水工隧洞混凝土襯砌裂縫成因的調(diào)查與分析

寧曉娜，劉忠富，龍 翔

（1.遼寧省河庫管理服務(wù)中心（遼寧省水文局），遼寧沈陽110003；2.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院巖土所，吉林長春130061）

1 研究背景

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。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。尤其是高速水流或內(nèi)外水壓力使裂縫進(jìn)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。

文中以某工程中孔泄洪洞為研究背景，對溫度造成的混凝土裂縫展開了調(diào)查與分析。

中孔泄洪洞設(shè)計為城門洞型，襯砌后洞徑為11.0m×11.5m，進(jìn)口段襯砌厚1.5m，洞身段襯砌厚0.8m，設(shè)計指標(biāo)底板及邊頂拱C50F200W6，抗沖磨Ra12，頂拱C30F200W6，底板厚0.8m，施工分段長12m，泵送混凝土二級配，泵送鋼管直徑為125mm，施工混凝土泵功率為90kW。

自6月底開始澆筑中孔泄洪洞底板混凝土初期，發(fā)現(xiàn)底板襯砌混凝土出現(xiàn)了裂縫，表現(xiàn)為龜裂，有貫穿性裂縫，更多的是混凝土表面裂縫。通過對中孔泄洪洞水平段底板混凝土出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行統(tǒng)計，分析了混凝土裂縫的類型，同時從混凝土的原材料控制、配合比計量控制、施工技術(shù)、后期養(yǎng)護(hù)等方面查找原因并進(jìn)行整改，但是混凝土的裂縫卻還是不斷出現(xiàn)，為了對后續(xù)施工提供指導(dǎo)，減少混凝土裂縫，從混凝土內(nèi)外溫度、環(huán)境溫度以及之間的溫度差對水工隧洞混凝土襯砌裂縫的影響進(jìn)行調(diào)查和研究。

2 調(diào)查分析內(nèi)容

隧道襯砌裂縫一般是由于受到周圍巖體變形壓力、圍巖壓力、溫度和收縮應(yīng)力作用，以及混凝土的原材料、環(huán)境溫度、設(shè)計和施工等因素的影響，導(dǎo)致隧洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。根據(jù)現(xiàn)場施工實際情況，由于隧洞開挖已經(jīng)很長時間，應(yīng)力已經(jīng)釋放，與巖體變形壓力、圍巖壓力基本無關(guān)，結(jié)合以往的工程經(jīng)驗，溫度應(yīng)力的影響最大。

混凝土由于溫度升降不能自由伸縮或物體內(nèi)各部分的溫度不同而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為溫度應(yīng)力。由于混凝土導(dǎo)熱性差，底板混凝土內(nèi)外降溫速度明顯不同，內(nèi)部降溫很慢，外部降溫很快，內(nèi)外收縮程度也隨之不同，外部收縮大于內(nèi)部收縮。這種內(nèi)外收縮的差異使得混凝土內(nèi)部給外部提供了約束，產(chǎn)生了外表的約束拉應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)外溫差過大時，拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度，混凝土產(chǎn)生表面裂縫。

一般混凝土水化熱溫升計算經(jīng)驗公式：

式中：W——混凝土中活性膠凝材料用量，kg；Q——活性膠凝材料水化熱，kJ/kg；C——混凝土比熱，kJ/（kg·℃）；ρ——混凝土容重，kg/m3。

此次試驗，在混凝土襯砌底板中埋設(shè)溫度傳感器，對施工后混凝土內(nèi)部溫度變化進(jìn)行測試，同時每6h對隧洞混凝土襯砌底板的表面溫度與環(huán)境溫度進(jìn)行測量，從而得到施工后混凝土內(nèi)外環(huán)境溫度的變化，以及內(nèi)外溫度差，從而分析溫度對該工程混凝土裂縫產(chǎn)生的影響，同時也分析了混凝土坍落度、配合比的影響。

