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【摘要】 国内外水工隧洞衬砌混凝土未发生裂缝实例极少，这是因为引起混凝土裂缝的影响因素非常复杂，客观诱发因素很多，裂缝发生的一些规律还未完全掌握的原故。北疆某输水隧洞工程混凝土衬砌施工，从减少单位体积水泥用量，降低混凝土绝热温升和尽量控制周边围岩平整度出发，结合加强施工过程质量管理，提高混凝土拌和物的均匀性，终于实现了长1.7km的水工隧洞工程混凝土未发生一条裂缝的较好效果。
【关键词】 混凝土裂缝；混凝土配合比；周边围岩表面平整度
【中图分类号】 TU755.68【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2013）02-044-01
北疆某输水隧洞是北疆某地区一大型灌溉输水工程的主要建筑物之一，洞身长1705m，断面型式为城门洞式边墙顶拱反弧底板，隧洞洞身衬砌分两次进行：一次临时支护边墙顶拱，采用格栅（间距为80cm）挂网喷护厚180mm的混凝土；二次为永久衬砌：边墙顶拱为厚40cm的C25钢筋混凝土，反弧底板厚度60cm。工程自2004年7月开工，2006年7月贯通，10月洞内混凝土衬砌全部完成，截止2006年底对隧洞洞身进行全面检查，未发生一条裂缝。
1隧洞主要施工方法与质量控制措施
隧洞洞身通过由砂砾石沉积胶结而成的浅山坡，隧洞埋深40～70m，砂砾石胶结较差，局部还含有砂镜体，围岩地质条件差，无地下水溢出。隧洞工程按软岩隧洞设计，要求采用新奥法施工。
1.1洞身开挖与一次临时支护。由于隧洞所通过的岩层为砂砾石弱胶结的软弱岩层，洞身开挖不适合采用钻爆法施工。主要是因为在砂砾石中钻孔的成孔率差，爆破可能引起边墙顶拱塌坍，造成大面积超挖，施工单位经过反复研究，并借鉴其他软岩隧洞的开挖施工方法，选定由风镐凿削的方法将岩撑子面岩体顶拱沿围岩周边先凿除宽800～1000mm的半环形深1000mm的槽，顶模凿槽完成后继续向下沿两侧凿挖边墙至墙角，使洞心砂砾石体与周边围岩分离，然后用挖掘机挖除中心体，底部反弧预留300～500mm保护层，每循环进尺原则上按设计格栅间距（800mm）控制，根据围岩砂砾石胶结情况进行调整，最小距离400mm，最大间距1000mm。一次临时支护紧跟开挖撑子面进行，当洞身中心体砂砾石挖除后，立即安装格栅（格栅中3Φ18作骨架，用Φ8每500mm一个焊点将骨架连成设计图规定的形状），格栅安装就位并经检查合格后，焊接Φ14挂网钢筋，最后喷射180mm厚一次支护混凝土。整条隧洞基本上是按周边凿槽——开挖中心体——格栅安装——挂网焊接——喷射混凝土为——循环进行开挖与——次临时支护施工。
1.2二次永久性钢筋混凝土衬砌施工。二次永久性衬砌时间是由洞身收敛监测控制，当洞身一次支护收敛变形基本稳定后（收敛变形完成90%以上），才开始进行洞身二次永久性衬砌。二次永久性衬砌采用钢模台车先边墙顶拱，后浇底板反弧混凝土，这样安排施工可加快施工进度，当每年快进入冬季时，停止开挖与一次支护，准备二次永久衬砌，边墙顶拱基本上做到年底停止施工时，将洞内已开挖与一次支护的洞段全部衬砌完成，这种施工安排可减少洞内施工的干扰，加快施工进度。
