隧洞襯砌混凝土裂縫原因分析及防治措施

王海峰

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

1 工程概況

南水北調中線京石段應急供水工程河北段共有7座隧洞工程，由南自北依次為霧山（Ⅰ）隧洞、霧山（Ⅱ）隧洞、吳莊隧洞、崗頭隧洞、釜山隧洞、西市隧洞和下車亭隧洞。隧洞工程由進、出口段和洞身段組成，輸水設計流量125～60m3/s。

隧洞工程地處太行山東麓丘陵與傾斜平原過渡地帶，霧山（Ⅰ）、霧山（Ⅱ）、吳莊和崗頭隧洞穿越薊縣系霧迷山組第3段 （Jxw3）含燧石條帶白云巖；釜山隧洞穿越薊縣系鐵嶺組（Jxt）含燧石條帶或結核白云巖；西市隧洞穿越奧陶系亮甲山組（O1L）白云質灰巖；下車亭隧洞上游及中游段穿越青白口系下馬嶺組（Qnx）砂巖夾頁巖、泥質頁巖，下游段穿越薊縣系鐵嶺組（Jxt）含燧石條帶白云巖。

隧洞洞身段布置均為兩條平行的無壓流隧洞，總長度17252m。下車亭隧洞采用馬蹄型結構，斷面尺寸6.4m×6.6m，采用錨噴支護和鋼筋混凝土全斷面襯砌，厚度為25～70cm。其余6座隧洞洞室采用圓拱直墻型結構，斷面尺寸7.8m×8.37m～4.9m×6.12m，Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段采用錨噴支護與25cm厚“凵”型混凝土組合式襯砌，Ⅳ類圍巖和斷層破碎帶洞段采用錨噴支護與40～80cm厚鋼筋混凝土全斷面襯砌。25cm厚混凝土襯砌為非受力結構，起減糙作用，配置構造鋼筋；全斷面襯砌結構根據圍巖條件配置受力鋼筋。

2 襯砌混凝土施工及條件

2.1 襯砌混凝土澆筑

洞室襯砌混凝土采用二級配，強度等級為C25。每10m為一個澆筑段，每段分兩次澆筑，按照先澆底板（拱），再澆側墻（拱）、頂拱混凝土的順序跳倉施工。隧洞模筑襯砌混凝土灌注采用全液壓襯砌模板臺車，混凝土自模板臺車的預留窗口由輸送泵進行澆筑、機械和人工振搗。

2.2 溫控要求

砂、石料、水和罐裝水泥等混凝土原材料采取降溫措施，以降低混凝土的澆筑溫度。制定出機口溫度控制標準，出機口溫度不符合標準的混凝土不能入倉。

混凝土最高澆筑溫度不超過20℃，混凝土內外溫差不超過24℃。

合理選擇澆筑層厚及間歇期、合理安排施工程序和施工進度、合理安排各部位混凝土的澆筑時間。

對已拆模的襯砌進行灑水養護，必要時對新澆混凝土表面進行覆蓋保溫措施，減小內外溫差。

2.3 混凝土配合比

京石段工程7座隧洞設計襯砌混凝土等級相同，由于選用料場不同、做配合比試驗的單位不同，實際采用的混凝土配合比中水泥含量相差較大。其中，下車亭隧洞混凝土配合比中水泥量最高達290kg/m3，其余6座隧洞混凝土配合比中水泥量為246～278kg/m3。

2.4 圍巖情況

洞室白云質灰巖和石英砂巖硬度大、彈模高，巖石彈性模量是混凝土彈性模量的2～4倍，基巖對混凝土結構的約束較強。

3 襯砌混凝土裂縫產生及原因分析

釜山隧洞、下車亭隧洞在7～9月高溫季節施工中，襯砌混凝土產生了一些裂縫。裂縫多分布在每倉1/2或1/3位置，走向基本為垂直洞軸線分布，裂縫從洞口到洞身中部呈逐漸減少趨勢。裂縫寬度0.05～0.75mm，大部分在0.1～0.2mm；長度0.5～9.4m，一般為3m。釜山隧洞11條裂縫的鉆孔取芯檢測顯示，裂縫基本貫穿芯樣混凝土，說明裂縫基本裂通，隧洞圍巖噴混凝土經檢查未發現裂縫現象。

隧洞襯砌混凝土裂縫形成原因非常復雜，往往是多種不利因素綜合作用的結果。從產生裂縫的性狀和施工溫控措施分析，釜山、下車亭隧洞等先期澆筑襯砌混凝土出現的裂縫主要為混凝土內外溫差過大，受基巖和老混凝土約束及其他綜合原因而產生的溫度裂縫。

混凝土澆筑后，其溫度將發生復雜的變化，其體積也隨之伸縮，當塊體受到約束或限制不能自由伸縮時，就要產生溫度應力。當溫度應力為拉應力且超過混凝土的抗裂能力時就會開裂。復雜的溫度變化可以分解出3種情況：

