隧洞衬砌裂缝成因分析及处理措施研究

孙东迁（陕西水环境工程勘测设计研究院　陕西　西安　710018）

隧洞衬砌裂缝成因分析及处理措施研究

孙东迁
（陕西水环境工程勘测设计研究院陕西西安710018）

混凝土裂缝问题是水工建筑物中普遍存在又难于解决的工程实际问题，而隧洞混凝土裂缝成因更为复杂，往往是多种因素联合作用的结果。本文对子长县红石峁水库泄洪洞的裂缝成因进行分析并提出处理措施。

隧洞；混凝土裂缝；裂缝成因；处理措施

引言

隧洞衬砌混凝土产生的裂缝不仅会破坏混凝土结构，影响隧洞的使用寿命，而且处理裂缝费工费时难度较大［1］。尤其在水库工程中，高速水流或内外水压力使裂缝进一步恶化，易造成混凝土钙质析出，钢筋锈蚀，直接威胁隧洞的长期安全运行。因此，分析隧洞裂缝成因并研究相应的处理措施具有重要的意义。

1　工程背景

红石峁水库位于子长县城西北约7.5km处的红石峁沟口，枢纽工程由大坝、泄洪洞、输水建筑物、充库建筑物等四部分组成，总库容1847万m3。泄洪洞位于大坝右岸，洞身段全长384m，断面为圆拱直墙型，断面尺寸为B×H=4.5m×5.8m。泄洪洞洞线主要穿越岩层为T3w及J2y2弱风化砂、泥岩，围岩厚度10m～17m，属极不稳定Ⅳ类围岩。洞身段采用全断面衬砌，底板采用80cm厚HFC40粉煤灰高强钢筋混凝土衬砌，侧墙及顶拱采用60m～80cm厚C30钢筋混凝土衬砌，每隔7.5m～10m设置一条环向变形缝。洞身钢筋采用双层钢筋网片，主受力筋为φ22，构造筋采用φ12，钢筋间距200mm。

2　隧洞裂缝初步调查情况

泄洪洞从2011年11月开始施工至2012年3月底全部贯通，同年11月洞身完成混凝土浇筑，历时12个月。2013年4月2日开始回填灌浆，4月19日结束，历时18天。灌浆压力为0.4Mpa，浆液水泥配合比1kg/L。4月22日开始进行固结灌浆，6月4日结束，历时 1.5个月。灌浆压力为0.4Mpa，浆液水泥配合比0.3kg/L，一般情况下进出口段吃浆量较大，中间段较少。根据孔序不同，一般二序孔吃浆量少。

2014年11月例行检查中发现泄洪洞衬砌裂缝，为分析其成因及提出处理措施，分别于12月15日，22日和翌年3月5日对裂缝采用塞尺进行现场测量，观测结果见表1。

通过观测统计，发现泄洪洞侧壁及顶拱裂缝共计44条，37个浇筑段除1和34浇筑段没有裂缝外，其余基本每个浇筑段均有裂缝，缝宽0.1mm～1.8mm不等，形状除单侧裂缝6条和双侧裂缝4条以外，其余均为环向裂缝。裂缝一般发生在每个衬砌段的4m～6m之间。通过不同时段对裂缝进行观测，进行对比后，裂缝变化不大，但总的来说，3月15日随着气温的回升，裂缝较12月裂缝小。

表1　　不同时段泄洪洞裂缝观测对比统计表

3　裂缝成因分析

引起混凝土产生裂缝的原因很多，有变形引起的裂缝：如温度变化、不均匀沉陷等问题引起的裂缝，有外荷载作用引起的裂缝、有养护环境不当和化学作用引起的裂缝等。下面从温度、地质情况及施工工艺等多方面对泄洪洞裂缝进行分析。

3.1裂缝与施工时间的关系

根据施工单位提供每个浇筑段的施工日期进行对比，详见表2。

表2　　施工时间与裂缝情况对比表

从上表可以看出，裂缝多发生在7、8、9三个月，且这几个月裂缝宽度与条数明显大于其他几个月。因此可以看出泄洪洞裂缝与施工时间有关系，且随着温度变化裂缝宽度也发生变化。由于施工时平均温度约为20℃左右，加之混凝土浇筑过程中水化热温度，造成混凝土浇筑完成后内部温度较高，而在冬季，洞内温度达到零度以下，浇筑时与冬季温差大于30℃。在设计时，洞身结构计算采用断面法计算，未考虑纵向温度应力变化，加之施工时未进行温度控制措施，因此温度应力是造成泄洪洞裂缝的主要因素。

