第２期（总第１９６期） 文章编号：１００６—８１３９（２０１５）０２—０３３—０２ 山西水利科技 ３３ 输水隧洞二次衬砌混凝土裂缝产生原因和控制措施 肖海晖 （山西省水利建筑工程局山西太原０３０００６） 摘要：阐述了输水隧洞二次衬砌混凝土产生裂缝原因、危害并且从施工材料和施工过程控制上 对输水隧洞二次衬砌混凝土裂缝的预防提出了控制措施 关键词：隧洞；一次支护；二次衬砌混凝土；裂缝；控制 中图分类号：ＴＶ５５４ 文献标识码：Ｂ Ｃａｕｓｅｓ ｏｆ Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ｃｒａｃｋｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ－ｔｉｍｅ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｌｉｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｗａｔｅｒ Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ Ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅａｓｕｒｅｓ ＸＩＡＯ Ｈａｉ－ｈｕｉ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｔｈｅ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｃｒａｃｋｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ－ｔｉｍｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｌｉｎｉｎｇ ｏｆ ａ ｗａｔｅｒ ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ ｃｒａｃｋｓ’ｈａｒｍ．ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｓｏｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｂｏｕｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ． ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ；ｆｉｒｓｔ－ｔｉｍｅ ｓｕｐｐｏｒｔ；ｓｅｃｏｎｄ－ｔｉｍｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｌｉｎｉｎｇ；ｃｒａｃｋ；ｃｏｎｔｒｏｌ 随着经济的发展和技术的进步，特别是国家对基 础设施建设的高度重视，我国对各类隧洞的建设取得 了长足的进步。在水利工程隧洞施工中，开挖作业完 毕后根据围岩揭露情况要进行喷锚支护或拱架喷锚 支护，以确保施工安全，称为一次支护。隧洞收敛变形 影响二次衬砌混凝土的耐久性，进而影响隧洞的使用 寿命。因此，水利工程隧洞二次衬砌的混凝土施工过 程中要尽量避免裂缝的产生，尽量减少裂缝的数量和 宽度，避免宽大裂缝的出现。对宽大的裂缝要修补处 理，保证工程质量和使用寿命。 稳定后要进行混凝土衬砌作业，称为二次衬砌混凝 土。二次衬砌混凝土的质量至关重要，二次衬砌混凝 ２二次衬砌混凝土裂缝形成原因分析 二次衬砌混凝土裂缝产生的原因是多种多样的， 土既起到隧洞输水运行的承载，又起到外水内渗和内 水外渗的屏蔽作用。二次衬砌混凝土是隧洞渗漏水的 屏障，是隧洞安全运行的关键，是工程建设的重要环 节，直接关系到工程的运行和使用寿命。 有施工原材料质量方面的原因、有设计合理性方面的 原因、有施工过程中工序质量控制的原因等，但主要 是施工过程中工序质量控制和施工原材料质量而造 成的，根据现场施工资料统计，由于施工过程中工序 质量控制因素造成混凝土早期裂缝的大约占８０％多， 因混凝土原材料质量原因造成混凝土早期裂缝的大 １二次衬砌混凝土的开裂形式 水利工程隧洞二次衬砌的混凝土施工过程中，会 在混凝土表面及内部产生各种各样裂缝。在表面会产 生环向裂缝、纵向裂缝、斜向裂缝，严重的会形成贯通 约占１５％左右。因此在工程建设中应尽量采取有效措 施控制混凝土早期裂缝产生。 裂缝。