1.3混凝土配合比的选择。为尽量降低水泥水化热，从而降低混凝土的绝热温升，混凝土所用水泥采用当地产32.5#普通硅酸盐水泥，每方混凝土中掺加总胶凝材料的30%的优质粉煤灰代替水泥。这不但达到了减少水泥用量的目的，还改善了混凝土的和易性，使拌制的混凝土易于施工。砂石骨料使用当地沿河台地冲积的砂砾石加工筛分而成。C25二衬混凝土每立方水泥用量197kg，粉煤灰掺量84kg，砂率35%。混凝土配合比确定后，经现场试拌，各项指标均满足混凝土配合比设计要求后，才用于工程。在每仓混凝土拌制前，根据对砂石骨料的含水率、超逊径检测结果进行调整出具体施工配合比，按此配合比拌制混凝土。
1.4围岩和一次临时支护表面平整度控制。由于洞身开挖没有采用钻爆法，而是采用人工风镐凿槽的办法，小心地凿除周边砂砾石，这就保证了周边围岩的平整度，经检验，周边砂砾石围岩表面不平整最大相差小于100mm，开挖后围岩比采用钻爆法开挖硬岩的平整度好很多，从而确保了一次临时支护喷射混凝土厚度的均匀性。一次临时支护喷射的混凝土表面做到尽量平整，除格栅处略有外凸外，喷射混凝土经检测表面不平整相差最大＼<50mm。
2隧洞衬砌混凝土未出现裂缝的原因分析
引起混凝土裂缝产生的原因很多，但裂缝产生的主要因素还是混凝土水泥水化产生的热量引起混凝土体积膨胀，随着混凝土中水泥水化的不断完成，混凝土内部温度逐渐升到最高点，随后温度逐渐缓慢下降，这一过程混凝土体积先膨胀而后收缩，当混凝土结构物受到外界约束时，混凝土在受约束区产生拉力，而当拉力大于混凝土当时本身具有的拉应力时，混凝土便被拉裂，产生裂缝。
另外，混凝土结构物浇筑拆模过早，表面与大气接触，当气温骤降，混凝土表面温度也随之降低，混凝土表面与内部出现温差，产生温度应力，当温度应力大于混凝土自身的抗拉应力时，混凝土也会被拉开，产生裂缝。
上述两种混凝土裂缝发生时间较早，一般在混凝土浇筑后7～10天产生，最长也不过20天，而混凝土内部温度（绝热温升引起的温度升高）在7天左右达到最高，同时混凝土结构物拆模后与大气或周围界质相接，两者之间有一定温差（一般地低温季节，外界温度低于混凝土内部），混凝土内部温度逐渐释放，如果释放过快，就会造成混凝土体内外温度梯度过大，而产生温度应力，引起混凝土表面开裂。该隧洞工程施工过程，针对上述混凝土裂缝产生主要原因分析出发，采取了以下技术措施：
首先，优选混凝土配合比，在混凝土配合比设计时充分考虑，既要满足设计各项指标，又有利于施工等条件，经反复试验选定水化热较低的32.5#普通硅酸盐水泥，同时掺合30%的优质粉煤灰代替水泥，大量降低水泥用量，达到降低混凝土水化热从而削减了绝热温升峰值，使混凝土在凝结硬化过程中内部温升降低。
其次，由于洞身岩面开挖方法采用了风镐凿除的办法，使围岩表面平整度提高，加之一次临时支护进一步改善了二衬周边界质的平整度，使二衬混凝土浇筑后周边界质对其约束较均匀，在约束区内就不会出现应力集中现象。因为水工隧洞混凝土衬砌裂缝一般都是从混凝土衬砌厚度突变处开始（衬砌断面突变引起收缩应力集中），硬岩隧洞衬砌混凝土裂缝多于软岩隧洞衬砌混凝土，主要就是由于硬岩采用钻爆法开挖，围岩起伏不平相差较大，混凝土收缩时在衬砌厚度突变处产生应力集中，而引发混凝土裂缝。
3结束语
如果在水工隧洞施工过程采取以下措施，可以防止衬砌混凝土裂缝产生，或者少出现裂缝：①优化混凝土配合比：在配合比设计值时，既要充分考虑到混凝土的各项指标满足设计要求，利于施工，又要尽可能地降低混凝土中水化热，从而达到降低混凝土内部绝热温升；②对隧洞衬砌周边表面平整度采取措施改变，避免围岩对结构混泥土的约束产生应力集中，拉裂衬砌混凝土；③如果隧洞工程施工周期长，需要停工越冬，应在停工时在隧洞进出口进行封闭，避免冬季穿堂风，将寒气带入洞内，降低衬砌混凝土表面温度，引起混凝土内外温差过大。
