摘要：水利水电工程隧洞施工中进行薄壁衬砌混凝土浇筑时容易出现裂缝问题，本文就针对具体的工程项目和特点，分析其产生的裂缝种类和各自的形成原因以及所产生的危害，并针对不同的原因提出了相应的裂缝防治措施，以供参考。
关键词：薄壁衬砌；混凝土裂缝；原因；防治
1引言
水利水电工程作为民生工程，随着我国经济的发展，工程数量与规模不断刷新纪录，水利水电工程往往受地形所限，为调整落差，减少项目占地，引水隧洞常作为输（送）水结构物，且引水隧洞占比呈逐年递增趋势。作为复合式衬砌结构的隧洞工程，在进行薄壁衬砌施工时，混凝土层具有厚度薄、面积大的特点，是典型的薄壁刚性结构，其结构特点也决定了极易出现裂缝等病害问题。因此需要针对不同类型的裂缝问题，寻找其形成原因，制定相应的预防措施，减少裂缝发生的概率。
2工程概况
某工程为无压隧洞，断面为马蹄形，成洞洞径为6.0m，坡比0.1572‰，全长1411m。开挖采取钻爆法施工，全断面开挖一次成型。混凝土浇筑分两次浇筑，先进行边顶拱衬砌混凝土浇筑，再进行底板混凝土浇筑。底板混凝土采用组合钢模板施工。
3衬砌板裂缝的危害分析
在混凝土结构施工中，裂缝是对其结构产生严重影响的病害之一。在衬砌板施工完成后的初期阶段，其表面可能会在温度应力以及外力作用下出现裂缝问题，此种裂缝属于具有破坏性的贯穿裂缝，其主要危害就是对混凝土面板的整体性造成破坏，并且导致混凝土的受力条件发生变化，最直接的影响就是破坏其整体结构，在通水期间造成渗透压力失衡，影响衬砌的质量和隧洞运营的安全性，严重时将影响工程的使用寿命。因此就需要在隧洞衬砌施工过程中，针对不同的裂缝类型和原因，寻找薄壁衬砌混凝土裂缝的防治措施。
4裂缝种类及裂缝的产生原因
4.1隧洞围岩分布
根据洞室揭露出的地层岩性进行划分，本隧洞Ⅲ类围岩为1311m，Ⅳ类围岩为80m，V类围岩为20m。衬砌厚度分别为：Ⅲ类围岩采用30cm厚钢筋砼衬砌，Ⅳ类围岩采用40cm厚钢筋砼衬砌，Ⅴ类围岩采用50cm厚钢筋砼衬砌。边顶拱衬砌钢筋保护层厚度为7cm，仰拱保护层厚度为10cm。
4.2裂缝种类
裂缝是建筑施工中材料由于某种原因或几种原因共同引起的结构中产生不连续的现象。而混凝土裂缝是指混凝土在温度和湿度变化的条件下，硬化并产生体积变形，由于各种材料变形不一致，互相约束而产生初始应力，造成在骨料与水泥石粘结面或水泥石本身之间出现肉眼看不见的微观裂缝，其分布是不规则、不连贯的，但是受荷载作用下或进一步产生温差、干缩的情况下，裂缝开始发展，并逐渐互相串通，从而出现较大的连贯的肉眼可以看见的裂缝，称为宏观裂缝。混凝土搅拌后是一种不定型的可塑性材料，其中水泥是混凝土增强的主要胶结材料。水泥的化学收缩与水泥的品种、标号、细度、用量及施工工艺有关。一般来说，水泥的标号越高、细度愈大、用量愈多，混凝土的收缩率也就随之增加。混凝土在经过收缩阶段后，总的收缩率应控制在0.05％左右。
4.3隧洞裂缝产生原因
混凝土裂缝形成的原因很复杂，收缩是其固有的物理特性，也是出现裂缝的根本原因。一般地在工程中出现裂缝的部位不同，产生裂缝的原因也不同。特别是泵送混凝土出现裂缝一般是难以避免的。通过现场施工分析，归纳出隧洞工程的薄壁衬砌施工中容易出现的混凝土裂缝类型及其原因主要有以下几个方面：
4.3.1温度裂缝
此种裂缝类型通常没有规定的规律，且表现出纵横交错的现象。空气流通速度快，使砼表面干缩，加之混凝土温度应力的作用，形成裂缝，是裂缝的主要原因之一；薄壁衬砌砼水灰比较大，在砼凝固成型时就产生较大的内部收缩应力，从而导致产生裂缝，其主要是由于在进行混凝土浇筑之后，水泥在发生水化反应时会释放大量的热量，这就会导致其内部温度的升高，但是如果表面由于没有及时进行养护，散热较快导致温度急剧降低，将导致混凝土内部和表面存在较大的温差，从而产生一定的拉应力，如超出其可以承受的抗拉强度极限，就会导致温度裂缝的产生。