贯通裂缝的存在通常会使混凝土内部的钢筋发 生腐蚀现象，降低钢筋混凝土的承载能力、抗渗能力， 收稿日期：２０１５—０３—２５ ２．１材料的影响 混凝土是一种由砂、石、水泥、水、粉煤灰及其他 作者简介：肖海晖（１９７２一），男，１９９３年毕业于山西省机械工业学校工企电气化专业，２０１２年毕业于中南大学土木工程专业，工程师。 ３４ 肖海晖：输水隧洞二次衬砌混凝土裂缝产生原因和控制措施 ２０１５年５月 胶凝材料、外加剂组成的非均质材料。①水泥的影响： 水泥品种对混凝土裂缝的产生有很大影响，水利隧洞 量的影响：级配较差的粗纱或细沙，其空隙率较大，表 面积较大，单方混凝土水泥用量和需水量就较大，从 而导致水化热较大和裂缝增加；所以，在使用中应严 格控制粗骨料和细骨料的颗粒级配、空隙率、含泥量， 要尽量避免使用ｃ （铝酸三钙）大和细度大、需水量 比大的水泥。水泥细度越大，用水量越大，水泥水化反 映越快，容易引起混凝土干燥收缩变形越大，产生较 大的张力，混凝土越容易开裂。②骨料的影响：骨料级 配不好和骨料粒径过小、针片含量和超逊径过大，会 降低混凝土收缩变形产生裂缝。③掺和料的控制：由 于粉煤灰是混凝土中主要的活性骨料，可以与水泥进 行二次反应，可以减少水泥用量，降低混凝土的水化 使混凝土收缩变形增大从而导致裂缝；骨料含泥量越 大和泥块含量，严重阻碍了骨料与砂浆间的黏结，致 热并提高混凝土和易性及后期强度。粉煤灰细度越 大，参加二次水化反应的界面就会相应增加，在混凝 使混凝土强度降低，特别是混凝土的劈裂抗拉强度和 混凝土与岩石的粘结强度，在相同条件下，骨料含泥 量大和有泥块含量的混凝土更容易开裂和出现蜂窝 现象。③配合比的影响：水泥及胶凝材料用量过大、水 灰比太大、骨料级配不佳及选用的外加剂与水泥适应 性不好等配合比设计不当，这将直接影响混凝土的抗 拉强度，在相同应变情况下混凝土越容易开裂。试验 资料显示：水泥用量不变，用水量增加１０％，混凝土强 度降低２０％，混凝土与钢筋黏结力降低１０％；水量不 变，水泥增加１０％，混凝土收缩增加５％。 ２．２施工过程中的原因 施工中过分振捣、过早拆模、现场养护不当都是 施工过程中诱使混凝土产生裂缝的环节。①过分振捣 导致粗骨料沉落，砂浆上浮，形成泌水，造成混凝土表 面和内部的不均匀，在凝固过程中表面有较大的收 缩，水分蒸发后容易形成凝缩裂缝。②混凝土面不及 时养护，表面水分迅速蒸发，产生收缩，发生裂缝。③ 在施工过程中，混凝土还没有达到拆模的强度就拆模 了，过早拆模会使顶拱的混凝土产生内伤或断裂，产 生裂缝。一般混凝土的拆模时间为其强度的７０％。④ 混凝土拌和计量不准确，变相地改变了设计配合比， 形成不恰当间断级配，从而诱发裂缝产生。 ３二次衬砌混凝土裂缝控制措施 ３．１施工材料上的控制措施 ①水泥质量的影响及控制：细度较大和比表面积 较大的水泥，水泥容易产生裂缝，尽量使用细度和比 表面积较小的水泥。在施工中一般采用中热硅酸盐水 泥和低热矿渣水泥，为了降低水化热，尽量采取早期 水化热低的水泥，降低水泥熟料中铝酸三钙和硅酸三 钙的含量，选择适宜的矿物组成和水泥。②骨料质量 的影响及控制：粗骨料级配越差，孔隙率越大，表面积 越大，单方混凝土的胶凝材料用量和需水量比就越 大，从而导致水化热增加，裂缝增加和增多；细骨料质 土中满足各项指标的同时，尽量达到优选的粉煤灰掺 量，使混凝土更加致密，收缩量减少，混凝土的裂缝也 会减少，并增加混凝土的后期强度，在实际施工中要 根据实际情况试验确定粉煤灰的用量，一般为胶凝材 料掺量的１５％～２５％。④优化配合比：水利隧洞工程对 混凝土的抗渗性十分重视，一般来说，单位体积混凝 土的水泥用量越大，其强度和抗渗性也越高。在保证 混凝土耐久性指标和强度的前提下，尽量减少每方混 凝土的水泥用量。所以工程上对混凝土的强度和抗渗 性都通过试验进行严格控制，为提高混凝土的耐久性 及其他指标，尽可能的添加活性材料，减少水泥用量 和选择优良的高性能减水剂，在混凝土中满足强度及 耐久性各项指标的同时，降低成本，减少水化热、减少 混凝土裂缝等负面影响。 ３．２施工过程中的控制措施 ①优化施工方案：依据施工环境制定适宜的施工 方案，根据设计图纸的仓面分缝施工。根据模板台车 的尺寸和超欠挖统计确定每次浇筑的混凝土量，合理 配置浇筑时间、运输及振捣方式等。在施工阶段混凝 土要有合适的配合比，配合比不仅要满足设计和强度 的要求、还要考虑防止裂缝的要求，在满足设计强度 的原则下，尽可能减少水泥的用量。