水工隧洞衬砌混凝土裂缝成因分析及控制措施

摘要：本文对水工隧洞衬砌混凝土产生裂缝的诸多因素所形成的主要成因、要素作了简要分析，并根据水工隧洞施工情况总结出了控制裂缝产生的具体措施。

关键词：水工隧洞 衬砌裂缝 控制措施

1 水工隧洞混凝土的设计强度

水工隧洞混凝土的设计强度，DL/T5195-2004《水工隧洞设计规范》(中华人民共和国国家发展和改革委员会发布,2004年6月1日实施)在第1章混凝土和钢筋混凝土衬砌中规定：“当隧洞采用不承载混凝土衬砌或采用配有I级钢筋的钢筋混凝土衬砌时，混凝土强度等级不宜低于C15：采用配有Ⅱ、Ⅲ级钢筋的钢筋混凝土衬砌时，混凝土强度等级不宜低于C20。

在同一设计规范附录D(规范性附录)中就抗蚀耐磨材料指出：“就耐磨损而言，硬度高就非常重要。”“工程中已采用过的主要抗蚀耐磨材料有高标号混凝土、钢纤维混凝土”“在通过的流速小于20m／s的水工隧洞．以采用C25～C30的混凝土为宜。”

另外，DL/T5207-2005《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》将抗磨蚀混凝土的等级分为C35、C40、C45、C50、C55、C60、>C60 七级，笔者理解为：有抗磨蚀要求的混凝土最低强度等级为C35。

鉴于水工隧洞是在复杂的水环境下运行的，混凝土不但有不同程度的长期抗磨蚀要求，还要承受围岩和外水压力．特别是有的工程在围岩地质条件恶劣和水压力较高时．同时还有抗渗和耐久性的要求。

混凝土的抗压强度在一定范围内与其抗磨蚀、抗渗和耐久性成正比关系，因此，在水工隧洞设计规范中将隧洞混凝土最低强度等级规定在C15或C20，是否偏低，值得探讨。

2 衬砌混凝土裂缝影响主要因素

水工隧洞衬砌混凝土裂缝的产生，因受围岩性质、外力大小、凝固干缩、断面型式、构造接头及施工中模板类型、养护条件等影响，现将其中影响较大因素叙述如下：

2．1 温差影响

假定衬砌混凝土未改变圆周长度情况下，由温度应力公式：

式中： ——温差引起的温度应力(N／mm。)；

a——混凝土线膨胀系数，取a=0．00001；

Ec——混凝土弹模(N／m •m2)；

△t——混凝土温差值(℃)。

2．2 隧洞结构变化影响

诸如在隧洞进口渐变段与洞身接头、主洞与支洞交叉口、洞身与闸门井、斜井、竖井等部位的接头、断面型式急剧变化部位等需要满足构造要求，而施工较困难，且其因变力不均及应力集中等原因，常产生裂缝。

2．3围岩性质影响

一条隧洞不可能修建在全部均匀完整的岩体中，经常遇到不同岩性，有断层破碎带、软弱夹层分布，加上地下水位变化，自然引起不同变形，致使隧洞衬砌结构承受不同荷载产生的应力。

2．4施工影响

在施工过程中，衬砌混凝土的材料性质、配料方法、模板架立、钢筋布置⋯ 等，是否规范，直接影响衬砌混凝土的施工质量，稍有不慎就会留下缝隙需要补救处理。

总之，为了避免或减轻隧洞衬砌混凝土裂缝产生及其无规则分布，根据工程实践经验，除结合工程地质和受力条件进行合理的结构设计外，需要在构造上进行合理分缝，这就是隧洞衬砌混凝土和钢筋混凝土采用分缝的根本原因。

3 裂缝控制措施

3．1 资金投入控制措施

隧洞工程资金投入的多少与预防和解决裂缝问题息息相关。一些水电工程项目的投资方为追求经济效益，许多项目在关键环节的投入不足。首先造成工程地质资料不够具体；业主压低设计报酬，无形之中降低了设计工作应有的质量，设计内容无法满足客观条件的变化；签订的工程合同，只强调工程的结果，很少对隐患问题进行充足的预算考虑；施工单位施工中简化工序操作，降低人员、设备的投入。因此，控制隧洞裂缝首先要做好地质、设计、施工及其它方面的工作，给予充分合理的资金投入，明确“工程质量终身制”，使工程建设主体的有关各方形成利益共存。