3.2裂缝与地质的关系

洞身为Ⅳ类砂岩，有7块，其中裂缝9条，平均每块1.3条；洞身为Ⅳ类泥岩，有19块，裂缝25条，平均每块1.3条；洞身为Ⅳ类砂岩、泥岩互层，有7块，裂缝8条，平均每块1.1条，明挖段4块，裂缝2条，裂缝较小。从以上可以看出，裂缝与施工方式有关，与地质情况也有一定关系。

3.3裂缝与施工工艺关系

隧洞混凝土浇筑采用泵送混凝土，其水灰比比较大，容易产生混凝土干缩裂缝，加之衬砌完成后未及时进行回填灌浆，混凝土干缩时无基岩进行约束，因此易造成混凝土拉裂。泄洪洞混凝土浇筑在2012年6月～11月进行，固结灌浆和回填灌浆在2013年4月～6月进行，时间相隔5个月至1年时间，时间相差较大，其裂缝原因与支护后未及时灌浆有一定关系。

3.4设计分缝原因

在设计中按照规范设计分缝一般采用10m，在32、33两个浇筑段中分缝采用7m，在此两个浇筑段中均存在环向缝，与10m分缝基本相同，因此泄洪洞裂缝与设计分缝10m太长关系不大。

3.5同类工程类比

经过调查，在目前已成的与该水库地质条件相近、施工工艺相同的陕北几座水库的泄洪洞和输水隧洞也出现裂缝问题，经过调查裂缝的发生由温度应力、水泥用量偏大和后期养护不及时等多种综合因素造成。

3.6泄洪洞裂缝成因分析结果

由于泄洪洞裂缝发生的比较有规律，一般发生在每个浇筑块的4m～6m位置，仅有极少数发生在3.5m～3.7m位置，因此可以排除操作误差和个性问题的可能性。

通过以上分析认为，泄洪洞裂缝成因可能主要有以下几个方面因素：

（1）裂缝与混凝土浇筑时段有关，夏季施工裂缝较多，冬季施工裂缝较少，温度应力是造成泄洪洞裂缝的主要因素；

（2）地质原因有可能造成洞身裂缝；

（3）隧洞底板裂缝条数和宽度明显小于侧墙和顶拱，因此与泄洪洞施工固结灌浆和回填灌浆不及时有一定关系；

（4）裂缝的发生与温度应力、水泥用量偏大和后期养护不及时等多种综合因素有关。

4　泄洪洞裂缝处理措施

为避免裂缝继续快速发展，目前主要采取恢复整体性和加强耐久性的修补措施，以提高衬砌和围岩的联合承载能力，提高混凝土的抗渗性［2，3］。随着近年来隧洞施工工艺的提高以及一些新型防水材料的出现，对于隧洞裂缝处理方法主要包括以下几种方法。（1）表面涂抹：表面涂抹的方法使用水泥浆、水泥砂浆、防水快凝砂浆、环氧基液及环氧砂浆等材料涂抹在裂缝等损坏部位的混凝土表面。适用于对缝宽小于0.2mm的裂缝和混凝土抗渗性能较差的洞段，进行喷涂封闭处理。（2）表面贴补：表面贴补就是用粘胶剂把橡皮或其他材料粘贴在裂缝部位的混凝土面上，达到封闭裂缝防渗堵漏的目的。（3）凿槽嵌补：凿槽嵌补是沿混凝土裂缝凿一条深槽，槽内嵌填各种防水材料，如环氧砂浆及预拌砂浆（干硬性砂浆）等，以防渗水。（4）喷浆修补：喷浆修补是在裂缝部位并以凿毛处理的混凝土表面，喷射一层密实而强度高的水泥砂浆保护层，达到封闭裂缝、防渗堵漏或提高混凝土表面抗冲耐蚀能力的目的。（5）回填灌浆和固结灌浆：回填灌浆和固结灌浆是目前解决水工隧洞防渗及安全稳固的最有效措施之一，固结灌浆还能提高衬砌和围岩的联合承载能力，减少荷载裂缝。（6）裂缝的内部处理：是指在裂缝内部采用灌浆方法进行处理。灌浆材料常用水泥和化学材料，可按裂缝的性质、开度及施工条件等具体情况选定。对于开度大于0.3mm的裂缝，一般可采用水泥灌浆；对于开度小于0.3mm的裂缝，宜采用化学灌浆；对于渗透流速较大或受温度影响的裂缝，则不论其开度如何，均宜采用化学灌浆处理。

4.1泄洪洞裂缝处理措施.

