水工输水隧洞衬砌结构裂缝成因及预防

李玉才

摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，文章以研究水工输水隧洞衬砌结构的裂缝形成机理及温度裂缝灵敏性为主线，选取沈阳水工输水隧洞衬砌工程为研究载体。依次分析隧洞衬砌的裂缝形式及推断形成机理、分析温度裂缝与通过有限元分析建立模型并长期追踪温度、温度应力变化及对应关系来探讨混凝土温度裂缝的灵敏性，验证了水工输水隧洞衬砌裂缝形成原因的推断正确性。为了防止裂缝的形成，具体温控防裂措施总结如下3点：①在水工输水隧洞衬砌施工期间，分缝分块必须合理，选取低水化热水泥类型来降低温度应力，预防早期裂缝的形成；②在水工输水隧洞衬砌投入使用期间，上述分析温度应力变化受水温影响较大，所以取水时应采取相应措施降低水温周期内变化值，温度维持相对恒定后方可流入输水隧洞中；③对于投入使用的输水隧洞应定期停水检查混凝土衬砌是否有裂缝，对于有裂缝的情况应立即采取合理的措施进行修补，避免带裂缝运行，造成安全隐患。

关键词：水工输水；隧洞衬砌结构；裂缝成因；温度应力；温度变化

引言

水工隧洞衬砌是受围岩约束极强的薄壁结构，为了满足水工隧洞的特殊作用，需要用标号较高的混凝土完成施工，这种型号的水泥容易受外界因素的影响而产生裂缝问题，降低衬砌结构的强度、刚度、稳定性与耐久性，进而影响水资源利用率与使用安全。加强对水工隧洞衬砌施工中混凝土裂缝的成因研究，有助于增强工程整体结构的稳定性，促进水工隧洞功能的发挥。

1水工隧洞衬砌混凝土裂缝的成因分析

1.1温度降低形成的收缩裂缝

大部分的水工隧洞工程都是在较深的地层中进行，在水泥水化后，隧洞中的温度会有明显的提升，即便是在冬天进行施工，隧洞中的温度也不会太低，这时就会出现混凝土中的水分蒸发和遇冷凝结的情况，如果工作人员进行对其表明进行简单的维护，没有注重进行混凝土的内部散热处理，或者没有进行温度变化的收缩裂缝处理，就会大大提升伸缩裂缝出现的概率。

1.2原材料选取与管理存在问题

水工隧洞施工中所用的原材料质量直接影响着衬砌结构的稳固性，只有严格把控原材料的质量才能为施工安全奠定坚实基础。然而在实际施工中却存在原材料选取与管理不当的问题，主要体现在以下几个方面。一是水泥品种的选取与实际工程不符，施工人员没有全面了解水工隧洞的施工要求，导致选择的水泥标号较低或选取了高发热量的水泥品种，容易导致衬砌结构出现裂缝问题。二是有些施工单位受利益的趋势没有从正规渠道购进施工材料，给项目质量造成了威胁。三是水泥的运输、存储过程管理不当，没有科学控制温度、湿度等条件，导致水泥产生了结块，将这样的水泥应用于施工中将会严重影响施工质量。四是施工材料搭配不当，例如粗细骨料的配比不合理，直接降低了水工隧洞结构的稳定性。

1.3振捣操作不足

在水工隧洞衬砌混凝土施工操作中，混凝土衬砌工作十分关键，若是出现漏振、振捣不足以及振捣过多等问题，都会导致整体衬砌工作受阻。在衬砌施工中要借助钢模板台车进行处理，下料时钢模板台下料口若是没有全部启动，就会出现混凝土上料和下料不统一的问题，浇筑过程下料较多，或者是骨料分析，也会导致厚度参数和实际需求不符的问题，甚至会导致混凝土密实度失衡的问题出现。除此之外，若是窗口之间的距离较大，就会导致振捣操作不能有序开展，端头模板结构的强度受限，是导致空腔问题的主要原因。振捣工作不当会使得整体混凝土结构存在离析的可能性，也是造成混凝土和钢筋之间受力不均匀的原因。

