隧洞砼衬砌裂缝成因分析、预防措施及处理方法

隧洞砼衬砌裂缝成因分析、预防措施及处理方法曾晓燕贾进（四川广播电视大学成都610031）摘要：引水隧洞在水电建设中常有的项目，砼衬砌后产生裂缝比较普遍，产生裂缝常伴有渗水现象的出现，严重破坏砼结构安全并直接影响隧洞的使用寿命。处理时费工费时，增加成本投入，并影响工期。因此,在施工过程中应采取适当的措施,预防混凝土裂缝的产生。关键词：引水隧洞砼衬砌裂缝预防措施处理方法前言在隧道施工过程中，砼衬砌产生的裂缝是不可逆的,特别是有抗渗要求的隧道工程，不仅影响混凝土的抗渗性,引起钢筋的锈蚀减小混凝土的耐久性，同时处理起来耗费大量的人力、物力和财力，还会耽误工期，特别是对于透水性很强的砂砾石软岩条件下运行的隧洞,危害性更大。因此，必须采取有效的工艺措施和养护措施来控制和减少混凝土中裂缝的数量和宽度。本文以四川盐源县永宁河四级电站引水隧洞为例，及时准确地判断裂缝产生的原因，根据施工经验提出了混凝土裂缝的预防措施和处理方法，对工程质量有重要意义。一、工程概况永宁河四级电站的引水隧洞总长8007.826m，过水断面为城门洞和圆形，过水断面b=3.4～4.0m，1#-4＃洞开挖断面为城门洞形状，顶拱半径2.263m、直墙3.37m、底宽4.0m，采用钢筋砼砌筑。隧洞于2012年4月19日开始在1#洞桩号0+850.7段浇筑边顶拱施工，砼浇筑段为12m一个仓位，浇筑时采用钢拱架配合钢模板拼装而成为一个仓位。砼的设计标号C25，采用二级配泵送砼，骨料为天然河卵石和河砂。设计Ⅲ类围岩仓位环向单层钢筋Φ14@200，纵向钢筋¢10@200；Ⅳ类围岩仓位环向单层钢筋Φ16@200，纵向钢筋¢10@200；Ⅴ类围岩仓位环向双层钢筋Φ16@200，纵向钢筋¢10@200；钢筋保护层均为3cm。区域内出露地层主要为四迭系上统杨家坪组玄武岩和黑泥哨组砂岩、炭质泥岩、泥质灰岩。工程区内地质基本烈度为Ⅶ度。二、裂缝分布形式引水隧道施工经历夏、秋、冬三季，裂缝一般在砼浇筑完成后10天左右产生，开裂的部位一般出现在Ⅳ、Ⅴ类围岩地段，规律性较强，绝大部分都是在砼仓位中间部位产生不规则开裂，开裂的形式环向全断面开裂或局部环向（横向一周）开裂，并伴有水渗出；在夹泥层及碳质泥岩出水地带，少部分裂缝有水平裂缝，并伴有水渗出。三、裂缝成因分析1、原材料首先在骨料场将中石和小石分开筛分，分类堆放，骨料是经过筛分的连续级配的河卵石，砂为经过河水冲洗的河砂。浇筑使用时，河砂用清水重新冲洗后遭再拌制，不含有能与水泥活性物发生碱骨料反应的成分，因此，工地所用的骨料不会导致裂缝。2、砼的配比施工所用砼的配合比为实验室出具的配比，水泥掺量409kg/m³，符合泵送要求，水泥为石林P.O.42.5水泥，经厂家检测：水泥强度、安定性等方面是稳定良好的，取样检测结果全部合格。现场有关单位进行的回弹仪无损检测也得到了理想结果。分析砼裂缝形状、规律、时间及水泥掺量大小：①因砼为泵送砼，在拌制成品时，为了施工方便，水灰比及砼的坍落度相对增大，砼产生了一定的干缩裂缝，这是造成开裂的原因之一。②由于水泥的掺量偏大，砼水化反应较强，砼在凝固之前，因失水较快而产生塑性收缩裂缝。3、砼浇筑方式在施工中各作业面都设置有自己的拌合站，采用砼搅拌车运输，运距最大在1km之内，到现场采用砼泵输送到仓内，每个仓位的施工缝均设有橡胶止水。从浇筑时间间隔和浇注方式对照进行分析，砼的浇注时间和浇筑方式对裂缝没有直接影响关系。4、洞室的基本恒温对施工有利从浇筑时温测结果看，洞内温度除受季节产生的缓慢变化影响外，无骤降变化，一定时段内基本处于恒温状态，温度基本上在11°-18°之间，在11月以后，也在8°-10°之间，洞内稳定的温度对砼的施工是有利的，不会对砼衬砌裂缝产生影响。5、砼养生条件及拆模时间每浇筑一仓砼后，均采用喷雾器均匀喷洒在砼表面进行润湿养护，养护用水为洞内水，每班派专人进行全天全段养护。严格按照规范上要求的时间进行拆模，防止因拆模时间过早对成型的砼造成伤害。