引汉济渭输水隧洞二次衬砌混凝土裂缝原因分析.pdf

1概 况 引汉济渭工程秦岭输水 隧洞全长 9 8 k m， 其中越岭段全长 8 1 5 8 k in， 最大埋 深达 2 0 1 2 m，难分割的一段输水隧洞长 达 4 0 k m，独头掘进最大长度达 1 3 2 8 0 m。 隧洞由中国铁建第一勘察设计院设计 ， 设计流量 7 0 m S s ，无压输水 ，进 口高程 5 3 7 1 7 m，出口高程 5 1 0 0 m，纵坡比降 1 0 0 0 ，分段采用 6 7 6 m X 6 7 6 m的马蹄 形断面和内径为 7 1 6 m的圆形断面， 其 中钻爆法施工长度 4 2 2 9 k m， T B M法施 工长度 3 9 2 9 k m 。 隧洞穿越地层主要为不 同时代的变质岩及花岗岩、 闪长岩。洞室 围岩主要有 、 类围岩， 其中类围岩 段总长 3 6 9 9 0 m约占4 5 2 ； 1 V类围岩通 过长度 1 7 8 7 5 m约 占 2 1 9 。钻爆段 洞室 温度 在 2 3度左 右 ， 湿 度 7 5 ， 施 工方法 为先浇筑拱墙、 拱顶， 后浇筑仰拱， 二衬 混凝土浇筑设计标号 C 3 0 W6 F 5 0 。除、 V类围堰衬砌配筋外 ，其他均为素混凝 土， 衬砌厚度 3 0 e ra一6 0 c m ， 二次衬砌混凝 土模板长度为 1 2 m。 在业 主巡查过程 当中 ，发 现 2 、 3号 试验洞的二次衬砌混凝土都出现不同程 度裂缝 ， 为了尽快查明原因， 确定防治方 案 ， 业主对裂缝情况进行了检测， 并召集 有关各方及专家对裂缝成因进行了专题 研讨 ， 通过 多次试验 ， 最终在多方共 同努 力下， 使二衬裂缝问题得到很好控制。 2第三方检测情况及分析 2 1 原材料 画 瓣 吴浩力 的细骨料、 粗骨料 、 水泥为原混凝土配合 比试验时送检材料 ，施工材料各项技术 质量指标符合设计要求和规范标准。 2 2混凝土强度 隧洞衬砌混凝土强度和密度检测采 用钻芯取样室内试验 ，取芯钻孔布设在 裂 缝 区( 裂缝 测量 点处 ) 和非裂 缝 区( 距 裂缝 1 0 m以外) ，由于隧洞衬砌裂缝区 衬砌混 凝土 的芯样裂 缝均 已贯通 ，无 法 制成试样，隧洞衬砌混凝土强度试验只 进行 了非裂缝 区的试验 。 非裂缝区衬砌混凝土布设取芯钻孔 检测断面 8 条 ( 其中2号洞 3 条 ， 3号洞 5条) ， 每条断面上布设取芯钻孔 3个， 每 个钻孔深 3 0 c m， 共布设取芯钻孔 2 4个。 抗 压强度试验 l 6组 ( 其 中 2号洞 6 组 ， 3 号洞 1 0组) ； 密度检测试验样 8 组( 其 中 2号洞 4组， 3号洞 4组) 。钻孔芯样直径 1 0 0 m m， 切割打磨后制成高 l O O m m试样 ( 高径比为 1 ： 1 ) 。 根据芯样抗压强度室内试验资料统 计成果分析 ： 1 ) 2号洞 C 3 0混凝土芯样抗压强度 R b = 3 0 1 4 0 0 M P a ，平均抗压强度 R n = 3 4 1 MP a ， S n = 4 0 8 8 MP a ， Rn 一 0 7 S n= 3 1 2 MP a Rb =30 0MPa R n一1 6S n =27 6M Pa 0 8 3 R b = 2 4 9 M P a ，强度统计数据的离差 系数 C v 0 1 4 。 