2水工输水隧洞衬砌结构裂缝成因的预防

2.1混凝土温度裂缝灵敏性探讨

为了获得隧洞衬砌温度布局与温度应力变化情况，以探究使用期间裂缝发展受温度改变的灵敏性情况。仍选取上述水工输水隧洞为例，根据现场勘查的资料数据，利用ANSYS有限元软件平台搭建模型进行温度应力仿真计算。隧洞衬砌选择C30混凝土，此洞段的衬砌在夏季炎热时期浇筑，通水时间是次年3月份。在使用期间隧洞中过水水源是上游河道的浅层水体，水温变化范围为12.80~27.40℃，波动幅度是14.60℃。裂缝宽度因水温周期规律性改变而周期规律性改变，水温下降裂缝宽度随之增长，水温上升裂缝宽度随之减小。仿真计算模拟隧洞施工与使用过程，综合衬砌混凝土与围岩材料热力学参数、环境温度变化、围岩温度调查情况、洞中水温变化与裂缝发展监测数据，来完成使用期间衬砌混凝土裂缝对温度应力改变的灵敏性分析。施工期间衬砌混凝土的温度应力因浇筑混凝土的温度上升形成压应力，后因热量散失温度逐渐减小而压应力缓慢成为拉应力，施工期间所选隧洞区段的拉应力可至0.80MPa左右。自3月份竣工通水后，因为冬天水库表层的水受气温影响温度偏低，通水后导致隧洞拱顶内缘环向温度应力变成1.56MPa，边墙内缘洞水平方向应力变成2.32MPa，边墙内缘纵向应力变成2.20MPa。上述多种应力值全部高于衬砌混凝土抗裂性能，即在使用最初衬砌表面就发生裂缝现象。投入使用后，洞中水温不断周期规律性改变，衬砌混凝土温度应力随之相应改变，并且早期裂缝宽度因水温改变而减小或增长且呈周期性变化，使用期间的所有拉应力最高值全部大于衬砌混凝土的抗裂性能。

2.2加强施工过程中的管控

施工过程的不安全因素较多，加强施工过程中的管理控制可有效减少裂缝问题。首先，挖掘石岩与土体时，应尽量避免破坏围岩结构。一旦出现塌方状况及时采取有效措施进行补救，补救措施一般为回填加固。其次，应注意岩体震动情况，避免破坏已完工的隧洞衬砌混凝土结构，并实时关注施工作业过程中的通风和排水工作。然后需要严格按照设计要求与施工规定完成灌浆和喷锚等工序。在对塌方部位进行充填封堵、灌浆时，需要注意充填的密实程度，以免影响混凝土结构的牢固性。为了降低裂缝问题带来的影响，混凝土入仓浇筑时要进行均匀、密实的振捣，并注意施工缝结合处的细节处理。最后还需要仔细检查衬砌混凝土结构的浇筑厚度，并以此为依据确定混凝土的钢筋配置。拆除模板后还应进行细致的养护工作，养护内容包括混凝土表层养护、结构内部温度检测、外界环境气候监控等，科学的养护工作有效避免了裂缝问题的出现，在保证水工隧洞施工质量方面意义重大。

2.3灌浆、嵌缝封堵法

灌浆法通常都是运用中对水工隧道整体稳定性造成一定影响的裂缝中，对有较高防渗要求混凝土裂缝也可以使用灌浆法进行修复。它主要是借助相关的压力设备把胶结材料压进入混凝土的裂缝当中，让胶结材料与混凝土融为一体，从而起到封堵裂缝的效果。目前比较常见的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙燃酸酯等。而嵌缝法主要是沿裂缝凿槽，并在槽中嵌入相关的止水材料，例如：聚氯乙烯胶泥、丁基橡胶、聚合物水泥砂浆等。

结语

总而言之，在水工隧洞衬砌混凝土处理工作开展过程中，要对影响因素进行集中梳理和排查，有效整合管理标准和管控机制，对可能影响整体质量的问题进行集中梳理，避免施工过程受到影响，从根本上提高工程质量和安全性，为隧洞衬砌项目发挥其实际价值奠定坚实基础。

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