4.3.2收缩裂缝
此种裂缝类中通常发生在混凝土的表面，而且表现为相互之间不连贯且深度较浅的特点。在施工浇筑过程中，漏振或过振出现蜂窝、麻面、孔洞或钢筋外漏，混凝土、运输时间过长或浇筑过快，均能诱使混凝土产生不规则的收缩裂缝。
4.3.3其他裂缝
其他的裂缝问题形成原因主要有以下几个方面：
（1）地质原因导致围岩沉降产生荷载，仰拱和边墙基础的虚碴未清理干净，混凝土浇筑后，基底产生不均匀沉降，边墙基础不均匀沉降而开裂；
（2）开挖造成的超挖现象但由于地质原因超挖或塌方，需要采用混凝土进行回填而造成砼厚度不均匀，使得混凝土内部温度不均匀和混凝土散热快慢不一致，造成混凝土内部温差和内外温差较大造成混凝土温差裂缝。
（3）砂石料的级配连续、超逊径现象、含泥量等质量不稳定都会影响混凝土的拌合质量，从而影响混凝土的强度均一性，当温度应力增大时，裂缝就从强度薄弱的部位产生，此外，配合比设计不合理、拌合不均匀，夹带生料等问题均会诱使混凝土产生裂缝；
（4）拱部混凝土灌注困难或浇筑过程施工间歇时间过长，造成混凝土冷缝；
（5）拆模时间过早，衬砌强度不足以支撑自重而产生裂缝。
5裂缝的防治措施
5.1设计参数的合理选用
钢筋保护层过大或过小，钢筋配筋率，混凝土标号及性能指标的选用，均会成为混凝土产生裂缝的诱因，因此设计参数的选用就凸显的至关重要。根据施工经验，设计参数除了应满足相关结构计算承载要求外，还应该根据现场监控量测结果和地质结构、围岩产状等实际情况进行实时调整，提高设计精度，真正做到动态设计。
5.2监控量测的运用控制
通过监控量测及时了解围岩、支护变形情况，以便及时调整和修正支护参数，保证围岩稳定和施工安全；及时对现场量测数据绘制量测数据与时间关系曲线和空间关系曲线，并进行数据处理或回归分析。一般情况会出现如下两种时间──位移特征曲线。
（1）图表示绝对位移值逐渐减小，支护结构趋于稳定，当位移、周边收敛、拱顶下沉量达到预计总位移量的80%～90%，收敛速度小于0.1～0.2mm/d，拱顶下沉速率小于0.07～0.15mm/d时，可认定围岩和支护系统基本稳定，可以进行模筑混凝土衬砌施工；应依据监控量测资料采取相应措施，在保证施工安全的前提下加快施工进度。
5.3二次浇筑技术的使用
因受岩层结构影响，在开挖过程中不可避免出现超挖现象。在衬砌之前，建议采用二次浇筑技术，即衬砌部分超出设计开挖线规范允许值以内的部分先支立模板，采用同标号混凝土回填，待回填部分混凝土收缩稳定之后，再进行衬砌混凝土施工，根据现场实践反馈，经过新旧混凝土结合面处理过后施工的衬砌面板裂缝防治效果较为理想。
5.4混凝土配合比设计优化
水泥用量和外加剂掺量的选定，就决定了混凝土适应性的要求就越高，一旦与环境情况不适应，产生裂缝的概率就越高，所以在薄壁混凝土的施工上，做好混凝土的配合比设计和优化是一项非常关键的工作。
5.4.1水泥的选用优化
水泥的选用优化关键在于不同品种水泥的选用，以及是否使用外加剂、混合材料这几个方面。选用水泥时，应注意其特性对混凝土构件强度、耐久性和使用条件是否有不利影响，应以能使所配制的混凝土强度达到要求、收缩小、和易性好和节约水泥为原则。因此，在混凝土施工环节中应以在实验室试验数据作详细分析、叙述，然后得出最佳的能满足设计及施工要求的水泥。
5.4.2混合材料的选用
级配好坏对混凝土的性能指标影响较大，所以一定要求骨料级配良好，而且最好还是连续级配。这就要求对原材严把质量关，对材料从源头予以控制，应尽可能设置备用料场。沙石材料选用可在粒径、级配、品种等方面应在满足要求相关质量规定前提下进行。
5.4.3外加剂的选用