隧洞混凝襯砌設(shè)計指標(biāo)為C50高強混凝土，摻加HF外加劑，施工配合比單方材料用量如表1所示。

表1 工配合比單方材料用量 kg

3 調(diào)查分析結(jié)果

試驗段澆筑完后，時隔7d共發(fā)現(xiàn)5條裂縫，分別位于左側(cè)拱腳頂部靠近端部1.4m處3條、在左側(cè)中間6m部位拱腳頂部1條裂縫、底板中間有1條縱向裂縫。

3.1 混凝土溫度變化的影響

中孔底板混凝土試驗段，混凝土內(nèi)外溫度與環(huán)境溫度變化由混凝土內(nèi)部溫度測量結(jié)果可知，在澆筑完成第2d，混凝土的底板溫度達(dá)到峰值59.3℃，然后第3d開始逐步下降，此時洞室空氣溫度檢測值為16℃，混凝土內(nèi)外溫差為25.1℃，溫差較大，根據(jù)工程經(jīng)驗，一般混凝土內(nèi)外溫差大于20℃時，易產(chǎn)生裂縫。

3.2 坍落度、配合比的影響

此次測試發(fā)現(xiàn)，施工時混凝土實測坍落度達(dá)到了22cm，原配合比設(shè)計坍落度為16～20cm，施工實際坍落度相對較高。同時由于C50混凝土，泵送混凝土單方水泥用量424kg，水泥用量較大，砂率也大，會使混凝土收縮大,也易產(chǎn)生裂縫。

4 結(jié)論

1）溫度變化造成混凝土裂縫。由于膠凝材料用量較大，理論計算混凝土水化熱溫升49.3℃，實際測試混凝土內(nèi)外溫差為14.9～30.7℃?；炷帘砻孀罡邷囟葹?4.2℃，而氣溫為16℃，溫差為18.2℃。現(xiàn)場洞外養(yǎng)護(hù)水的溫度為12.5℃，水溫與混凝土溫度的溫差為26.7℃，溫差較大，混凝土內(nèi)外溫差、混凝土表面溫度與氣溫的溫差、混凝土表面溫度與水溫的溫差都超過20℃，一般經(jīng)驗混凝土內(nèi)外溫差超過20℃容易產(chǎn)生裂縫，因此，要控制原材料水泥溫度、混凝土拌合物溫度和養(yǎng)護(hù)水的溫度，減少裂縫產(chǎn)生。

2）混凝土坍落度較大造成混凝土裂縫。由于混凝土塌落度較大，實測塌落度為22cm，塌落度大造成混凝土用水量過多，澆搗后骨料顆粒沉落,水泥漿上浮,受到鋼筋或大骨料的阻擋及混凝土本身組成材料沉落不均勻而使混凝土互相分離。澆注過程中產(chǎn)生表面浮漿，伴隨水分的蒸發(fā)，由于水泥漿體中粒子間的毛細(xì)管張力的作用而產(chǎn)生收縮，此時混凝土強度較低，而致使混凝土表面出現(xiàn)龜裂。而且表面水分散失過快，而混凝土內(nèi)部濕度變化小,表面干縮變形，受到混凝土內(nèi)部的約束而產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，因而產(chǎn)生裂縫。因此，現(xiàn)場施工盡可能減少塌落度，原配合比設(shè)計塌落度為16～20cm，建議在能施工的前提下，盡可能減小混凝土塌落度，加強現(xiàn)場管路連接部位的密封和提高混凝土泵的功率。

3）現(xiàn)場施工混凝土配合比（摻加HF外加劑）。目前現(xiàn)場施工配合比單方材料用量：水泥424kg，水143kg，粉煤灰106kg，砂子611kg，小石568kg，中石568kg，HF13.25kg，減水劑2.915kg，引氣劑0.026kg。水膠比0.27，塌落度16～20cm。

由于C50混凝土，泵送混凝土單方水泥用量424kg，水泥用量較大，砂率也大，會使混凝土收縮大，也易于發(fā)生裂縫。HF抗沖磨混凝土不是十分成熟的，有的工程使用效果較好，有的工程不好，比如東北院設(shè)計的大藤峽水電站、豐滿水電站實際使用HF抗沖磨混凝土，澆筑質(zhì)量也不好，建議適當(dāng)減小HF摻量至1.5%～2.0%。