田振華，李寶石，王經(jīng)臣

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100048；2.北京中水科工程總公司，北京100048；3.遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110003)

水工隧洞混凝土襯砌裂縫監(jiān)測與成因分析

田振華1，2，李寶石3，王經(jīng)臣3

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100048；2.北京中水科工程總公司，北京100048；3.遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110003)

以襯砌薄壁混凝土結(jié)構(gòu)開裂為研究對象，進(jìn)行了隧洞襯砌混凝土裂縫監(jiān)測設(shè)計，并對混凝土應(yīng)力應(yīng)變、溫度、結(jié)構(gòu)縫開合度等物理量進(jìn)行了實時監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示：襯砌在澆筑完成后1個月內(nèi)出現(xiàn)貫穿性裂縫，裂縫從拱肩至邊墻分布，甚至延伸至整個斷面，但裂縫開合度較小，且無明顯張開趨勢。從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析來看，薄壁混凝土散熱較快，混凝土溫降梯度較大，混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力較高，加之混凝土表面未進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，表面干縮縫進(jìn)一步加劇了混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生，裂縫產(chǎn)生后襯砌混凝土應(yīng)力重分布，裂縫無進(jìn)一步發(fā)展的趨勢。

隧洞；混凝土襯砌；裂縫；安全監(jiān)測

1 研究背景

隧洞襯砌混凝土一般都是受圍巖約束極強(qiáng)的薄壁結(jié)構(gòu)，且由于隧洞的特殊作用，一般混凝土標(biāo)號都很高，混凝土在硬化的過程中水化熱的作用，致使襯砌混凝土內(nèi)部溫度較高；加上圍巖的強(qiáng)約束作用，易產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力[1]。對于過水隧洞而言，貫穿性裂縫對結(jié)構(gòu)安全的影響是致命的；表面裂縫和淺層裂縫在長期高水頭力學(xué)和水化學(xué)作用下，極易造成裂縫的發(fā)展和鋼筋的銹蝕，降低襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性，并可能形成滲流通道，造成水資源浪費(fèi)并危及結(jié)構(gòu)安全。同時，水工隧洞又屬于地下隱蔽工程，一旦出現(xiàn)裂縫，修復(fù)處理工作難度大，因而危害極大[2]。

國內(nèi)外對地表大體積混凝土工程的溫控研究比較深入，且越來越重視[3]；但對地下工程襯砌混凝土溫控研究卻比較簡淺，重視的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，有關(guān)此方面的溫控要求和規(guī)范都比較寬松，工程范例極少。因而，對水工隧洞襯砌混凝土的防裂展開一項專門研究至關(guān)重要。

本文以某水工隧洞工程為依托，進(jìn)行了隧洞襯砌混凝土裂縫監(jiān)測設(shè)計，并對混凝土應(yīng)力應(yīng)變、溫度、結(jié)構(gòu)縫開合度等物理量進(jìn)行了實時監(jiān)測。通過實際監(jiān)測數(shù)據(jù)了解隧洞襯砌混凝土受力特點，并進(jìn)一步分析襯砌裂縫原因及預(yù)防措施。

2 隧洞襯砌裂縫監(jiān)測設(shè)計

2.1 工程概況

隧洞全長16 km，斷面為馬蹄形，成洞洞徑為6.0 m。根據(jù)圍巖分類Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ類圍巖襯砌厚度分別為70、60、50 cm。洞室襯砌混凝土采用二級配，強(qiáng)度等級為C35W12F200。采用鋼模臺車澆筑襯砌，每倉12 m，跳倉澆筑，拆模時間24 h。

2.2 監(jiān)測點布置

隧洞襯砌裂縫監(jiān)測布置L1和L2兩個監(jiān)測斷面，共計36支光纖光柵式傳感器(見圖1)，其中鋼筋計16支，應(yīng)變計8支，無應(yīng)力計2支，表面裂縫計4支，埋入式裂縫計4支，埋入式測縫計2支。鋼筋計監(jiān)測襯砌內(nèi)鋼筋應(yīng)力，主要布置在邊墻、拱頂和拱肩位置，沿環(huán)向和洞軸線方向各布置1支；應(yīng)變計及無應(yīng)力計用于監(jiān)測襯砌混凝土應(yīng)力應(yīng)變，應(yīng)變計與鋼筋計位置相同，沿環(huán)向布置；表面裂縫計用于監(jiān)測襯砌混凝土表面裂縫開合程度，裂縫出現(xiàn)后垂直裂縫方向安裝；埋入式裂縫計用于監(jiān)測襯砌混凝土與圍巖結(jié)合的變化程度，位于頂拱和拱肩；埋入式測縫計用于監(jiān)測襯砌混凝土施工分縫的變化情況，位于兩倉之間，距離底板1.5 m。觀測采用自動化設(shè)備，采集頻次1次/h。

