隧洞襯砌裂縫成因分析及處理措施研究

孫東遷（陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計研究院　陜西　西安　710018）

隧洞襯砌裂縫成因分析及處理措施研究

孫東遷
（陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計研究院陜西西安710018）

混凝土裂縫問題是水工建筑物中普遍存在又難于解決的工程實際問題，而隧洞混凝土裂縫成因更為復(fù)雜，往往是多種因素聯(lián)合作用的結(jié)果。本文對子長縣紅石峁水庫泄洪洞的裂縫成因進行分析并提出處理措施。

隧洞；混凝土裂縫；裂縫成因；處理措施

引言

隧洞襯砌混凝土產(chǎn)生的裂縫不僅會破壞混凝土結(jié)構(gòu)，影響隧洞的使用壽命，而且處理裂縫費工費時難度較大［1］。尤其在水庫工程中，高速水流或內(nèi)外水壓力使裂縫進一步惡化，易造成混凝土鈣質(zhì)析出，鋼筋銹蝕，直接威脅隧洞的長期安全運行。因此，分析隧洞裂縫成因并研究相應(yīng)的處理措施具有重要的意義。

1　工程背景

紅石峁水庫位于子長縣城西北約7.5km處的紅石峁溝口，樞紐工程由大壩、泄洪洞、輸水建筑物、充庫建筑物等四部分組成，總庫容1847萬m3。泄洪洞位于大壩右岸，洞身段全長384m，斷面為圓拱直墻型，斷面尺寸為B×H=4.5m×5.8m。泄洪洞洞線主要穿越巖層為T3w及J2y2弱風(fēng)化砂、泥巖，圍巖厚度10m～17m，屬極不穩(wěn)定Ⅳ類圍巖。洞身段采用全斷面襯砌，底板采用80cm厚HFC40粉煤灰高強鋼筋混凝土襯砌，側(cè)墻及頂拱采用60m～80cm厚C30鋼筋混凝土襯砌，每隔7.5m～10m設(shè)置一條環(huán)向變形縫。洞身鋼筋采用雙層鋼筋網(wǎng)片，主受力筋為φ22，構(gòu)造筋采用φ12，鋼筋間距200mm。

2　隧洞裂縫初步調(diào)查情況

泄洪洞從2011年11月開始施工至2012年3月底全部貫通，同年11月洞身完成混凝土澆筑，歷時12個月。2013年4月2日開始回填灌漿，4月19日結(jié)束，歷時18天。灌漿壓力為0.4Mpa，漿液水泥配合比1kg/L。4月22日開始進行固結(jié)灌漿，6月4日結(jié)束，歷時 1.5個月。灌漿壓力為0.4Mpa，漿液水泥配合比0.3kg/L，一般情況下進出口段吃漿量較大，中間段較少。根據(jù)孔序不同，一般二序孔吃漿量少。

2014年11月例行檢查中發(fā)現(xiàn)泄洪洞襯砌裂縫，為分析其成因及提出處理措施，分別于12月15日，22日和翌年3月5日對裂縫采用塞尺進行現(xiàn)場測量，觀測結(jié)果見表1。

通過觀測統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)泄洪洞側(cè)壁及頂拱裂縫共計44條，37個澆筑段除1和34澆筑段沒有裂縫外，其余基本每個澆筑段均有裂縫，縫寬0.1mm～1.8mm不等，形狀除單側(cè)裂縫6條和雙側(cè)裂縫4條以外，其余均為環(huán)向裂縫。裂縫一般發(fā)生在每個襯砌段的4m～6m之間。通過不同時段對裂縫進行觀測，進行對比后，裂縫變化不大，但總的來說，3月15日隨著氣溫的回升，裂縫較12月裂縫小。

表1　　不同時段泄洪洞裂縫觀測對比統(tǒng)計表

3　裂縫成因分析

引起混凝土產(chǎn)生裂縫的原因很多，有變形引起的裂縫：如溫度變化、不均勻沉陷等問題引起的裂縫，有外荷載作用引起的裂縫、有養(yǎng)護環(huán)境不當和化學(xué)作用引起的裂縫等。下面從溫度、地質(zhì)情況及施工工藝等多方面對泄洪洞裂縫進行分析。

3.1裂縫與施工時間的關(guān)系

根據(jù)施工單位提供每個澆筑段的施工日期進行對比，詳見表2。

表2　　施工時間與裂縫情況對比表

從上表可以看出，裂縫多發(fā)生在7、8、9三個月，且這幾個月裂縫寬度與條數(shù)明顯大于其他幾個月。因此可以看出泄洪洞裂縫與施工時間有關(guān)系，且隨著溫度變化裂縫寬度也發(fā)生變化。由于施工時平均溫度約為20℃左右，加之混凝土澆筑過程中水化熱溫度，造成混凝土澆筑完成后內(nèi)部溫度較高，而在冬季，洞內(nèi)溫度達到零度以下，澆筑時與冬季溫差大于30℃。在設(shè)計時，洞身結(jié)構(gòu)計算采用斷面法計算，未考慮縱向溫度應(yīng)力變化，加之施工時未進行溫度控制措施，因此溫度應(yīng)力是造成泄洪洞裂縫的主要因素。