②钢筋模板安装： 钢筋的制作安装要规范，架立筋要牢固，以免浇注时 钢筋移位变形。钢筋的氧化皮和污物要清除，以免影 响和混凝土的胶结力。模板拼装要严丝合缝、位置准 确、牢固，模板表面要清理干净，在浇注前要保持表面 湿润。严禁模板变形位移而跑模，影响混凝土外观质 量。③浇筑：浇筑过程要左右对称连续浇筑，杜绝冷 缝，振捣要科学合理，严禁过振、漏振。浇注过程中的 间歇会出现混凝土力学性状的不连续，在隧洞运行期 这种不连续可能会发展成水平裂缝。过振会使混凝土 骨料发生分离现象，振捣不足会使混凝土的密实度不 足，影响混泥土的强度指标。④拆模和养护：拆模时间 要根据现场同环境试块的压制强度（下转第４４页） 任增光：关于蔡庄水库清淤方案的构想与分析 情况，只能选择在库区内就近堆弃的方案。 一２０１５年５月 １．０亿元以内。 是利用库区内大坝左岸上游侧的两条支沟内 建设两座淤地坝来堆置淤泥。两条沟道控制面积均在 １ ｋｍ。以内，沟内无人口居住，零星分布着小块坡地。 适宜进行淤泥堆弃。但存在的问题是受拦泥坝高的限 制，两座拦泥坝总库容经过计算为１８０万ｍ，，不能满 足淤泥堆弃的需要。因此，二是可以在水库北侧主河 ４．２效益分析 １）相较于新建同类供水规模的小（一）型水库而 言，蔡庄水库清淤项目存在投资小、见效快、效益高、 建设周期短、审批流程简单的优点，同时不涉及移民、 淹没赔偿、规划占地等优势。 ２）针对蔡庄水库当前淤积严重的现状，通过清淤 槽内建设拦泥堤，就近排泥，拦泥堤高度控制在 工程的实施可以有效地延长水库的淤积寿命，增加河 ３．０ ｍ，用于推弃剩余约９Ｏ万ｍ，淤泥。淤泥倾倒方案 及清淤范围如图２如示： 道的水力坡降，减轻因河道淤积抬升给上游村庄和耕 地带来的影响，有较好的社会效益。 ３）水库可供水量的增加可有效地改善当地日趋 严重的水资源短缺形势，为当地工业发展提供可靠的 水源，推动区域经济转型发展。通过当地工业用水效 率反向推算，可拉动当地ｌＯ一２Ｏ亿元工业增加值增长 量，有着良好的经济效益。 ５结论 通过对蔡庄水库清淤项目的构想与分析，认为该 项目符合当前寿阳经济社会发展的需求，项目建设能 够缓解当前寿阳县域水资源紧张的现状，提高地表水 图２水库清淤范围及淤泥倾倒方案 利用比例和效率，具有良好的经济和社会效益。 由此从蔡庄水库的情况引深到全省，我省大部分 中小型水库均建设于上世纪６０、７Ｏ年代，占用了最好 的水源条件和地形条件，目前均面临着淤积严重、供 水能力严重不足的状况。我省当前正处于转型综改的 关键时期，水资源短缺已成为制约全省经济社会发展 ４投资与效益 ４．１投资分析 目前国内及国外对于江河湖库清淤疏浚工程均 有成熟的经验和技术，结合我省近年来孝义张家庄水 库和汾河四坝清淤项目的建设经验。根据工程量的大 小和淤泥排距、排高等的技术要求，综合单价在均在 的主要瓶颈。水库清淤工程的实施与当前新水源项目 的建设并不存在根本矛盾，但其周期短、见效快、效益 高的优点无疑具有着更现实而长远的意义。 ＾Ｌ Ｌ ＾Ｌ 屯．ｓ ．ｓ ３０元／ｍ，以内。因此蔡庄水库清淤项目投资可控制在 ．ｓ ｊ止．－ｓ屯．Ｓ 止 止．ｓ ＩＬ 也 ＪＩ．ｓ ．ｓ屯 Ｌ．ｓ屯 屯 疋．ｓ （上接第３４页）卡准确，严格执行规范标准。保证混 样，隧洞在使用过程中二次衬砌混凝土结构所受的围 凝土达到强度后拆模以及拆模后足够养护时间。⑤加 强一次支护：隧洞开挖过程中要根据实际揭露的地质 条件，及时调整开挖作业的方法和支护型式。防止隧 洞开挖过程对围岩有较大扰动，加强一次支护。塌方 岩外力也各种各样。围岩整体下沉产生竖向荷载，节 理构造斜向滑动产生的偏压载荷，仰拱基础软化产生 的隅角内移变形。各种载荷共同作用于二次衬砌混凝 土结构，随着时间的推移容易使混凝土内的原有裂缝 区域和不良地质区域一次支护后要提前灌浆处理，避 免隧洞二次衬砌后承受巨大的松散压力和变形压力， 逐渐扩大，在严重的情况下，会使二次衬砌混凝土的 应力增大到其强度极限，发生新的裂缝。可见，施工阶 段是隧洞衬砌裂缝控制的主要阶段，在施工阶段有效 以免在运行期产生裂缝。在软岩地段做好隧洞仰拱， 处理好衬砌基底，搞好防排水，避免使用期衬砌基底 遇水软化造成隧洞衬砌隅角内移。 的控制住了二次衬砌混凝土结构的细小裂缝，在工程 运行阶段二次衬砌混凝土结构开裂的可能性就大大 ４结束语 隧洞在建设中实际揭露的工程地质环境各种各 地减小了。因此，我们在施工中要优化施工方案，加强 施工管理，深化施工过程控制，减小隧洞二次衬砌混 凝土各种裂缝的产生，确保隧洞的安全运行。