采取以上三项技术措施，可以减少水工隧洞衬砌混凝土的裂缝，甚至不裂缝。北疆某隧洞衬砌混凝土未裂缝就是一很好例证。
【关键词】 混凝土裂缝；混凝土配合比；周边围岩表面平整度
【中图分类号】 TU755.68【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2013）02-044-01
北疆某输水隧洞是北疆某地区一大型灌溉输水工程的主要建筑物之一，洞身长1705m，断面型式为城门洞式边墙顶拱反弧底板，隧洞洞身衬砌分两次进行：一次临时支护边墙顶拱，采用格栅（间距为80cm）挂网喷护厚180mm的混凝土；二次为永久衬砌：边墙顶拱为厚40cm的C25钢筋混凝土，反弧底板厚度60cm。工程自2004年7月开工，2006年7月贯通，10月洞内混凝土衬砌全部完成，截止2006年底对隧洞洞身进行全面检查，未发生一条裂缝。
1隧洞主要施工方法与质量控制措施
隧洞洞身通过由砂砾石沉积胶结而成的浅山坡，隧洞埋深40～70m，砂砾石胶结较差，局部还含有砂镜体，围岩地质条件差，无地下水溢出。隧洞工程按软岩隧洞设计，要求采用新奥法施工。
1.1洞身开挖与一次临时支护。由于隧洞所通过的岩层为砂砾石弱胶结的软弱岩层，洞身开挖不适合采用钻爆法施工。主要是因为在砂砾石中钻孔的成孔率差，爆破可能引起边墙顶拱塌坍，造成大面积超挖，施工单位经过反复研究，并借鉴其他软岩隧洞的开挖施工方法，选定由风镐凿削的方法将岩撑子面岩体顶拱沿围岩周边先凿除宽800～1000mm的半环形深1000mm的槽，顶模凿槽完成后继续向下沿两侧凿挖边墙至墙角，使洞心砂砾石体与周边围岩分离，然后用挖掘机挖除中心体，底部反弧预留300～500mm保护层，每循环进尺原则上按设计格栅间距（800mm）控制，根据围岩砂砾石胶结情况进行调整，最小距离400mm，最大间距1000mm。一次临时支护紧跟开挖撑子面进行，当洞身中心体砂砾石挖除后，立即安装格栅（格栅中3Φ18作骨架，用Φ8每500mm一个焊点将骨架连成设计图规定的形状），格栅安装就位并经检查合格后，焊接Φ14挂网钢筋，最后喷射180mm厚一次支护混凝土。整条隧洞基本上是按周边凿槽——开挖中心体——格栅安装——挂网焊接——喷射混凝土为——循环进行开挖与——次临时支护施工。
1.2二次永久性钢筋混凝土衬砌施工。二次永久性衬砌时间是由洞身收敛监测控制，当洞身一次支护收敛变形基本稳定后（收敛变形完成90%以上），才开始进行洞身二次永久性衬砌。二次永久性衬砌采用钢模台车先边墙顶拱，后浇底板反弧混凝土，这样安排施工可加快施工进度，当每年快进入冬季时，停止开挖与一次支护，准备二次永久衬砌，边墙顶拱基本上做到年底停止施工时，将洞内已开挖与一次支护的洞段全部衬砌完成，这种施工安排可减少洞内施工的干扰，加快施工进度。
1.3混凝土配合比的选择。为尽量降低水泥水化热，从而降低混凝土的绝热温升，混凝土所用水泥采用当地产32.5#普通硅酸盐水泥，每方混凝土中掺加总胶凝材料的30%的优质粉煤灰代替水泥。这不但达到了减少水泥用量的目的，还改善了混凝土的和易性，使拌制的混凝土易于施工。砂石骨料使用当地沿河台地冲积的砂砾石加工筛分而成。C25二衬混凝土每立方水泥用量197kg，粉煤灰掺量84kg，砂率35%。混凝土配合比确定后，经现场试拌，各项指标均满足混凝土配合比设计要求后，才用于工程。在每仓混凝土拌制前，根据对砂石骨料的含水率、超逊径检测结果进行调整出具体施工配合比，按此配合比拌制混凝土。