圖1 隧洞襯砌裂縫監(jiān)測儀器布置示意(單位：mm)

(1)鋼筋計安裝。鋼筋計與襯砌混凝土內(nèi)的鋼筋采用平頭焊接方式，在焊接過程，確保儀器部位溫度不超過50 ℃，不得在焊縫處澆水以免影響焊接質(zhì)量。焊接作業(yè)時對光纜進(jìn)行保護(hù)，避免損傷。焊接完成后，傳感器光纜沿著鋼筋走線，每隔0.5 m用尼龍扎線綁扎好，必要時重點部位可采用膠粘固定。儀器光纜采用PE套管保護(hù)，引至斷面保護(hù)盒。

(2)應(yīng)變計安裝。應(yīng)變計用鋼筋上綁扎定位。應(yīng)變計埋設(shè)時嚴(yán)格控制方向，安裝期間須當(dāng)心避免對兩端塊施加過大的力，以防止傳感器在安裝時由于超出其量程而損壞。儀器光纜的走線、保護(hù)與鋼筋計相同。

(3)無應(yīng)力計安裝。首先將無應(yīng)力計放置的無應(yīng)力計筒內(nèi)，用細(xì)鉛絲將無應(yīng)力計固定筒內(nèi)中心位置。然后將無應(yīng)力計筒固定在埋設(shè)位置且大口朝上。儀器光纜的走線、保護(hù)與鋼筋計相同。

(4)表面裂縫計安裝。襯砌混凝土出現(xiàn)裂縫后，在混凝土表面裂縫兩側(cè)鉆孔，固定錨栓，安裝儀器支架。裂縫計方向與混凝土裂縫方向垂直，將裂縫計安裝在儀器的支架上。儀器光纜沿襯砌混凝土邊墻走線，儀器光纜直接接入主光纜。

(5)埋入式測縫計安裝。采用電錘在圍巖上鉆孔，將測縫計套筒安裝在鉆孔內(nèi)，采用界面膠粘連緊密。測縫計一端固定在套筒里，套筒填充棉花，避免混凝土漿液進(jìn)入。

(6)埋入式裂縫計安裝。在已澆筑混凝土的倉面上鉆孔安裝裂縫計套筒，然后在套筒內(nèi)安裝裂縫計。儀器光纜的走線、保護(hù)與鋼筋計相同。

3 隧洞襯砌裂縫監(jiān)測成果分析

通過對已襯砌洞段裂縫查看情況，各隧洞段已襯砌混凝土大部分裂縫為環(huán)向裂縫，且大部分位于倉位中段，呈規(guī)律性分布；裂縫多分布于邊頂拱范圍，長度12～15 m，小部分為半側(cè)裂縫，長度約2～6 m，裂縫寬度0.1～1.5 mm，大部分環(huán)向裂縫為貫穿性裂縫，有滲水或鈣質(zhì)析出；裂縫最早出現(xiàn)在混凝土澆筑結(jié)束后約15天前后。2015年5月27日開始安裝埋設(shè)儀器，至2016年6月20日為止，隧洞襯砌各測點監(jiān)測成果過程線見圖2。

監(jiān)測成果表明：

(1)表1為隧洞襯砌混凝土溫度觀測成果，隧洞襯砌澆筑時環(huán)境溫度在14 ℃左右，混凝土入倉溫度在25℃左右，混凝土澆筑后24 h內(nèi)達(dá)到最高溫度，L1斷面最高溫度35 ℃，L2斷面最高溫度40 ℃?；炷两禍刂饕l(fā)生在最高溫升后7 d內(nèi)，降溫幅度達(dá)20 ℃，襯砌混凝土散熱時長約1個月，之后混凝土溫度基本穩(wěn)定，主要受環(huán)境溫度影響。當(dāng)前混凝土溫度11 ℃左右，與環(huán)境溫度基本一致。