上述所有条件对砼构成了良好的养护和保护。6、隧洞地质原因的影响由于浇筑围岩较破碎，岩型不均，构造较复杂，节理发育，开裂的部位基本上在Ⅳ、Ⅴ类围岩地段，并伴有地下水的渗出（流出），尤其是在软弱地质地带更为严重。原设计隧洞内的衬砌的砼为薄壁砼，且没有设计排水系统，衬砌完毕后，地下水无法排除，侧压力相对增大，不良地带水及岩石的侧压力大于设计厚度砼承受的极限压力而产生拉裂。因此，不良地带也是产生裂缝的原因之一。7、浇筑温度砼所用水泥库存在室内，温度一般18℃-33℃之间，骨料经过水冲洗降温，温度控制在18℃-21℃之间，最高温度不超过25℃。砼出机温度控制在20℃-30℃之间，仓面砼温度21℃-29℃左右。按相应的规范和施工情况，计算了浇筑砼块温度应力，结果表明砼块体的温度应力处于临界状态，这也是导致隧道衬砌砼产生裂缝的重要原因之一。8、隧洞超挖、配筋相对小、分段长等综合因素分析从开挖断面看，Ⅳ、Ⅴ类围岩破碎，自稳性能差，开挖后经常有掉块和塌落现象，超挖部位多，超挖严重，原设计砼衬砌厚度40cm-50cm，但底角及部分边墙部位两侧实际平均开挖深达到90cm，最深的部位达到130cm。顶拱平均深度在90-120cm，均远远超出砼衬砌设计厚度范围。原设计的钢筋是按40cm、50cm厚的砼结构进行设计的，超挖产生后，造成设计厚度以外的砼出现无配筋的情况，一旦产生内应力，无配筋的部位无受力筋，完全由砼来承担内应力，大大增加了裂缝产生的机率。由于超挖，致使砼的浇筑厚度加大，应力重新分布，原设计的钢筋型号就不能满足要求，偏小，钢筋的分布也较不合理，砼衬砌的受力明显增加，产生裂缝。原设计40cm、50cm厚度砼浇筑分仓长度为12m，浇筑厚度的改变，导致长宽比不均匀，应力分布也发生变化。在检查中发现大多裂缝是产生在每仓砼的中间部位，这正好说明了，砼浇注厚度发生改变后，浇筑段的长宽比不适应，产生了裂缝。四、裂缝的预防措施（一）首先对砼的配比做了调整在砼的配合比中掺加粉煤灰和泵送剂，降低水泥用量，减少水化反应，严格控制砼坍落度和水灰比，各种原材料严格进行计量。按调整后的配合比进行隧洞砼衬砌浇筑后，效果较为明显。但是，砼加入粉煤灰后，后期的强度增长较慢，经过一定时间后，砼的强度才能满足设计的要求。（二）在施工工艺上调整采用先浇筑底板后浇筑边顶的施工方式，并在边墙和底板的接触部位设置一道膨胀止水；对超挖较大的仓位，加大钢筋用量：将原设计的Φ16的双层钢筋改为Φ20的双层钢筋；对出水量较大的仓位设置集中排水孔，将水排至仓外，待砼到达一定要求后，再集中堵漏处理。（三）在常规操作中调整加强粗细骨料的降温工作和清洗工作，尽可能将砼出机和入仓的温度控制在最佳范围内。根据骨料含水量调整配合比，并减少砼垂直和水平运输中浆液的流失，防止砼坍落度和配比的变化；加强砼的养护工作，保证砼拌制准确及振捣密实性。五、裂缝处理方法根据裂缝的发展状况和趋势，分两步进行：首先砼浇筑后进行回填和固结灌浆；随后对灌浆后仍有渗水的地段采用化学灌浆。（一）隧洞回填及固结灌浆1、回填灌浆施工工艺孔位的布置：隧洞顶部进行回填灌浆，灌浆空位分为两序进行。Ⅰ序孔沿洞轴线每8m布置一排，每排3孔，正顶上布置一孔，左右按照偏转50°布置两孔，Ⅱ序孔在Ⅰ序孔的中间布置。Ⅰ序孔等全段第一次灌浆结束7d以后进行二次复灌，施工程序按照Ⅰ序孔的程序进行，7d后复灌，可使浆液经过较长时间的沉积析水和凝固收缩腾出更多的空隙。灌浆的方法：打开各孔位阀门，从较低地势的一端第一排上的三个空位同时进浆。当灌至第二排的三个孔或始终只有一孔出浆浓度接近或者达到注浆浓度时，同时进行第二排孔灌浆。采用水泥砂浆进行灌浆，砂浆28天后的结石强度不低于水泥标号，水灰比为1:0.6。灌浆压力：Ⅰ序孔的初次灌浆控制为0.1Mpa，Ⅱ序孔的灌浆和复灌压力控制在0.2～0.3Mpa控制，压力达到后20～30min不再吃浆即停止灌桨。2、固结灌浆施工工艺孔位的布置：隧洞Ⅳ、Ⅴ围岩进行固结灌浆，孔位按圆拱段径向中心30°的角布置。