聶彥春，朱建文

（1.山西省中部引黃工程建設(shè)管理局，山西 太原 030002；2.山西中部引黃水務(wù)開發(fā)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(chǎn)生的裂縫是不可逆的，特別是有抗?jié)B要求的隧道工程，不僅影響混凝土的抗?jié)B性，引起鋼筋的銹蝕減小混凝土的耐久性，同時(shí)處理起來耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，還會(huì)耽誤工期。因此，必須采取有效的工藝措施來控制和建設(shè)混凝土中裂縫的數(shù)量和寬度[1～7]。本文以山西省中部引黃工程施工25 標(biāo)引水隧洞為例，及時(shí)準(zhǔn)確地判斷裂縫產(chǎn)生的原因，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)分析了產(chǎn)生裂縫的原因，提出了相應(yīng)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(biāo)引水隧洞位于山西省呂梁市石樓縣境內(nèi)，隧洞施工總長(zhǎng)29.13 km，其中引水主洞長(zhǎng)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(zhǎng)605 m，坡度43.71%，混凝土運(yùn)輸方式為有軌運(yùn)輸，圍巖巖性為三疊系中統(tǒng)二馬營(yíng)組上段（T2er2）砂巖與泥巖互層，主要為IV 類圍巖。依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，洞身襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25,巖洞段抗?jié)B等級(jí)為W6，抗凍等級(jí)為F50，Ⅳ類圍巖縱向鋼筋為Ф10@200，環(huán)向鋼筋為Ф16@200 和Ф18@200，鋼筋混凝土保護(hù)層厚度35 mm，混凝土澆筑段12 m 一個(gè)倉位。鑒于該隧洞縱坡較大，二襯施工時(shí)，混凝土運(yùn)輸采用絞車運(yùn)送干料至支洞與主動(dòng)的交叉口，在交叉口加水拌制后，罐車運(yùn)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(chǎn)生，開裂部位一般在側(cè)墻靠近底板位置，隨著時(shí)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(huán)狀分布。裂縫發(fā)展形式見圖1、圖2。

圖1 側(cè)墻裂縫

圖2 頂拱裂縫

2.2 裂縫觀測(cè)情況

在發(fā)現(xiàn)裂縫后，采用裂縫測(cè)縫儀對(duì)裂縫寬度和深度進(jìn)行了觀測(cè)。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(cè)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 裂縫觀測(cè)統(tǒng)計(jì)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(dá)到要求，具體表現(xiàn)為現(xiàn)場(chǎng)拌制的混凝土板結(jié)，造成堵管。在實(shí)際施工生產(chǎn)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(nèi)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(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)邊墻逐漸產(chǎn)生裂縫，并隨著時(shí)間推移裂縫往隧洞頂拱發(fā)展，20 個(gè)工作日左右形成環(huán)向裂縫。裂縫出現(xiàn)后，實(shí)驗(yàn)室人員通過多次試拌以及外加劑廠家調(diào)整外加劑等方式最終現(xiàn)場(chǎng)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(diào)整配合比后水泥用量為298 kg，現(xiàn)場(chǎng)混凝土標(biāo)養(yǎng)試塊強(qiáng)度基本在35 MPa 左右。調(diào)整后現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土裂縫出現(xiàn)頻率明顯降低。同時(shí)為驗(yàn)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(duì)混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)行檢測(cè)。埋設(shè)位置為混凝土同樁號(hào)距巖面5 cm 一個(gè)，外層鋼筋處埋設(shè)一個(gè)，每倉埋設(shè)兩組。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)內(nèi)外溫差基本穩(wěn)定，多數(shù)在10℃～15℃之間，最大溫差16℃。根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，現(xiàn)用配合比混凝土內(nèi)部溫差不大，溫度引起混凝土產(chǎn)生裂縫的可能性較小。

3.2 內(nèi)外約束條件影響分析

混凝土溫升產(chǎn)生的水化熱而形成中心溫度較高，熱膨脹大，在中心區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力，在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。若拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土將會(huì)產(chǎn)生裂縫。但從目前測(cè)試溫度來分析，混凝土溫升不足以形成如此大的表面拉應(yīng)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(nèi)，洞內(nèi)基本恒溫，經(jīng)檢測(cè)洞內(nèi)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(fā)，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(xù)干燥而使20%的吸附水逸出，就會(huì)出現(xiàn)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(huì)在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力并導(dǎo)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(diào)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(fā)會(huì)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(fā)量=60×0.245×20%=2.94 t，現(xiàn)配合比水分蒸發(fā)量=60×0.165×20%=1.98 t。目前配合比中水分蒸發(fā)量減少近1 t，收縮量明顯減少，混凝土收縮應(yīng)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(duì)引水主洞底板澆筑了C15混凝土墊層，在整個(gè)一次開挖支護(hù)過程中經(jīng)過車輛碾壓，基礎(chǔ)面較穩(wěn)定，承載力較強(qiáng)，出現(xiàn)沉降變形的可能性較小。

3.6 臺(tái)車長(zhǎng)度影響分析

該隧洞引水主洞襯砌臺(tái)車長(zhǎng)度全部為12 m，經(jīng)咨詢，臺(tái)車長(zhǎng)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(yàn)倉，經(jīng)觀察，在齡期達(dá)到10 天左右，仍然出現(xiàn)裂縫。同時(shí)，參觀其他標(biāo)段的施工情況，同樣為12 m 長(zhǎng)的倉位，裂縫出現(xiàn)的頻率均較低，基本排除臺(tái)車長(zhǎng)度對(duì)裂縫的影響。