圖2 隧洞襯砌各測點監(jiān)測成果過程線

(2)從埋設(shè)的無應(yīng)力計來看，襯砌混凝土呈收縮狀態(tài)，混凝土當(dāng)前自生體積應(yīng)變在-245.44～-184.09 με；隨著混凝土溫度降低，混凝土收縮較快，主要收縮發(fā)生在混凝土澆筑后2個月以內(nèi)；計算得出L1斷面混凝土溫度線膨脹系數(shù)為8.8 με/℃，L2斷面混凝土溫度線膨脹系數(shù)為9.2 με/℃；混凝土應(yīng)變與溫度的復(fù)相關(guān)系數(shù)在0.96以上，混凝土自生體積變形受溫度影響最大；隨著溫度的降低混凝土收縮呈持續(xù)性，混凝土自生體積應(yīng)變隨溫度呈動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 隧洞襯砌混凝土溫度觀測成果

(3)從埋設(shè)的應(yīng)變計來看，混凝土受力拉壓不一，混凝土收縮過程中受周邊約束影響，混凝土以受拉為主，總體應(yīng)變較小，應(yīng)力應(yīng)變主要發(fā)生在混凝土澆筑后1個月內(nèi)，主要受溫度影響；當(dāng)混凝土拉應(yīng)變達(dá)到最大后，混凝土出現(xiàn)拉應(yīng)變變小壓應(yīng)變變大的趨勢；目前混凝土應(yīng)力應(yīng)變趨勢相對穩(wěn)定?；炷晾瓚?yīng)變最大的部位在L2斷面(樁號：D191+436.000)左邊墻的位置，應(yīng)變值為130.24 με；壓應(yīng)變混凝土應(yīng)變最大的位置在L2斷面(樁號：D191+436.000)，應(yīng)變值在-103.07 με。

(4)混凝土鋼筋應(yīng)力受力拉壓不一，以受拉為主，總體鋼筋應(yīng)力較小。混凝土澆筑初期，隨著混凝土溫度的逐漸下降，鋼筋應(yīng)力增長較快；隨著混凝土溫度的相對穩(wěn)定(16℃左右)，鋼筋應(yīng)力趨于穩(wěn)定。鋼筋應(yīng)力最大的部位在L2斷面(樁號：D191+436.000)頂拱和左邊墻位置，應(yīng)力值為69.88 MPa，沿斷面環(huán)向方向，與混凝土最大應(yīng)變在同一位置，且方向一致，這可能與周圍的地質(zhì)條件有關(guān)。

(5)圍巖與襯砌混凝土結(jié)合縫呈張開狀態(tài)，主要發(fā)生在混凝土澆筑后1個月內(nèi)，與混凝土無應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測成果一致。當(dāng)前最大開合度為1.07 mm，發(fā)生在L1斷面(樁號：D191+424.000)頂拱的位置，目前總體趨勢相對穩(wěn)定。

(6)混凝土施工縫呈張開狀態(tài)，主要發(fā)生在混凝土澆筑后1個月內(nèi)，與混凝土無應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測成果一致。隨著混凝土收縮，施工縫開合度增大；目前施工縫開合度受溫度影響明顯，當(dāng)前測值分別為1.38 mm和1.16 mm。

(7)混凝土表面裂縫開合度總體趨勢變小，裂縫出現(xiàn)后無明顯擴(kuò)展，目前處于穩(wěn)定狀態(tài)；裂縫出現(xiàn)時間與混凝土應(yīng)變計最大拉應(yīng)變出現(xiàn)時間基本一致。

4 結(jié)論和建議

4.1 結(jié) 論

(1)在混凝土澆筑后，由于水泥水化熱的作用導(dǎo)致混凝土溫度快速升高，1 d左右達(dá)到最高，而后逐漸降低到洞內(nèi)平均溫度?；炷猎缙趶?qiáng)度高，水化熱也高，當(dāng)內(nèi)部混凝土溫度高于外部混凝土的溫差大時，就容易產(chǎn)生裂縫。監(jiān)測到的混凝土內(nèi)部最高溫度約40 ℃，澆筑完成的混凝土外表面溫度與環(huán)境溫度15 ℃較接近，襯砌混凝土內(nèi)外溫差25 ℃，內(nèi)外溫差較大是造成混凝土襯砌開裂的主要原因。