1.4围岩和一次临时支护表面平整度控制。由于洞身开挖没有采用钻爆法，而是采用人工风镐凿槽的办法，小心地凿除周边砂砾石，这就保证了周边围岩的平整度，经检验，周边砂砾石围岩表面不平整最大相差小于100mm，开挖后围岩比采用钻爆法开挖硬岩的平整度好很多，从而确保了一次临时支护喷射混凝土厚度的均匀性。一次临时支护喷射的混凝土表面做到尽量平整，除格栅处略有外凸外，喷射混凝土经检测表面不平整相差最大＼<50mm。
2隧洞衬砌混凝土未出现裂缝的原因分析
引起混凝土裂缝产生的原因很多，但裂缝产生的主要因素还是混凝土水泥水化产生的热量引起混凝土体积膨胀，随着混凝土中水泥水化的不断完成，混凝土内部温度逐渐升到最高点，随后温度逐渐缓慢下降，这一过程混凝土体积先膨胀而后收缩，当混凝土结构物受到外界约束时，混凝土在受约束区产生拉力，而当拉力大于混凝土当时本身具有的拉应力时，混凝土便被拉裂，产生裂缝。
另外，混凝土结构物浇筑拆模过早，表面与大气接触，当气温骤降，混凝土表面温度也随之降低，混凝土表面与内部出现温差，产生温度应力，当温度应力大于混凝土自身的抗拉应力时，混凝土也会被拉开，产生裂缝。
上述两种混凝土裂缝发生时间较早，一般在混凝土浇筑后7～10天产生，最长也不过20天，而混凝土内部温度（绝热温升引起的温度升高）在7天左右达到最高，同时混凝土结构物拆模后与大气或周围界质相接，两者之间有一定温差（一般地低温季节，外界温度低于混凝土内部），混凝土内部温度逐渐释放，如果释放过快，就会造成混凝土体内外温度梯度过大，而产生温度应力，引起混凝土表面开裂。该隧洞工程施工过程，针对上述混凝土裂缝产生主要原因分析出发，采取了以下技术措施：
首先，优选混凝土配合比，在混凝土配合比设计时充分考虑，既要满足设计各项指标，又有利于施工等条件，经反复试验选定水化热较低的32.5#普通硅酸盐水泥，同时掺合30%的优质粉煤灰代替水泥，大量降低水泥用量，达到降低混凝土水化热从而削减了绝热温升峰值，使混凝土在凝结硬化过程中内部温升降低。
其次，由于洞身岩面开挖方法采用了风镐凿除的办法，使围岩表面平整度提高，加之一次临时支护进一步改善了二衬周边界质的平整度，使二衬混凝土浇筑后周边界质对其约束较均匀，在约束区内就不会出现应力集中现象。因为水工隧洞混凝土衬砌裂缝一般都是从混凝土衬砌厚度突变处开始（衬砌断面突变引起收缩应力集中），硬岩隧洞衬砌混凝土裂缝多于软岩隧洞衬砌混凝土，主要就是由于硬岩采用钻爆法开挖，围岩起伏不平相差较大，混凝土收缩时在衬砌厚度突变处产生应力集中，而引发混凝土裂缝。
3结束语
如果在水工隧洞施工过程采取以下措施，可以防止衬砌混凝土裂缝产生，或者少出现裂缝：①优化混凝土配合比：在配合比设计值时，既要充分考虑到混凝土的各项指标满足设计要求，利于施工，又要尽可能地降低混凝土中水化热，从而达到降低混凝土内部绝热温升；②对隧洞衬砌周边表面平整度采取措施改变，避免围岩对结构混泥土的约束产生应力集中，拉裂衬砌混凝土；③如果隧洞工程施工周期长，需要停工越冬，应在停工时在隧洞进出口进行封闭，避免冬季穿堂风，将寒气带入洞内，降低衬砌混凝土表面温度，引起混凝土内外温差过大。
采取以上三项技术措施，可以减少水工隧洞衬砌混凝土的裂缝，甚至不裂缝。北疆某隧洞衬砌混凝土未裂缝就是一很好例证。