孫東遷（陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)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(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710018）

混凝土裂縫問(wèn)題是水工建筑物中普遍存在又難于解決的工程實(shí)際問(wèn)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(duì)子長(zhǎng)縣紅石峁水庫(kù)泄洪洞的裂縫成因進(jìn)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(huì)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(fèi)工費(fèi)時(shí)難度較大［1］。尤其在水庫(kù)工程中，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(zhǎng)期安全運(yùn)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(kù)位于子長(zhǎng)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(kù)建筑物等四部分組成，總庫(kù)容1847萬(wàn)m3。泄洪洞位于大壩右岸，洞身段全長(zhǎng)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(xiàn)主要穿越巖層為T(mén)3w及J2y2弱風(fēng)化砂、泥巖，圍巖厚度10m～17m，屬極不穩(wěn)定Ⅳ類(lèi)圍巖。洞身段采用全斷面襯砌，底板采用80cm厚HFC40粉煤灰高強(qiáng)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(kāi)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(shí)12個(gè)月。2013年4月2日開(kāi)始回填灌漿，4月19日結(jié)束，歷時(shí)18天。灌漿壓力為0.4Mpa，漿液水泥配合比1kg/L。4月22日開(kāi)始進(jìn)行固結(jié)灌漿，6月4日結(jié)束，歷時(shí) 1.5個(gè)月。灌漿壓力為0.4Mpa，漿液水泥配合比0.3kg/L，一般情況下進(jìn)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(duì)裂縫采用塞尺進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，觀(guān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)觀(guān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)泄洪洞側(cè)壁及頂拱裂縫共計(jì)44條，37個(gè)澆筑段除1和34澆筑段沒(méi)有裂縫外，其余基本每個(gè)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(gè)襯砌段的4m～6m之間。通過(guò)不同時(shí)段對(duì)裂縫進(jìn)行觀(guān)測(cè)，進(jìn)行對(duì)比后，裂縫變化不大，但總的來(lái)說(shuō)，3月15日隨著氣溫的回升，裂縫較12月裂縫小。

表1　　不同時(shí)段泄洪洞裂縫觀(guān)測(cè)對(duì)比統(tǒng)計(jì)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(wèn)題引起的裂縫，有外荷載作用引起的裂縫、有養(yǎng)護(hù)環(huán)境不當(dāng)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(duì)泄洪洞裂縫進(jìn)行分析。

3.1裂縫與施工時(shí)間的關(guān)系

根據(jù)施工單位提供每個(gè)澆筑段的施工日期進(jìn)行對(duì)比，詳見(jiàn)表2。

表2　　施工時(shí)間與裂縫情況對(duì)比表

從上表可以看出，裂縫多發(fā)生在7、8、9三個(gè)月，且這幾個(gè)月裂縫寬度與條數(shù)明顯大于其他幾個(gè)月。因此可以看出泄洪洞裂縫與施工時(shí)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(shí)平均溫度約為20℃左右，加之混凝土澆筑過(guò)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(dá)到零度以下，澆筑時(shí)與冬季溫差大于30℃。在設(shè)計(jì)時(shí)，洞身結(jié)構(gòu)計(jì)算采用斷面法計(jì)算，未考慮縱向溫度應(yīng)力變化，加之施工時(shí)未進(jìn)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(lèi)砂巖，有7塊，其中裂縫9條，平均每塊1.3條；洞身為Ⅳ類(lèi)泥巖，有19塊，裂縫25條，平均每塊1.3條；洞身為Ⅳ類(lèi)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(shí)進(jìn)行回填灌漿，混凝土干縮時(shí)無(wú)基巖進(jìn)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(jìn)行，固結(jié)灌漿和回填灌漿在2013年4月～6月進(jìn)行，時(shí)間相隔5個(gè)月至1年時(shí)間，時(shí)間相差較大，其裂縫原因與支護(hù)后未及時(shí)灌漿有一定關(guān)系。

3.4設(shè)計(jì)分縫原因

在設(shè)計(jì)中按照規(guī)范設(shè)計(jì)分縫一般采用10m，在32、33兩個(gè)澆筑段中分縫采用7m，在此兩個(gè)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(jì)分縫10m太長(zhǎng)關(guān)系不大。