2 ) 3号洞 C 3 0混凝土 芯样抗 压强度 R b = 2 6 9 3 2 1 MP a ， 平 均 抗 压 强 度 Rn =3 0 3MP a ， S n =1 8 9 MP a ， Rn 一 ( 1 7 S n = 2 8 9 MP a 0 8 3 Rb =2 4 9 MP a ， 强度统计数据的离差系数 C v 0 1 4 经检测 ：各隧洞衬混凝土施工选用 根据隧洞衬砌混凝土抽检芯样抗压 作者 系陕西省 引汉济渭工程协调领导 小组办公室工程 师。 强度室内试验资料分析， 2 号洞衬砌混凝 土的强度达到了设计要求和规范标准 ； 3 号洞衬砌混凝土的强度小于设计要求。 2 3混凝土密度 从隧洞衬砌 ( 非裂缝区) C 3 0混凝土 芯样密度室内试验资料统计成果来看 ： 1 ) 2 号隧洞衬砌 C 3 0 昆凝土密度 = Z 3 4 g c m Z 4 O g c m 3 , 平=啕密度= 2 3 6 3 g c m 。 2 ) 3号隧洞衬砌 C 3 0混凝土密度 = 2 1 7 I l l 2 3 0 8 g e m ， 平 均 密 度= 2 2 4 2 e m 。 根据隧洞衬砌混凝 土芯样密度抽 检 试验资料分析 ，隧洞衬砌混凝土的密度 偏小， 均匀性较差。 2 4隧洞混凝土衬砌厚 度 1 ) 2号洞衬 砌混凝 土钻孔 取芯检 测 点厚度 为 2 6 0 c m3 8 5 e ra，平均 衬砌厚 度 3 2 9 c m， 厚度检测合格率为 8 8 9 ； 超 声波检测点的厚度为 2 7 5 c m3 6 8 c m， 平均衬砌厚度 3 2 8 c m，检测点厚度合格 率为 7 7 8 。 2 ) 3号洞衬 砌混凝 土钻孔 取芯 检测 点厚度为 2 6 c m 5 9 c m，平均衬砌厚度 4 0 4 c m， 厚度检测合格率为 9 2 3 ； 超声 波检测点的厚度为 2 8 5 c m5 5 8 c m， 平 均衬砌厚度 3 8 7 c m，检测点厚度合格率 为 9 2 - 3 。 2 5隧 同 衬砌 昆 凝土裂缝的分布特征 从现场调 查资料来看 ，隧洞衬砌混 凝土体裂缝以环向裂缝为主，横向和纵 向裂缝分布较少 ，有渗水的裂缝主要分 布于 3号洞，环向裂缝贯通隧洞的顶拱 和侧壁， 长度为 1 7 0 m1 7 4 m， 纵向裂缝 长度 5 0 m1 0 0 m， 横 向裂缝一般 为环向 和纵向裂缝的交叉分支 ，长度为 3 0 m一 5 0 m。环向裂缝和横向裂缝之间的间 距一般 为 3 0 m4 0 m， 最小 的 1 0 m一 2 0 m。 3号洞渗水的裂缝多位于拱脚以 上 2 0 m5 0 m处， 裂缝的一般宽度为 0 5 ra m1 O IT I IT I ， 最宽 2 2 ram， 渗水裂缝 的宽度大于 1 2 m m。 2 6隧洞衬砌混凝土裂缝表面宽度测 试 裂缝宽度测试采用 WY S X 一 1 0 0 X 读数显微镜 ， 读数精度 0 0 5 m m。裂缝 宽度测试过程首先对裂缝按分布特征 进行归类 ， 并编号 ， 详细记录裂缝的位 置及特征。然后进行裂缝宽度的测试。 