郭利軍 趙春榮 鐘儉雄 朱新民

（1.山西省水利建筑工程局山西太原030006；2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院北京100035；3.深圳市水務(wù)技術(shù)服務(wù)公司廣東深圳518036；4.中國水利水電科學(xué)研究院北京100038）

0 引言

某引水工程于1996年動工，2001年建成通水。工程沿線的主要建筑物有泵站、隧洞、箱涵等。其中隧洞74.3km。工程設(shè)計年運行11個月，每年10月停水檢修。

工程運行至2005年10月停水檢修期，發(fā)現(xiàn)東部供水水源工程的布仔河隧洞、白石洞隧洞、年豐隧洞和供水網(wǎng)絡(luò)干線工程的長嶺皮隧洞出現(xiàn)大量貫穿性縱向裂縫和環(huán)向裂縫，威脅隧洞結(jié)構(gòu)安全。本文分析了隧洞襯砌裂縫的成因，提出了處理措施的建議。

1 地質(zhì)及結(jié)構(gòu)

工程區(qū)斷層發(fā)育，巖體破碎，易風(fēng)化，風(fēng)化層較深，巖體呈碎石狀松散結(jié)構(gòu)和碎塊鑲嵌結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性差。工程區(qū)雨量充沛，多年平均降雨量為1700～2000mm。地下水主要為基巖裂隙水，水的補給來源主要靠降水垂直補給，地震設(shè)計烈度為VI度。

隧洞最大埋深75m，大部分埋深在20～60m范圍內(nèi)，為城門洞型無壓隧洞，內(nèi)凈空尺寸為4.1m×5.25m，起拱高度為2.0m，縱坡為1/2000，設(shè)計過流流量為30m3/s。采用工程類比法，并結(jié)合有限元計算進行支護設(shè)計，采用新奧法施工。在III、IV、V類圍巖中施工時，采用間距1m的鋼拱架、掛網(wǎng)噴5～12cm厚的C20混凝土作為一次支護。一般洞段采用25～30cm厚的C20素混凝土二次襯砌，當(dāng)進出口為V類圍巖時，采用40cm厚單筋混凝土。部分洞段在邊墻和起拱線處打設(shè)排水孔以降低外水壓力，間距3m，呈梅花形布置。隧洞設(shè)計有頂拱的回填灌漿，無圍巖固結(jié)灌漿。隧洞施工中涌水量一般為3000m3/d，最大涌水量為6 000m3/d。

2 隧洞襯砌裂縫情況

2005年10月隧洞停水檢修期間發(fā)現(xiàn)，鋼筋混凝土襯砌的洞段基本未出現(xiàn)裂縫，采用素混凝土襯砌的洞段出現(xiàn)了大量長度超過5m的縱向裂縫，具有以下特點：絕大部分為縱向裂縫，大部分位于襯砌起拱處，邊墻亦有分布，走向彎曲不規(guī)則，時有分岔、轉(zhuǎn)折；大部分縱向裂縫為貫穿性裂縫，有滲水或鈣質(zhì)析出；多條縱向裂縫和環(huán)向裂縫、施工縫交叉，且常見裂縫的起、止點位于交叉處；多條裂縫長度超過20m。為保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全，在2005至2007年每年檢修期間，依裂縫的破壞特征，分別采取加鋼支撐、打設(shè)錨桿、加密排水孔、拱頂和邊墻外圍巖固結(jié)灌漿、裂縫封閉、裂縫化學(xué)灌漿等應(yīng)急處理措施。并在鋼支撐和混凝土襯砌處安裝監(jiān)測儀器，進行應(yīng)力、變形、滲壓監(jiān)測。

3 裂縫成因分析

混凝土裂縫往往是多種因素聯(lián)合作用的結(jié)果，由圍巖載荷、水荷載、溫度荷載、混凝土干縮、堿骨料反應(yīng)、鋼筋銹蝕等原因引起。從連續(xù)三年停水檢修期的觀察、檢測和監(jiān)測成果，可以排除沉陷裂縫、干縮裂縫、鋼筋銹蝕和堿骨料反應(yīng)裂縫。同時發(fā)現(xiàn)，環(huán)向裂縫主要為溫度裂縫，在襯砌段內(nèi)大致呈等間距分布。本文對縱向裂縫成因做了綜合分析。