（1）襯砌混凝土澆筑后由于水泥水化熱的作用溫度快速升高，經過2d達到最高，而后逐漸降低到洞內平均溫度。通過對下車亭隧洞60cm厚襯砌混凝土內部溫度觀測，混凝土澆筑后46h達到55.6℃（水化熱最大溫升34.0℃），之后溫度持續下降。

混凝土從最高溫度降到洞內平均溫度，體積收縮受到圍巖的約束，溫差越大，基巖變形模量越高，襯砌越薄越容易產生裂縫。強約束也使早期出現的溫度裂縫繼續拉長加深。

由于隧洞的襯砌厚度較薄，散熱條件較好，混凝土的溫度下降較快。特別是洞口處，與環境溫度比較接近，晝夜溫差大，在洞口沒有采取封堵的情況下，混凝土的溫降梯度較大，溫度應力超過混凝土極限抗拉強度。洞口部位出現的裂縫占絕大多數也說明了這個原因。

（2）襯砌混凝土溫度在變化過程中，溫度分布是中間高、邊界低。洞內溫度越低，混凝土表面的溫度梯度越大，由于受到內部溫度較高的混凝土約束，而在表面產生拉應力。當內外溫差達到一定數值后，混凝土將發生裂縫。

（3）當混凝土澆筑完成后受到氣溫陡降（寒潮）的影響，表面薄層混凝土的溫度梯度突然增大，混凝土開裂，這種裂縫大部分在混凝土澆筑后的早期發生，內溫越高，開裂的可能性越大，這種由寒潮帶來的表面溫差引起的裂縫為表面裂縫，裂縫細而淺。

以上3種情況，互相疊加，開始是由于內外溫差大或遇寒潮，形成細而淺的表面裂縫，后期疊加上由于混凝土降溫受到圍巖的約束，使裂縫的長度和寬度逐漸增大。

4 裂縫的預防和處理措施

4.1 預防措施

（1）控制混凝土原材料的溫度是實現溫度控制的主要手段。采取堆高骨料堆、料場上方搭設涼棚、骨料灑水、預冷骨料、利用夜間低溫澆筑、加冰拌和、運輸過程中隔熱遮陽、水泥經貯存和倒罐等都是有效的降溫措施。施工中嚴格控制混凝土入倉澆筑溫度。

（2）盡量選擇在夜間澆筑混凝土，延長拆模時間并適當保溫或涂抹防止水分蒸發的養護劑?；炷敛鹉：蟊砻婕皶r覆蓋濕潤的遮蓋物，并派專人灑水養護，控制內外溫差。洞口處掛簾保溫，冬季在洞口生火爐。

（3）調整混凝土配合比，降低單位水泥用量。根據有關資料，混凝土中單方水泥用量每增減10kg，水化熱相應升降1℃～1.2℃。

（4）提高洞室開挖質量，控制超欠挖和圍巖平整度，減小混凝土應力集中。底板（拱）部位超挖大于設計值時，采取先澆筑基礎墊層，再澆筑襯砌的施工方法。

（5）加強對混凝土的振搗，保證襯砌混凝土的均勻密實性，尤其是25cm厚的襯砌，邊墻模板增加附著式振搗器。改進泵送混凝土施工工藝，縮短混凝土澆筑層的間歇時間，及時進行養護。

4.2 裂縫的處理

隧洞洞身襯砌混凝土產生的裂縫基本為垂直洞軸線分布，不屬于危害性裂縫，為非結構性受約束溫度裂縫，對結構的穩定性影響不大，但對工程的防滲和結構的耐久性有影響。

根據工程運行要求，結合裂縫的狀況，襯砌混凝土在回填灌漿和固結灌漿后對裂縫進行處理。裂縫處理采用化學灌漿和表面覆蓋兩種方法。

4.2.1 化學灌漿

受力的全斷面襯砌結構和裂縫寬度大于0.2mm的“凵”型非受力襯砌結構采用化學灌漿處理。

化學灌漿使用無毒、環保、親水性好、可灌性好、黏結強度高、遇水膨脹并具有柔彈性，適應一定溫度變形能力的高強水溶性聚氨酯漿材?；瘜W灌漿處理主要有開槽埋管法、鉆孔法和無損貼嘴法。無損貼嘴法是目前處理裂縫最先進的方法，具有工藝簡單、無鉆孔、無孔容耗漿、易找準裂縫、對混凝土無損傷等優點值得大力推廣，難點是滲水縫的貼嘴。結合實際情況，襯砌裂縫灌漿采用無損貼嘴法，灌漿前應進行灌漿試驗以確定漿液的配比和灌漿參數，灌漿完成后采用鉆孔取芯對貫穿性裂縫進行質量檢查。

4.2.2 表面覆蓋

裂縫寬度小于0.2mm的“凵”型非受力襯砌結構采用表面覆蓋法處理。

表面覆蓋法采用的噴涂材料為無毒環保、固化速度快、凝膠時間短的雙組分環氧樹脂溶劑型膠粘劑。處理范圍：對裂縫中心線兩側10cm范圍進行表面覆蓋處理。

5 結語

隧洞未襯砌洞段在后期施工中基本未出現裂縫。已產生的裂縫經過化學灌漿或表面覆蓋法處理，均達到了工程運行要求。

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