依据泄洪洞裂缝分析及处理措施的研究，对泄洪洞裂缝宽度小于0.2mm不需进行处理，大于0.25mm的进行如下处理。（1）对缝宽b≤0.25mm，且不渗水的裂缝不处理。（2）对缝宽0.25mm＜b＜0.5mm，且不渗水的裂缝用表面涂抹的方式进行表面封闭处理。（3）对于渗水的裂缝，或缝宽b≥0.5mm的裂缝采用化学灌浆方式处理。

4.2泄洪洞裂缝处理时机的选择

从泄洪洞裂缝成因分析可以看出，泄洪洞裂缝主要是由于温度应力引起的，裂缝宽度随着温度的降低而增大，因此泄洪洞裂缝处理时间选择在年最低气温时段1～2月份进行处理。

4.3泄洪洞裂缝处理施工工艺

（1）对缝宽0.25mm＜b＜0.5mm，且不渗水的裂缝用表面涂抹进行表面封闭处理，其施工工艺如下：

①砼表面处理：沿裂缝用铲刀铲除混凝土表面析出物、灰尘，用钢丝刷或砂轮打磨，使砼表面洁净、新鲜，增强与处理材料的附着力。清洁宽度为裂缝两边各延伸2cm～3cm，总宽度4cm～6cm。

②涂胶：对裂缝周围采用涂抹材料进行涂抹，一般至少涂抹3次～4次，涂抹厚度要均匀、密实、平整，宽度为4cm～6cm，厚度为2mm～3mm，涂抹之后待凝12h。

（2）对于渗水的裂缝，或缝宽b≥0.5mm的裂缝采用化学灌浆的处理方法，灌浆材料选用LW、HW水溶性聚氧酯，其处理施工工艺如下：

①砼表面处理：沿裂缝用铲刀铲除混凝土表面析出物、灰尘，用钢丝刷或砂轮打磨，使砼表面洁净、新鲜。清洁宽度为裂缝两边各延伸2cm～3cm，总宽度4cm～6cm。在裂缝周围开宽度小于0.5mm，深度小于1cm的马蹄形凹槽，防止压力灌浆时将填充材料喷出。

②钻孔、埋管：用电钻沿缝中心打孔，孔径φ10，孔距30cm～50cm，钻孔与表面呈30°～45°斜孔穿过裂缝（根据裂缝渗水点位置自行调整），灌浆管埋深10cm～15cm，外露长度15cm。

③表面封闭：先将环氧涂料涂抹于裂缝表面和埋管周围，使裂缝处于密闭状态，涂抹厚度要均匀、密实、平整，宽度为4cm～6cm，厚度为2mm～3mm，涂抹之后待凝12h。

④裂缝冲洗：用0.2Mpa～0.3Mpa水压冲洗缝内杂物，并用空压风吹净缝隙内积水。

⑤灌注灌浆材料：用手压泵通过注浆管向缝内灌注已搅拌均匀的LW、HW水溶性聚氧酯，注浆顺序由下而上，注浆压力为0.4Mpa。注浆过程要缓慢均匀，维持稳定的压力，依次灌完该条裂缝。

⑥割管、磨平：待已灌注的灌浆材料凝结后，沿砼面割掉灌浆管，并打磨平滑。用钢丝刷清理缝面两侧，清理完后再在缝面涂刷2道增厚环氧涂料。

（3）经过上述措施处理后，加强裂缝观测，对局部载荷裂缝或继续有发展的裂缝，进行局部补强加固。

5　结语

红石峁水库泄洪洞裂缝采用化学灌浆和表面涂抹工艺进行处理，其处理效果仍待后期运行检验。同时，加强对裂缝的观测，监控裂缝发展趋势，分析监测数据以明确隧洞裂缝产生和发展的原因。隧道裂缝的产生原因是复杂多变而且是多方面因素相互关联共同作用的，因此要对混凝土裂缝进行认真研究、区别对待，采用合理的方法进行处理，并在设计施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展，保证建筑物安全、稳定地运行。陕西水利

［1］郭仕万，肖欣，赵和平.混凝土施工中的裂缝控制［J］.山西水利科技.2000.11.

［2］黄国兴，陈改新.水工混凝土建筑物修补技术及应用［M］.北京：中国水利水电出版社.2000.

［3］孙志恒，鲁一晖，岳跃真.水工混凝土建筑物的检测、评估与缺陷修补工程应用［M］.北京：中国水利水电出版社.2004.

（责任编辑：唐红云）

TV672·1

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