分析，判斷二襯混凝土裂縫的原因并進一步研究制定預防措施及處理辦法。本文通過對中部引黃工程襯砌施工中可能產生裂縫的原因逐一研究發現，水泥用量的增加以及隧洞貫通后洞內風力較大，混凝土表面水分蒸發較快是導致該工程混凝土產生裂縫的主要原因。針對混凝土裂縫產生原因，施工單位根據施工經驗提出了裂縫的預防和處理方法，及時有效的解決了裂縫問題，可為同類工程施工提供參考和借鑒。