3．2 信息反馈控制措施

水工隧洞混凝土施工现场状况的变化比较大，在工程建设中强化信息管理和反馈，建立相关工程建设的信息运作系统，参建人员易于做出符合客观规律的决策判断。通过信息控制和交流，收集和积累相应的工程经验，进行多方沟通和促进工程的建设，预防和控制裂缝问题。

3．3 施工现场的控制措施

(1)在施工过程中根据地质条件的变化及时调整和确定有效的施工方案。

(2)设计人员依据变化的地质、水文条件做出施工设计的变更调整，明确隧洞开挖的支护方法和合理的混凝土浇筑成型方案；优化混凝土的配筋和配合比等构成混凝土质量的技术指标。

(3)建筑材料的选用严格把关，控制混凝土骨料的各项指标要求，选用能降低混凝土水化热的规范水泥，分析选用水泥添加剂对混凝土温度裂缝的影响。

(4)监理人员及时掌握施工现场的具体情况，控制施工中的各个工序环节，使质量问题尽快解决，监理的信息管理工作得以完善。

(5)施工过程的控制：1)隧洞开挖施工避免对围岩的过多破坏；对有塌方的地方采取补救措施予以必要的回填加固；控制开挖过程对岩体的震动，防止产生对已成型隧洞混凝土的扰动破坏；强化开挖作业时隧洞内的通风和排水工作，改善施工环境条件。2)区别加固支护和稳定支护作用，注重洞身侧面横向锚筋与挂网喷混凝土的效能，消除围岩二次或三次应力重分布产生的作用，降低围岩应力对衬砌混凝土的影响破坏。3)混凝土入仓浇筑振捣均匀、密实，防止施工中出现的漏振和形成水泥砂浆层；规范施工缝的结合处理；检查混凝土浇筑的厚度，确定混凝土的钢筋配置。4)严格按规定进行拆除模板和混凝土养护作业。养护工作除了混凝土表面养护，还应考虑混凝土内部的温度监测控制以及内部温度的变化和外界气候的影响。

4 减少衬砌混凝土开裂的措施

由于引起混凝土开裂涉及因素多， 目前尚未找到可靠的定量方法，因此在混凝土材料、配制和浇筑过程中，应采取综合措施，对预防或减少混凝土开裂还是有效的。为此，下面列出一些防裂措施。

4．1 混凝土材料除应符合规范要求外，其中宜选用发热量低的水泥品种；在满足混凝土标号情况下，宜用低标号水泥，在配制中尽量减少单位体积的水泥用量。

4．2 在混凝土配制中掺加粉煤灰，既可减少水泥用量，又使混凝土发热滞后，适应混凝土抗拉强度增长，且还改变弹模、改善干缩变形。一般掺粉煤灰量可占水泥用量的10％一25％。

4．3 混凝土拌合要严格控制水灰比、坍落度，同时加人减水剂，减少干缩。

4．4 混凝土施工中，必须要求模板牢固，避免变位；浇筑后加强养护(有的工程采用钢模不养护是不当的)；养护期不少于l4天。

4．5 衬砌钢筋混凝土时，采用的钢筋在断面相同且满足构造要求情况下，宜用小直径钢筋替代大直径钢筋，可改善衬砌结构。

4．6试验研究证明，在两个浇筑段之间预留间隙，间歇一定时间后，再填封间隙，优于多种防裂措施，但延长工期。因此，在隧洞围岩条件良好情况下，可采用跳块浇筑方式，块间接缝可按施工缝处理。

5 结语

水工隧洞混凝的质量控制和保证贯穿于全过程，施工前对于隧洞混凝土原材料的选择、配合比的试验与优化也很重要。施工控制更起着关键的作用。即使有优秀的设计，合适的原材料，安全、合理、优化的混凝土配合比设计，如果在施工中得不到认真、有效的贯彻实施，混凝土工程质量就得不到保证，也不可能有好的工程质量。

参考文献：

[l] 王铁梦．工程结构裂缝控制[M]．北京：中国建筑工业出版社，1997．

[2] SDJ57—85，水利水电地下工程锚喷支护施工技术规范[s]．北京：水利电力出版社，1985．

[3] 汪胡桢：水工隧洞的设计理论和计算，水利电力出版社，1990年2月；

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