3.2裂縫與地質(zhì)的關(guān)系

洞身為Ⅳ類砂巖，有7塊，其中裂縫9條，平均每塊1.3條；洞身為Ⅳ類泥巖，有19塊，裂縫25條，平均每塊1.3條；洞身為Ⅳ類砂巖、泥巖互層，有7塊，裂縫8條，平均每塊1.1條，明挖段4塊，裂縫2條，裂縫較小。從以上可以看出，裂縫與施工方式有關(guān)，與地質(zhì)情況也有一定關(guān)系。

3.3裂縫與施工工藝關(guān)系

隧洞混凝土澆筑采用泵送混凝土，其水灰比比較大，容易產(chǎn)生混凝土干縮裂縫，加之襯砌完成后未及時進行回填灌漿，混凝土干縮時無基巖進行約束，因此易造成混凝土拉裂。泄洪洞混凝土澆筑在2012年6月～11月進行，固結(jié)灌漿和回填灌漿在2013年4月～6月進行，時間相隔5個月至1年時間，時間相差較大，其裂縫原因與支護后未及時灌漿有一定關(guān)系。

3.4設(shè)計分縫原因

在設(shè)計中按照規(guī)范設(shè)計分縫一般采用10m，在32、33兩個澆筑段中分縫采用7m，在此兩個澆筑段中均存在環(huán)向縫，與10m分縫基本相同，因此泄洪洞裂縫與設(shè)計分縫10m太長關(guān)系不大。

3.5同類工程類比

經(jīng)過調(diào)查，在目前已成的與該水庫地質(zhì)條件相近、施工工藝相同的陜北幾座水庫的泄洪洞和輸水隧洞也出現(xiàn)裂縫問題，經(jīng)過調(diào)查裂縫的發(fā)生由溫度應(yīng)力、水泥用量偏大和后期養(yǎng)護不及時等多種綜合因素造成。

3.6泄洪洞裂縫成因分析結(jié)果

由于泄洪洞裂縫發(fā)生的比較有規(guī)律，一般發(fā)生在每個澆筑塊的4m～6m位置，僅有極少數(shù)發(fā)生在3.5m～3.7m位置，因此可以排除操作誤差和個性問題的可能性。

通過以上分析認為，泄洪洞裂縫成因可能主要有以下幾個方面因素：

（1）裂縫與混凝土澆筑時段有關(guān)，夏季施工裂縫較多，冬季施工裂縫較少，溫度應(yīng)力是造成泄洪洞裂縫的主要因素；

（2）地質(zhì)原因有可能造成洞身裂縫；

（3）隧洞底板裂縫條數(shù)和寬度明顯小于側(cè)墻和頂拱，因此與泄洪洞施工固結(jié)灌漿和回填灌漿不及時有一定關(guān)系；

（4）裂縫的發(fā)生與溫度應(yīng)力、水泥用量偏大和后期養(yǎng)護不及時等多種綜合因素有關(guān)。

4　泄洪洞裂縫處理措施

為避免裂縫繼續(xù)快速發(fā)展，目前主要采取恢復(fù)整體性和加強耐久性的修補措施，以提高襯砌和圍巖的聯(lián)合承載能力，提高混凝土的抗?jié)B性［2，3］。隨著近年來隧洞施工工藝的提高以及一些新型防水材料的出現(xiàn)，對于隧洞裂縫處理方法主要包括以下幾種方法。（1）表面涂抹：表面涂抹的方法使用水泥漿、水泥砂漿、防水快凝砂漿、環(huán)氧基液及環(huán)氧砂漿等材料涂抹在裂縫等損壞部位的混凝土表面。適用于對縫寬小于0.2mm的裂縫和混凝土抗?jié)B性能較差的洞段，進行噴涂封閉處理。（2）表面貼補：表面貼補就是用粘膠劑把橡皮或其他材料粘貼在裂縫部位的混凝土面上，達到封閉裂縫防滲堵漏的目的。（3）鑿槽嵌補：鑿槽嵌補是沿混凝土裂縫鑿一條深槽，槽內(nèi)嵌填各種防水材料，如環(huán)氧砂漿及預(yù)拌砂漿（干硬性砂漿）等，以防滲水。（4）噴漿修補：噴漿修補是在裂縫部位并以鑿毛處理的混凝土表面，噴射一層密實而強度高的水泥砂漿保護層，達到封閉裂縫、防滲堵漏或提高混凝土表面抗沖耐蝕能力的目的。（5）回填灌漿和固結(jié)灌漿：回填灌漿和固結(jié)灌漿是目前解決水工隧洞防滲及安全穩(wěn)固的最有效措施之一，固結(jié)灌漿還能提高襯砌和圍巖的聯(lián)合承載能力，減少荷載裂縫。（6）裂縫的內(nèi)部處理：是指在裂縫內(nèi)部采用灌漿方法進行處理。灌漿材料常用水泥和化學(xué)材料，可按裂縫的性質(zhì)、開度及施工條件等具體情況選定。對于開度大于0.3mm的裂縫，一般可采用水泥灌漿；對于開度小于0.3mm的裂縫，宜采用化學(xué)灌漿；對于滲透流速較大或受溫度影響的裂縫，則不論其開度如何，均宜采用化學(xué)灌漿處理。

4.1泄洪洞裂縫處理措施.