(2)洞內(nèi)外空氣對流速度快，在洞口沒有采取封堵的情況下混凝土表面干燥，水化熱反應(yīng)過早停止，混凝土表面的抗拉強(qiáng)度低，而混凝土內(nèi)部水化熱還未停止，易形成混凝土應(yīng)力集中而產(chǎn)生表面裂縫；隨著混凝土溫度應(yīng)力增加，表面裂縫進(jìn)一步發(fā)展為貫穿性裂縫。

4.2 預(yù)防混凝土產(chǎn)生裂縫的措施

(1)控制混凝土原材料的溫度是實現(xiàn)溫度控制的主要手段。夏季采用了堆高骨料堆、料場上方搭設(shè)遮陽棚、骨料灑水、預(yù)冷骨料、利用夜間低溫澆筑。秋末冬初時節(jié)隧洞洞口封閉，采用熱風(fēng)機(jī)洞內(nèi)增溫、澆筑溫控全過程中跟蹤。

(2)夏季將選擇在夜間澆筑混凝土，延長拆模時間并適當(dāng)保溫或涂抹防止水分蒸發(fā)的養(yǎng)護(hù)劑。混凝土拆模后表面按照施工規(guī)范及時灑水養(yǎng)護(hù)。冬季施工則選擇白天氣溫較高時段澆筑。洞口處掛棉簾子保溫，冬季洞內(nèi)采取增溫措施。

4.3 裂縫的處理

隧洞洞身襯砌混凝土產(chǎn)生的裂縫基本為垂直洞軸線環(huán)向和橫向分布，初步分析為不屬于危害性裂縫，為非結(jié)構(gòu)性受約束溫度裂縫，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響不大，但對工程的防滲和結(jié)構(gòu)的耐久性有影響。根據(jù)工程運(yùn)行要求，結(jié)合裂縫的狀況，襯砌混凝土在回填灌漿和固結(jié)灌漿后對裂縫進(jìn)行處理。對于裂縫處理采用化學(xué)灌漿和表面覆蓋兩種方法[4]。

[1] 張素磊. 隧洞襯砌結(jié)構(gòu)健康診斷及技術(shù)狀況評定研究[D]. 北京： 北京交通大學(xué), 2012．

[2] 李財輝. 水工隧洞襯砌混凝土裂縫的防治及處理[J]. 福建建材, 2013(11)： 67- 68．

[3] 朱伯芳. 大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M]. 北京: 中國電力出版社, 1999．

[4] 李寧. 引水洞襯砌裂縫的影響及灌漿處理仿真分析[J]. 巖土力學(xué), 2001(6)： 163- 165．

MonitoringandCauseAnalysisofConcreteLiningCrackinginHydraulicTunnel

TIAN Zhenhua1,2, LI Baoshi3, WANG Jingchen3

(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China; 2. Beijing IWHR Technology Co., Ltd., Beijing 100048, China; 3. Liaoning Water Resource Management Group Company Ltd., Shenyang 110003, Liaoning, China)

For studying the cracking of thin-wall lining concrete structure, the concrete lining crack automatic monitoring system of a hydraulic tunnel is designed, which is able to real-time monitor the stress, strain, temperature, crack opening of concrete. The monitoring results show that the lining has penetrated cracks within one month after the completion of pouring, and the cracks are distributed from arch to side walls, even to whole tunnel section, but the crack opening is small and there is no obvious enlarging trend. From the analysis of monitoring data, it is found that the heat dissipation of thin-wall concrete is faster, the temperature drop gradient of concrete is larger and the internal temperature stress of concrete is higher. As lining concrete surface curing is not carried out, the dry shrinkage of surface concrete further promote the development of cracking in internal concrete. After the cracking, the stress in lining concrete will be re-distributed, so the cracks will not further develop．

tunnel; concrete lining; crack; safety monitoring

TV698.11

A

0559- 9342(2017)09- 0045- 04

2017- 03- 24

田振華(1986—)，男，河南濮陽人，工程師，博士研究生，主要從事大壩等結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測工作．

(責(zé)任編輯王 琪)