输水隧洞二次衬砌混凝土裂缝产生原因和控制措施

肖海晖

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

随着经济的发展和技术的进步，特别是国家对基础设施建设的高度重视，我国对各类隧洞的建设取得了长足的进步。在水利工程隧洞施工中，开挖作业完毕后根据围岩揭露情况要进行喷锚支护或拱架喷锚支护，以确保施工安全，称为一次支护。隧洞收敛变形稳定后要进行混凝土衬砌作业，称为二次衬砌混凝土。二次衬砌混凝土的质量至关重要，二次衬砌混凝土既起到隧洞输水运行的承载，又起到外水内渗和内水外渗的屏蔽作用。二次衬砌混凝土是隧洞渗漏水的屏障，是隧洞安全运行的关键，是工程建设的重要环节，直接关系到工程的运行和使用寿命。

1 二次衬砌混凝土的开裂形式

水利工程隧洞二次衬砌的混凝土施工过程中，会在混凝土表面及内部产生各种各样裂缝。在表面会产生环向裂缝、纵向裂缝、斜向裂缝，严重的会形成贯通裂缝。贯通裂缝的存在通常会使混凝土内部的钢筋发生腐蚀现象，降低钢筋混凝土的承载能力、抗渗能力，影响二次衬砌混凝土的耐久性，进而影响隧洞的使用寿命。因此，水利工程隧洞二次衬砌的混凝土施工过程中要尽量避免裂缝的产生，尽量减少裂缝的数量和宽度，避免宽大裂缝的出现。对宽大的裂缝要修补处理，保证工程质量和使用寿命。

2 二次衬砌混凝土裂缝形成原因分析

二次衬砌混凝土裂缝产生的原因是多种多样的，有施工原材料质量方面的原因、有设计合理性方面的原因、有施工过程中工序质量控制的原因等，但主要是施工过程中工序质量控制和施工原材料质量而造成的，根据现场施工资料统计，由于施工过程中工序质量控制因素造成混凝土早期裂缝的大约占80%多，因混凝土原材料质量原因造成混凝土早期裂缝的大约占15%左右。因此在工程建设中应尽量采取有效措施控制混凝土早期裂缝产生。

2．1 材料的影响

混凝土是一种由砂、石、水泥、水、粉煤灰及其他胶凝材料、外加剂组成的非均质材料。①水泥的影响：水泥品种对混凝土裂缝的产生有很大影响，水利隧洞要尽量避免使用C3A（铝酸三钙）大和细度大、需水量比大的水泥。水泥细度越大，用水量越大，水泥水化反映越快，容易引起混凝土干燥收缩变形越大，产生较大的张力，混凝土越容易开裂。②骨料的影响：骨料级配不好和骨料粒径过小、针片含量和超逊径过大，会使混凝土收缩变形增大从而导致裂缝；骨料含泥量越大和泥块含量，严重阻碍了骨料与砂浆间的黏结，致使混凝土强度降低，特别是混凝土的劈裂抗拉强度和混凝土与岩石的粘结强度，在相同条件下，骨料含泥量大和有泥块含量的混凝土更容易开裂和出现蜂窝现象。③配合比的影响：水泥及胶凝材料用量过大、水灰比太大、骨料级配不佳及选用的外加剂与水泥适应性不好等配合比设计不当，这将直接影响混凝土的抗拉强度，在相同应变情况下混凝土越容易开裂。试验资料显示：水泥用量不变，用水量增加10%，混凝土强度降低20%，混凝土与钢筋黏结力降低10%；水量不变，水泥增加10%，混凝土收缩增加5%。

2.2 施工过程中的原因

施工中过分振捣、过早拆模、现场养护不当都是施工过程中诱使混凝土产生裂缝的环节。①过分振捣导致粗骨料沉落，砂浆上浮，形成泌水，造成混凝土表面和内部的不均匀，在凝固过程中表面有较大的收缩，水分蒸发后容易形成凝缩裂缝。②混凝土面不及时养护，表面水分迅速蒸发，产生收缩，发生裂缝。③在施工过程中，混凝土还没有达到拆模的强度就拆模了，过早拆模会使顶拱的混凝土产生内伤或断裂，产生裂缝。一般混凝土的拆模时间为其强度的70%。④混凝土拌和计量不准确，变相地改变了设计配合比，形成不恰当间断级配，从而诱发裂缝产生。