依據(jù)泄洪洞裂縫分析及處理措施的研究，對泄洪洞裂縫寬度小于0.2mm不需進行處理，大于0.25mm的進行如下處理。（1）對縫寬b≤0.25mm，且不滲水的裂縫不處理。（2）對縫寬0.25mm＜b＜0.5mm，且不滲水的裂縫用表面涂抹的方式進行表面封閉處理。（3）對于滲水的裂縫，或縫寬b≥0.5mm的裂縫采用化學(xué)灌漿方式處理。

4.2泄洪洞裂縫處理時機的選擇

從泄洪洞裂縫成因分析可以看出，泄洪洞裂縫主要是由于溫度應(yīng)力引起的，裂縫寬度隨著溫度的降低而增大，因此泄洪洞裂縫處理時間選擇在年最低氣溫時段1～2月份進行處理。

4.3泄洪洞裂縫處理施工工藝

（1）對縫寬0.25mm＜b＜0.5mm，且不滲水的裂縫用表面涂抹進行表面封閉處理，其施工工藝如下：

①砼表面處理：沿裂縫用鏟刀鏟除混凝土表面析出物、灰塵，用鋼絲刷或砂輪打磨，使砼表面潔凈、新鮮，增強與處理材料的附著力。清潔寬度為裂縫兩邊各延伸2cm～3cm，總寬度4cm～6cm。

②涂膠：對裂縫周圍采用涂抹材料進行涂抹，一般至少涂抹3次～4次，涂抹厚度要均勻、密實、平整，寬度為4cm～6cm，厚度為2mm～3mm，涂抹之后待凝12h。

（2）對于滲水的裂縫，或縫寬b≥0.5mm的裂縫采用化學(xué)灌漿的處理方法，灌漿材料選用LW、HW水溶性聚氧酯，其處理施工工藝如下：

①砼表面處理：沿裂縫用鏟刀鏟除混凝土表面析出物、灰塵，用鋼絲刷或砂輪打磨，使砼表面潔凈、新鮮。清潔寬度為裂縫兩邊各延伸2cm～3cm，總寬度4cm～6cm。在裂縫周圍開寬度小于0.5mm，深度小于1cm的馬蹄形凹槽，防止壓力灌漿時將填充材料噴出。

②鉆孔、埋管：用電鉆沿縫中心打孔，孔徑φ10，孔距30cm～50cm，鉆孔與表面呈30°～45°斜孔穿過裂縫（根據(jù)裂縫滲水點位置自行調(diào)整），灌漿管埋深10cm～15cm，外露長度15cm。

③表面封閉：先將環(huán)氧涂料涂抹于裂縫表面和埋管周圍，使裂縫處于密閉狀態(tài)，涂抹厚度要均勻、密實、平整，寬度為4cm～6cm，厚度為2mm～3mm，涂抹之后待凝12h。

④裂縫沖洗：用0.2Mpa～0.3Mpa水壓沖洗縫內(nèi)雜物，并用空壓風(fēng)吹凈縫隙內(nèi)積水。

⑤灌注灌漿材料：用手壓泵通過注漿管向縫內(nèi)灌注已攪拌均勻的LW、HW水溶性聚氧酯，注漿順序由下而上，注漿壓力為0.4Mpa。注漿過程要緩慢均勻，維持穩(wěn)定的壓力，依次灌完該條裂縫。

⑥割管、磨平：待已灌注的灌漿材料凝結(jié)后，沿砼面割掉灌漿管，并打磨平滑。用鋼絲刷清理縫面兩側(cè)，清理完后再在縫面涂刷2道增厚環(huán)氧涂料。

（3）經(jīng)過上述措施處理后，加強裂縫觀測，對局部載荷裂縫或繼續(xù)有發(fā)展的裂縫，進行局部補強加固。

5　結(jié)語

紅石峁水庫泄洪洞裂縫采用化學(xué)灌漿和表面涂抹工藝進行處理，其處理效果仍待后期運行檢驗。同時，加強對裂縫的觀測，監(jiān)控裂縫發(fā)展趨勢，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)以明確隧洞裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的原因。隧道裂縫的產(chǎn)生原因是復(fù)雜多變而且是多方面因素相互關(guān)聯(lián)共同作用的，因此要對混凝土裂縫進行認真研究、區(qū)別對待，采用合理的方法進行處理，并在設(shè)計施工中采取各種有效的預(yù)防措施來預(yù)防裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，保證建筑物安全、穩(wěn)定地運行。陜西水利

［1］郭仕萬，肖欣，趙和平.混凝土施工中的裂縫控制［J］.山西水利科技.2000.11.

［2］黃國興，陳改新.水工混凝土建筑物修補技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社.2000.

［3］孫志恒，魯一暉，岳躍真.水工混凝土建筑物的檢測、評估與缺陷修補工程應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社.2004.

（責任編輯：唐紅云）

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