3.1 設(shè)計因素

隧洞設(shè)計期所參照的《水工隧洞設(shè)計規(guī)范（試行）SD134—84》規(guī)定隧洞混凝土襯砌需滿足強度、抗裂和限裂的要求，如不能滿足，應(yīng)采用鋼筋混凝土襯砌。對于水工隧洞而言，圍巖固結(jié)灌漿起到提高巖體剛度、強度，降低滲透性的作用。該工程隧洞的圍巖條件較差，年豐隧洞、白石洞隧洞、布仔河隧洞圍巖以IV、V類圍巖為主。在此條件下，只有少量洞段采用鋼筋混凝土襯砌，大部分僅采用了素混凝土襯砌，也未采用固結(jié)灌漿。運行至今，采用素混凝土襯砌的隧洞則幾乎全部出現(xiàn)了裂縫。采用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，是造成襯砌開裂的原因之一。

3.2 施工因素

對隧洞實施地質(zhì)雷達檢測和襯砌取芯發(fā)現(xiàn)，施工的一次支護沒有嚴(yán)格按設(shè)計進行，系統(tǒng)鋼拱架間距大于原設(shè)計，個別部位的間距超過原設(shè)計1倍；二次襯砌厚度未達到設(shè)計要求，此缺陷占全部缺陷長度的50%以上；隧洞回填灌漿質(zhì)量差，頂拱混凝土與圍巖之間存在較大范圍的連續(xù)脫空。一、二次支護的施工缺陷降低了襯砌的承載能力和耐久性?；炷僚c圍巖之間的脫空使襯砌受力處在非常不利的狀況，對于城門洞型隧洞而言，當(dāng)襯砌的頂部脫空，失去了圍巖對頂拱的約束，由于邊墻較高，邊墻在側(cè)向壓力的作用下易使頂拱向上變位，易導(dǎo)致起拱部位混凝土襯砌開裂。

現(xiàn)場檢測還發(fā)現(xiàn)，處于排水孔附近的襯砌與圍巖淺層脫空有加劇的情形，這與襯砌排水孔未設(shè)置反濾有關(guān)。由于圍巖風(fēng)化嚴(yán)重，無壓隧洞均處于外水內(nèi)滲狀況，排水孔使風(fēng)化圍巖流失到隧洞內(nèi)。

3.3 溫度應(yīng)力分析[1]

溫度荷載是水工混凝土結(jié)構(gòu)的一項重要荷載。隧洞襯砌混凝土施工期溫度應(yīng)力由混凝土水化升溫后的冷卻及外界溫度變化引起，運行期溫度應(yīng)力是混凝土冷卻后由外界溫度的變化所引起的拉應(yīng)力。在本項目的研究過程中，結(jié)合東江水源工程區(qū)的年氣溫、水溫變化情況和2000年至2004年隧洞通水運行狀況，采用三維有限元仿真分析了隧洞的施工和運行過程的襯砌混凝土的溫度和溫度應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律，分析可能產(chǎn)生裂縫的不利因素、不利部位和不利時段，分析溫度應(yīng)力對整體結(jié)構(gòu)安全性的影響，提出更有針對性的處理建議。