3.5同類(lèi)工程類(lèi)比

經(jīng)過(guò)調(diào)查，在目前已成的與該水庫(kù)地質(zhì)條件相近、施工工藝相同的陜北幾座水庫(kù)的泄洪洞和輸水隧洞也出現(xiàn)裂縫問(wèn)題，經(jīng)過(guò)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(hù)不及時(shí)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(gè)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(gè)性問(wèn)題的可能性。

通過(guò)以上分析認(rèn)為，泄洪洞裂縫成因可能主要有以下幾個(gè)方面因素：

（1）裂縫與混凝土澆筑時(shí)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(shí)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(hù)不及時(shí)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(qiáng)耐久性的修補(bǔ)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(lái)隧洞施工工藝的提高以及一些新型防水材料的出現(xiàn)，對(duì)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(duì)縫寬小于0.2mm的裂縫和混凝土抗?jié)B性能較差的洞段，進(jìn)行噴涂封閉處理。（2）表面貼補(bǔ)：表面貼補(bǔ)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(dá)到封閉裂縫防滲堵漏的目的。（3）鑿槽嵌補(bǔ)：鑿槽嵌補(bǔ)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(bǔ)：噴漿修補(bǔ)是在裂縫部位并以鑿毛處理的混凝土表面，噴射一層密實(shí)而強(qiáng)度高的水泥砂漿保護(hù)層，達(dá)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(jìn)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(kāi)度及施工條件等具體情況選定。對(duì)于開(kāi)度大于0.3mm的裂縫，一般可采用水泥灌漿；對(duì)于開(kāi)度小于0.3mm的裂縫，宜采用化學(xué)灌漿；對(duì)于滲透流速較大或受溫度影響的裂縫，則不論其開(kāi)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(duì)泄洪洞裂縫寬度小于0.2mm不需進(jìn)行處理，大于0.25mm的進(jìn)行如下處理。（1）對(duì)縫寬b≤0.25mm，且不滲水的裂縫不處理。（2）對(duì)縫寬0.25mm＜b＜0.5mm，且不滲水的裂縫用表面涂抹的方式進(jìn)行表面封閉處理。（3）對(duì)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(shí)機(jī)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(shí)間選擇在年最低氣溫時(shí)段1～2月份進(jìn)行處理。

4.3泄洪洞裂縫處理施工工藝

（1）對(duì)縫寬0.25mm＜b＜0.5mm，且不滲水的裂縫用表面涂抹進(jìn)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(qiáng)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(duì)裂縫周?chē)捎猛磕ú牧线M(jìn)行涂抹，一般至少涂抹3次～4次，涂抹厚度要均勻、密實(shí)、平整，寬度為4cm～6cm，厚度為2mm～3mm，涂抹之后待凝12h。

（2）對(duì)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?chē)_(kāi)寬度小于0.5mm，深度小于1cm的馬蹄形凹槽，防止壓力灌漿時(shí)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(guò)裂縫（根據(jù)裂縫滲水點(diǎn)位置自行調(diào)整），灌漿管埋深10cm～15cm，外露長(zhǎng)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?chē)?，使裂縫處于密閉狀態(tài)，涂抹厚度要均勻、密實(shí)、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(guò)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(guò)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(guò)上述措施處理后，加強(qiáng)裂縫觀(guān)測(cè)，對(duì)局部載荷裂縫或繼續(xù)有發(fā)展的裂縫，進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)加固。

5　結(jié)語(yǔ)

紅石峁水庫(kù)泄洪洞裂縫采用化學(xué)灌漿和表面涂抹工藝進(jìn)行處理，其處理效果仍待后期運(yùn)行檢驗(yàn)。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)裂縫的觀(guān)測(cè)，監(jiān)控裂縫發(fā)展趨勢(shì)，分析監(jiān)測(cè)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(duì)混凝土裂縫進(jìn)行認(rèn)真研究、區(qū)別對(duì)待，采用合理的方法進(jìn)行處理，并在設(shè)計(jì)施工中采取各種有效的預(yù)防措施來(lái)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(yùn)行。陜西水利

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

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（責(zé)任編輯：唐紅云）

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