3 二次衬砌混凝土裂缝控制措施

3.1 施工材料上的控制措施

①水泥质量的影响及控制：细度较大和比表面积较大的水泥，水泥容易产生裂缝，尽量使用细度和比表面积较小的水泥。在施工中一般采用中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥，为了降低水化热，尽量采取早期水化热低的水泥，降低水泥熟料中铝酸三钙和硅酸三钙的含量，选择适宜的矿物组成和水泥。②骨料质量的影响及控制：粗骨料级配越差，孔隙率越大，表面积越大，单方混凝土的胶凝材料用量和需水量比就越大，从而导致水化热增加，裂缝增加和增多；细骨料质量的影响：级配较差的粗纱或细沙，其空隙率较大，表面积较大，单方混凝土水泥用量和需水量就较大，从而导致水化热较大和裂缝增加；所以，在使用中应严格控制粗骨料和细骨料的颗粒级配、空隙率、含泥量，降低混凝土收缩变形产生裂缝。③掺和料的控制：由于粉煤灰是混凝土中主要的活性骨料，可以与水泥进行二次反应，可以减少水泥用量，降低混凝土的水化热并提高混凝土和易性及后期强度。粉煤灰细度越大，参加二次水化反应的界面就会相应增加，在混凝土中满足各项指标的同时，尽量达到优选的粉煤灰掺量，使混凝土更加致密，收缩量减少，混凝土的裂缝也会减少，并增加混凝土的后期强度，在实际施工中要根据实际情况试验确定粉煤灰的用量，一般为胶凝材料掺量的15%～25%。④优化配合比：水利隧洞工程对混凝土的抗渗性十分重视，一般来说，单位体积混凝土的水泥用量越大，其强度和抗渗性也越高。在保证混凝土耐久性指标和强度的前提下，尽量减少每方混凝土的水泥用量。所以工程上对混凝土的强度和抗渗性都通过试验进行严格控制，为提高混凝土的耐久性及其他指标，尽可能的添加活性材料，减少水泥用量和选择优良的高性能减水剂，在混凝土中满足强度及耐久性各项指标的同时，降低成本，减少水化热、减少混凝土裂缝等负面影响。

3.2 施工过程中的控制措施

①优化施工方案：依据施工环境制定适宜的施工方案，根据设计图纸的仓面分缝施工。根据模板台车的尺寸和超欠挖统计确定每次浇筑的混凝土量，合理配置浇筑时间、运输及振捣方式等。在施工阶段混凝土要有合适的配合比，配合比不仅要满足设计和强度的要求、还要考虑防止裂缝的要求，在满足设计强度的原则下，尽可能减少水泥的用量。②钢筋模板安装：钢筋的制作安装要规范，架立筋要牢固，以免浇注时钢筋移位变形。钢筋的氧化皮和污物要清除，以免影响和混凝土的胶结力。模板拼装要严丝合缝、位置准确、牢固，模板表面要清理干净，在浇注前要保持表面湿润。严禁模板变形位移而跑模，影响混凝土外观质量。③浇筑：浇筑过程要左右对称连续浇筑，杜绝冷缝，振捣要科学合理，严禁过振、漏振。浇注过程中的间歇会出现混凝土力学性状的不连续，在隧洞运行期这种不连续可能会发展成水平裂缝。过振会使混凝土骨料发生分离现象，振捣不足会使混凝土的密实度不足，影响混泥土的强度指标。④拆模和养护：拆模时间要根据现场同环境试块的压制强度卡准确，严格执行规范标准。保证混凝土达到强度后拆模以及拆模后足够养护时间。⑤加强一次支护：隧洞开挖过程中要根据实际揭露的地质条件，及时调整开挖作业的方法和支护型式。防止隧洞开挖过程对围岩有较大扰动，加强一次支护。塌方区域和不良地质区域一次支护后要提前灌浆处理，避免隧洞二次衬砌后承受巨大的松散压力和变形压力，以免在运行期产生裂缝。在软岩地段做好隧洞仰拱，处理好衬砌基底，搞好防排水，避免使用期衬砌基底遇水软化造成隧洞衬砌隅角内移。

4 结束语

隧洞在建设中实际揭露的工程地质环境各种各样，隧洞在使用过程中二次衬砌混凝土结构所受的围岩外力也各种各样。围岩整体下沉产生竖向荷载，节理构造斜向滑动产生的偏压载荷，仰拱基础软化产生的隅角内移变形。各种载荷共同作用于二次衬砌混凝土结构，随着时间的推移容易使混凝土内的原有裂缝逐渐扩大，在严重的情况下，会使二次衬砌混凝土的应力增大到其强度极限，发生新的裂缝。可见，施工阶段是隧洞衬砌裂缝控制的主要阶段，在施工阶段有效的控制住了二次衬砌混凝土结构的细小裂缝，在工程运行阶段二次衬砌混凝土结构开裂的可能性就大大地减小了。因此，我们在施工中要优化施工方案，加强施工管理，深化施工过程控制，减小隧洞二次衬砌混凝土各种裂缝的产生，确保隧洞的安全运行。