3.7 結(jié)構(gòu)受力影響分析

設(shè)計(jì)圖紙中襯砌混凝土的縱向分布筋為Φ10 光圓鋼筋，經(jīng)咨詢，側(cè)墻和頂拱會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，鋼筋拉應(yīng)力不足會(huì)出現(xiàn)裂縫。為此，施工單位在17#主洞進(jìn)行了試驗(yàn)，在兩倉中將側(cè)墻和頂拱的Φ10 光圓鋼筋改為Φ12 的螺紋鋼筋，試驗(yàn)后觀察仍然出現(xiàn)裂縫。故側(cè)墻和頂拱拉應(yīng)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(xì)骨料為人工砂，且細(xì)度模數(shù)在3.0 左右，為粗砂，可能是形成裂縫的原因。為此，試驗(yàn)人員對(duì)砂進(jìn)行了調(diào)整，并進(jìn)行了試驗(yàn)。將黃河砂和人工砂混合，混合后的砂細(xì)度模數(shù)經(jīng)試驗(yàn)室檢測(cè)為2.46，符合中砂要求，現(xiàn)場(chǎng)澆筑7 天后發(fā)現(xiàn)混合砂澆筑的倉位裂縫較人工砂有增加趨勢(shì)。

4 預(yù)防措施

在發(fā)現(xiàn)襯砌混凝土出現(xiàn)環(huán)向裂縫后，建設(shè)單位組織監(jiān)理、施工單位項(xiàng)立即采取措施。首要措施是調(diào)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(diào)整為298 kg/m3，調(diào)整后現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土裂縫出現(xiàn)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(yán)格控制摻配比例，延長(zhǎng)拆模時(shí)間、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，對(duì)于隧洞已貫通，洞內(nèi)風(fēng)力較大，使混凝土表面水分蒸發(fā)較快可能產(chǎn)生干縮裂縫情況，洞內(nèi)加設(shè)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(jìn)一步提供結(jié)構(gòu)的整體性和安全性，本工程裂縫處理在回填灌漿結(jié)束后采用化學(xué)灌漿技術(shù)措施對(duì)裂縫進(jìn)行處理。在回填灌漿過程中，發(fā)現(xiàn)個(gè)別裂縫處有水泥漿液流出，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該裂縫屬于貫穿性裂縫。通過各參建單位認(rèn)真分析研究、對(duì)比南水北調(diào)等經(jīng)驗(yàn)性成果并及時(shí)組織召開專家會(huì)，對(duì)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(duì)于縫寬≤0.2 mm 的無水裂縫，主要采用低粘度環(huán)氧樹脂漿液作為進(jìn)行涂刷封閉，封閉寬度為10 cm。該材料對(duì)混凝土等材質(zhì)具有良好的粘接性，可在連續(xù)伸縮、振動(dòng)及溫度變化下保持良好的氣密性和防水性，施工工藝簡(jiǎn)單，耐久性好，且無毒污染，適用于大多數(shù)襯砌裂縫的修補(bǔ)。

（2）縫寬＞0.2 mm 裂縫及縫寬≤0.2 mm 的有水裂縫處理

對(duì)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(jìn)行灌漿，灌漿后，采用低粘度環(huán)氧樹脂漿液涂刷封閉，封閉寬度為10 cm。

（3）對(duì)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(jìn)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(zhì)量，應(yīng)清除裂縫周圍的析出物及其他殘留物，裂縫兩邊各5 cm 內(nèi)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(shè)置灌漿咀的距離應(yīng)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(yīng)加密。

對(duì)于不滲水的干燥縫：首先用環(huán)氧膩?zhàn)泳鶆蚍饪p，然后使用結(jié)構(gòu)膠將裂縫兩邊各2.0 cm 范圍內(nèi)的表面涂2.0 mm～5.0 mm厚做第二道密封層，以確保灌漿時(shí)裂縫中的漿液不會(huì)瀉漏。對(duì)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(jié)構(gòu)膠涂2.0 mm～5.0 mm厚做為保護(hù)層，確保裂縫不漏漿。

按由下而上的順序進(jìn)行灌漿。灌漿過程中，應(yīng)保持工作壓力在0.1 MPa～0.3 MPa，當(dāng)灌到最后一個(gè)灌漿嘴時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大壓力迸漿。迸漿期間應(yīng)觀察是否還在進(jìn)漿，灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)以不吸漿為原則，如果吸漿率小于0.01 L/min，應(yīng)維持至少10 min，可做為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，停止灌漿。

6 結(jié)論

隧道工程施工過程中，襯砌混凝土出現(xiàn)裂縫是一種較為普遍的現(xiàn)象，一旦二襯混凝土出現(xiàn)裂縫，就必須對(duì)裂縫進(jìn)行及時(shí)、仔細(xì)、認(rèn)真的觀測(cè)，以具體的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過理論分析，判斷二襯混凝土裂縫的原因并進(jìn)一步研究制定預(yù)防措施及處理辦法。本文通過對(duì)中部引黃工程襯砌施工中可能產(chǎn)生裂縫的原因逐一研究發(fā)現(xiàn)，水泥用量的增加以及隧洞貫通后洞內(nèi)風(fēng)力較大，混凝土表面水分蒸發(fā)較快是導(dǎo)致該工程混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。針對(duì)混凝土裂縫產(chǎn)生原因，施工單位根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)提出了裂縫的預(yù)防和處理方法，及時(shí)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。