隧洞在2000年8月完成混凝土襯砌施工，12月通水運行。仿真計算表明，襯砌混凝土內(nèi)緣年內(nèi)溫度隨洞內(nèi)水溫作周期性變化，由于取水方式為河道表層取水，水溫年內(nèi)溫差較大，最大溫差為14～16℃，而其他部位混凝土的年內(nèi)溫差則隨著距內(nèi)緣的距離增大而逐步減?。灰r砌混凝土的年內(nèi)溫度應(yīng)力隨洞內(nèi)水溫作周期性變化，已有裂縫的縫寬度也隨洞內(nèi)水溫作周期性變化；沿著隧洞的同一橫斷面，作用于襯砌的最大水平方向溫度應(yīng)力發(fā)生于隧洞拱頂部內(nèi)緣（見圖1），最大垂直方向溫度應(yīng)力發(fā)生于隧洞邊墻起拱內(nèi)緣部位（見圖2），應(yīng)力超標(biāo)導(dǎo)致這些部位產(chǎn)生縱向裂縫?，F(xiàn)有運行條件下溫度應(yīng)力狀態(tài)的計算分析，與隧洞實際裂縫的產(chǎn)生時間、狀態(tài)與部位基本吻合，說明溫度應(yīng)力是導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生及發(fā)展的主要原因之一。由于通水初期冷擊造成的內(nèi)緣表面缺陷，在之后運行期周而復(fù)始的大溫差的作用下，導(dǎo)致裂縫的不斷擴展。

圖1 隧洞水平應(yīng)力分布（單位：0.01MPa）

圖2 隧洞垂直應(yīng)力分布

3.4 襯砌外水壓力分析[1]

地下水對隧洞襯砌的作用常被認為是作用在其外緣上的邊界荷載（面力），即外水壓力。當(dāng)隧洞襯砌與圍巖是相互貼合時，巖體和混凝土都是透水介質(zhì)，地下水向隧洞內(nèi)滲流，在圍巖和襯砌中形成滲透荷載，其形式為體積力[2]。當(dāng)襯砌與圍巖脫離時，地下水滲流荷載可簡化為作用于其邊界的外水壓力。滲流荷載與滲流場歷史有關(guān)。本文采用三維有限元程序ABAQUS計算模擬了施工、加固和運行的基本過程。典型洞段隧洞附近的有限元網(wǎng)格如圖3所示。計算分析得出的襯砌外緣孔隙水壓力隨各計算部位的變化情況見圖4。

由圖4可見，打排水孔使襯砌頂板、邊墻的外水壓力降低約50%；圍巖固結(jié)灌漿區(qū)與排水孔結(jié)合，對于襯砌外水形成“外堵內(nèi)排”效應(yīng)，襯砌外水壓力繼續(xù)降低，可降低約40%；計算剖面附近埋設(shè)滲壓計監(jiān)測到的襯砌外孔隙水壓力值與本文的計算值相差不到1m水頭，二者非常接近。

圖3 隧洞附近的有限元網(wǎng)格

圖4 襯砌外緣孔隙水壓力的變化

在圍巖與襯砌貼合的情況下，單純因滲透荷載引起襯砌拱頂、起拱線、邊墻內(nèi)側(cè)（圖5隧洞內(nèi)部）的拉應(yīng)力約0.3MPa，底板上側(cè)拉應(yīng)力約0.2MPa；若打設(shè)排水孔和圍巖灌漿，襯砌拉應(yīng)力減小約50%。在襯砌頂拱、邊墻與圍巖脫離的情況下，襯砌受力狀態(tài)惡化，拱頂、起拱線、邊墻拉應(yīng)力大于1.5MPa的范圍很多，見圖5，素混凝土將開裂。因此，外水壓力亦可能是襯砌混凝土裂縫的原因。

4 隧洞裂縫處理對策及分析

根據(jù)國內(nèi)外隧洞襯砌裂縫處理的成果經(jīng)驗，隧洞的襯砌裂縫處理，不是僅僅對襯砌裂縫進行灌漿封堵，達到補強和堵漏的效果；還需要根據(jù)襯砌裂縫的成因制定相應(yīng)的措施，采取經(jīng)濟合理的工程措施消除造成襯砌裂縫的內(nèi)外因素，做到“標(biāo)本兼治”。由于該工程為水源工程，必須采用安全、環(huán)保、無毒的處理手段，保證襯砌結(jié)構(gòu)和水質(zhì)安全。此外，裂縫處理受到每年停水檢修時間不超過1個月的限制，宜按照“分段修補、分期實施、經(jīng)濟合理、確保質(zhì)量”的原則開展。隧洞襯砌的所有縱向、環(huán)向滲漏裂縫都必須處理，但是縱向裂縫應(yīng)先行處理。建議采取以下處理措施：