对裂隙型破碎带固结灌浆，深入岩石的深度为4m，孔距为3m；破碎、垮塌较多的地段，深入深度为6m，孔距加密到2m。灌浆的方法：将灌浆孔按环向分成0～2m、2～4m的Ⅰ、Ⅱ两序孔，分别按环向、逐层深入、逐步加密的程序进行施工。每排孔位，除个别吃浆量大的需单独灌浆外，可将3孔一起并联灌浆，每排孔位的灌浆实行对称分布、多孔灌浆。砂浆由稀变浓，水灰比分别按5:1、2:1、1:1、0.8:1、0.5:1。灌浆压力：Ⅰ序孔的初次灌浆控制为1Mpa，Ⅱ序孔的灌浆压力控制为2.5Mpa。（二）裂缝的化学灌浆处理1、堵漏材料的选用本工程选用的材料是单液型聚氨酯疏水性发泡剂材料。特性：与任何水混合、与水接触立刻起化学反应而膨胀、对基材黏着力强、韧性佳、抗化学性佳、与饮用水接触区域可使用，具有环保效果。2、高压灌浆设备的选用选用F612高压灌浆机，有超高压力不需要压源，施工快速。机身仅重5kg，携带省力移动方便，结构设计科学简易，不需要特殊训练即可维修。可在3-6秒提升至4500psi（300kg/cm²）以上工作压力，将液体的止水剂可有效灌注至0.1mm的细微裂缝中，施工效率较传统技术快三倍以上，防水止漏效果更为持久有效。3、化学灌浆施工（1）结构龟裂漏水①布孔：孔位在裂缝左右两侧梅花形布置，孔距25cm-30cm。②钻孔：使用电锤等钻孔工具沿裂缝两则进行钻孔，钻头直径为14mm，在裂缝最低处5cm-10cm左右处，由低处往高处，倾斜钻孔，深度为结构体厚度一半。③洗孔清缝：用高压清洗机以6MPa的压力向灌浆嘴内注入洁净水，观察出水点情况，并将缝内粉尘清洗干净。④埋嘴：在钻好的孔内安装止水针头，止水针头与砼面夹角30°-45°之间，穿过结构体厚度的一半，由于结构体龟裂呈不规则状，故须特别注意钻孔时与破裂面交叉，注射效果才最佳。针头后带膨胀橡胶，并用专用内六角扳手拧紧，使灌浆嘴周围与钻孔之间无空隙，不漏水。⑤灌浆：选用F612高压灌浆机向灌浆孔内灌注单液型聚氨酯疏水性发泡剂。由下向上逐一连续进行，保持压力3-5分钟，注射液从结构体表面渗出时，结束灌浆。灌浆后仍出现渗水，再用亲水发泡剂补灌。⑥封孔：灌注结束后待灌浆材料凝固后，拆除孔口管，磨平灌浆嘴，用环氧胶泥对孔口进行封孔。⑦防水处理：用聚氨酯类防水材料将化学灌浆部分涂三遍（底涂、中涂、面涂）以作表面防水处理。具体施工工艺见下图一、图二。工艺图一工艺图二（2）蜂巢漏水①布孔与钻孔：在蜂巢的范围处，每隔25cm-30cm钻一孔，深度为结构体厚度的2/3为宜。②洗孔清缝：用高压清洗机以6MPa的压力向灌浆嘴内注入洁净水，观察出水点情况，并将缝内粉尘清洗干净。③埋嘴：在钻好的孔内安装止水针头，止水针头的底部穿过砼，伸入至蜂巢的空腔内，并加以旋紧固定。④灌浆：选用F612高压灌浆机向灌浆孔内灌注单液型聚氨酯疏水性发泡剂，注射液从结构体表面渗出时，再注入单液型疏水性止漏材料。⑤封孔：灌注结束后待灌浆材料凝固后，拆除孔口管，磨平灌浆嘴，用环氧胶泥对孔口进行封孔。⑥防水处理：用聚氨酯类防水材料将化学灌浆部分涂三遍（底涂、中涂、面涂）以作表面防水处理。具体施工工艺见下图一、图二。工艺图三工艺图四六、预防隧洞砼衬砌裂缝的几点建议本工程砼衬砌产生裂缝得到了较好的控制和补救。但是，砼产生裂缝的原因较多，由于各工程所处地理环境不同，原因也不尽相同，需结合实践探索总结，才能更有效预防裂缝，取得更好的施工质量和经济效益。针对隧洞衬砌施工过程裂缝的控制，提出以下几点建议：1、隧洞分仓长度建议8-10m为宜。2、特殊的地域可在砼中掺入粉煤灰。3、隧洞采用光面爆破开挖，严格控制超挖，对底部超挖严重部位采取浇筑砼基础垫层，墙体超挖严重部位建议增加钢筋用量或加粗钢筋。4、在隧洞衬砌施工中，建议设置引排水管，将岩体内部的水引排出结构面外，减小岩体及水对砼产生的侧压。参考文献[1]DL/T5148-2001水工建筑物水泥灌浆施工技术规范。[2]TJ10-74，钢筋混凝土结构