外加剂的选用原则是：延缓混凝土的初凝时间，提高混凝土的早期强度，增加后期强度，减少混凝土坍落度的损失，与水泥的相容性，外加剂的稳定性。通常选用高效减水剂、高效缓凝减水剂、高效早强减水剂。
5.4.4水灰比的确定
根据普通混凝土配合比设计规程，采用全国参用的A、B值，如计算出基准配合比的水灰比为0.36，通常为保证强度要求根据 《普通混凝土配合比设计规程》 JGJ55-2000中4.0.1.1.2条规定及经验，可将该水灰比略做下调，将下调后水灰比作为基准水灰比，然后再设计2个配合比，其水灰比在基准配合比基础上分别增加或减少0.02~0.03，用水量与基准配合比相同。
5.4.5最优砂率的确定
根据实践经验，混凝土的用砂率应使所含砂子的松散体积填满石子的空隙体积外略有富余，才能使混合料的工作性良好，因而最优砂率Sp应是理论砂率Sp乘以大于1的系数a，但当使用物细砂时因砂子的表面积大，其混凝土砂率则应乘以1的系数a（根据试验结果所确定的经验系数）。
在水泥浆用量一定的条件下，当砂率很小时砂浆数量不足以填满石子的空隙体积或甚少敷余，在此情况下，石接触点处的砂浆太少，混合料的流动性很小。当砂率过大时，集料的总表面积及空隙率增大，耗用于包裹细集料表面的水泥浆数量增多，砂粒接触点处的水泥浆不足，甚至水泥浆不足以包裹所有砂粒，使砂浆干涩，混合料的流动性随之变差。通过试验，可求出在满足工作性要求条件下水泥用量最小的砂率，或者求出在相同水泥量下混合料工作性最好的砂率。
5.4.6配合比修正
当采用假定表观密度法设计时，混凝土表观密度与假定值之差的绝对值超过假定值的2%，则需对其进行修正；对修正后的配合比应重新进行试拌，检验其坍落度、和易性等各项指标，最后根据配合比实测强度、耐久性以及经济等方面考虑选定最优理论配合比，据此换算施工配合比。
5.5施工工艺的控制
混凝土到现场后应对每车混凝土坍落度进行测试，防止坍落度失控，而直接影响混凝土的外观和实体质量；混凝土搅拌时，粗骨料按标准采用级配碎石，并严格控制配合比，保证拌合料计量准确，混凝土应充分搅拌，并保证足够的拌制时间，成品混凝土应均匀、颜色一致。拆模采用最后一盘封顶混凝土试件达到的实际强度来进行控制。对于隧道二次衬砌混凝土强度达到2.5MPa时方可拆模。拆模时混凝土芯部与表层、表层与环境之间的温差不得大于20℃，结构内外侧表面温差不得大于15℃。混凝土内部开始降温前不得拆模。拆模后及时对槽道定位情况进行检查，同时对混凝土表面缺陷及时进行修补。混凝土灌筑后应根据气候条件，一般拆模后即应进行养护，养护时间应满足混凝土强度要求，混凝土养护的最低期限为14天，且不得中断。需要洒水养护时采用高压喷雾器进行洒水，平均每两小时洒水一次，进入冬季施工后，将隧道口封堵升温养护。冬季施工时，除在隧洞进出口设置棉门帘遮蔽洞口外，还采用砌砖墙封堵洞口等措施，防止隧洞内温度损失过大，并在隧洞内设置温度计和湿度计实时进行监察。
6结语
在水利水电隧洞工程施工中，薄壁衬砌混凝土施工中出现的不同裂缝类型及其原因较复杂，通常需要对地质构造及岩体特性有充分的认识，并通过监控量测等手段，监测围岩的应力状态，超前进行干预，释放有害应力，运用动态设计来实现地质情况与设计的充分融合，确保衬砌设计能够满足承载要求；在施工过程中，通过对混凝土原材料的质量控制、配合比设计、施工工艺及施工环境等方面的控制，对于水工引水隧洞薄壁混凝土的裂缝预防与处置具有十分积极的意义。
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论文作者:王生潭
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/2
标签：混凝土论文; 裂缝论文; 隧洞论文; 围岩论文; 薄壁论文; 水泥论文; 水灰比论文; 《基层建设》2019年第1期论文;