（1）對襯砌脫空部位進行回填灌漿，對圍巖破碎洞段進行固結(jié)灌漿，使襯砌和圍巖聯(lián)合受力，從根本上改善隧洞襯砌受力條件，使裂縫發(fā)展趨于穩(wěn)定。回填灌漿以回填水泥砂漿為主，回填時，同一洞段左右邊墻應(yīng)均勻回填。

（2）保留現(xiàn)排水孔，外水壓力較高的洞段加密排水孔，使排水孔與圍巖灌漿聯(lián)合作用，對襯砌外水滲流形成“內(nèi)排外堵”，降低外水壓力。排水孔必須設(shè)置反濾，防止風(fēng)化圍巖因外水內(nèi)滲而流失，造成更大的襯砌與圍巖脫空。停水檢修時應(yīng)對檢查排水孔堵塞情況，及時疏通、更新反濾。

（3）對回填和固結(jié)灌漿后仍然滲漏的裂縫，進行化學(xué)灌漿柔性封堵和裂縫表面柔性覆蓋，避免裂縫持續(xù)滲漏泌鈣進一步降低混凝土性能。若采用剛性材料處理，溫度應(yīng)力會造成混凝土出現(xiàn)新的開裂。柔性處理措施可保證裂縫繼續(xù)隨溫度荷載張合而不滲漏。建議化學(xué)灌漿使用環(huán)保型聚氨酯復(fù)合漿材，裂縫表面柔性覆蓋采用聚脲彈性體噴涂。

（4）在采取上述措施后，如仍然存在持續(xù)發(fā)展的結(jié)構(gòu)裂縫，采用鋼板或碳纖維板對混凝土結(jié)構(gòu)進行補強加固。

（5）在采取上述措施的過程中，如果發(fā)現(xiàn)局部裂縫持續(xù)開裂并出現(xiàn)錯臺現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)搶修時限決定采取臨時加固或永久加固措施，臨時加固可采用內(nèi)襯套拱和施加橫向支撐，永久加固可在局部洞段增加錨桿。

5 結(jié)語

該引水工程隧洞襯砌裂縫是由多個原因引起，有自身質(zhì)量的原因，也有外部因素。隧洞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低、施工質(zhì)量較差，致使襯砌結(jié)構(gòu)承載能力低下。首次通水適逢低溫季節(jié)，襯砌遭受冷擊，出現(xiàn)早期溫度裂縫，運行期較大溫差導(dǎo)致溫度裂縫不斷延伸發(fā)展，裂縫導(dǎo)致外水滲漏入洞內(nèi)。襯砌上設(shè)置的排水孔未設(shè)置反濾，使風(fēng)化巖體隨外水內(nèi)滲而流失，加劇襯砌與圍巖脫空，使襯砌單獨承受外水壓力，使襯砌受力狀況惡化，出現(xiàn)大量縱向裂縫。

根據(jù)裂縫產(chǎn)生原因，提出回填灌漿、圍巖固結(jié)灌漿、施做排水孔、裂縫封堵與封閉等措施。需特別注意，施做排水孔必須設(shè)置反濾，裂縫封堵和封閉應(yīng)采用柔性材料。該引水工程停水檢修期短，專項檢測、修補加固項目，應(yīng)由有資質(zhì)的專業(yè)檢測機構(gòu)、專業(yè)化的修補加固單位承擔(dān)，才能及時發(fā)現(xiàn)問題，發(fā)現(xiàn)的問題得到有效處理，確保工程長期安全、穩(wěn)定供水。

[1]朱新民，胡平，崔煒，等.深圳市東江水源工程隧洞裂縫處理技術(shù)工藝咨詢[R].北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2011.

[2]張有天．巖石水力學(xué)與工程[M].北京：中國水利水電出版社，2005：251-260.