裂缝宽度测试断面主要布设在各标段 不同类型的典型裂缝上 ， 每条裂缝检测 断面按不同部位 ( 裂缝的两端附近和中 部) 各布设测量 3处， 每处测量点数据 采集 3 个， 共布设裂缝宽度检测断面 1 2 条( 2 号洞 3 条， 3号洞 9条) ， 布设测量 点 4 0 处 ， 采集裂缝宽度数据 8 0个。 根据裂缝宽度检测资料统计成果 分 析 ， 2号 洞 检 测 裂 缝 宽 度 为 0 1 5 mm2 2 ram， 平均宽度 0 8 9 m m； 3 号 洞 检 测 裂 缝 宽 度 为 0 2 0 ra m 1 7 5 mm， 平均宽度 0 8 8 m m。 2 7混凝土衬砌厚度与裂缝深度 成果来看 ( 1 ) 2号洞超声波检测点衬砌混凝 土厚度为 2 7 5 c m3 6 8 c m，裂缝深度 29 6 c m 38 8 e ra。 ( 2 ) 3 号洞超声波检测点衬砌混凝 土厚度为 2 8 5 c m5 5 8 e ra，裂缝深度 2 78c m 53 2c m。 根据钻孔检测和超声波检测资料 综合分析 ，隧洞衬砌混凝土层表面裂 缝已穿透了混凝土衬砌层。 2 8 二次衬砌裂缝检测成果分析 1 ) 隧洞二衬混凝土施工过程中选 用的细骨料、 粗骨料 、 水泥为均原混凝 土配合比试验时送检材料，施工材料 各项测试指标符合规范标准。 2 ) 根据隧洞衬砌混凝土芯样抗压 强度检测资料分析 ， 2号洞检测段衬 砌混凝土的强度达到了设计要求 ， 3 号洞检测段衬砌混凝 土的强度小于 设计要求和规范标准。 3 ) 2号 洞 衬 砌 混 凝 土 厚 度 为 2 6 c m3 8 5 c m， 平均衬砌厚度 3 2 9 c m， 检 测点 衬砌 厚 度合 格 率 为 7 7 8 8 8 9 ； 隧洞衬砌混凝土裂缝表面宽度 为 0 1 5 m m一2 2 ra m，检测裂缝均已穿 透了混凝土衬砌层。 4 ) 3号 洞 衬 砌 ? 昆凝 土 厚 度 为 2 6 c m 5 9 c m，平均衬砌厚度 4 0 4 c m， 检测点衬砌厚度合格率为 9 2 3 ； 隧 洞衬 砌混 凝 土体裂 缝表 面宽 度 为 0 2 0 ram1 7 5 mm， 检测裂缝均已穿透 了混凝土衬砌层。 5 ) 钻孔取芯观测 ， 混凝土芯样中 存在大量气孔 ，隧洞衬砌混凝土密度 较小， 均匀性差 ， 所检裂缝均穿透了衬 砌混凝土层，裂缝宽度由拱脚向顶拱 有变宽现象，且个别芯样的裂缝有劈 裂碎石现象。 综合分析认为：隧洞衬砌混凝土 裂缝的产生与施工工艺造成的混凝土 衬砌局部振捣不到位 ，混凝土体密度 按 防渗要求衬砌结构的设计原 则 l 衬 砌 的 防 渗 要 求 计 算 控 制 衬 砌的 设 计 原 则 I 严格 衬砌结构中拉应力超过混凝土允许压应力 抗裂设计 一 般 衬砌结构裂缝宽度不应超过允许值 限制裂缝宽度设计 不计算裂缝宽度和间距 ，钢筋应力不应超过赶 紧 不限制裂缝宽度设计 无 允许拉应力 路 。作为 T B M施工通道 的 3 、 6号斜 井， 因为已按试验洞提前建设， 不会再 影响工期。从 3 、 6号洞底采用钻爆法 相向施工步进洞。由于 4号斜井施工 长度达 5 7 8 4米， 工期较长， 因此斜井需 在 T B M到达斜井与主洞交汇处之前 贯通 ，以保证 T B M段通风和设备检 修， 使之成为关键工作。7号斜井工区 钻爆段及出 口钻爆段工 区独头掘进距 离长， 通风困难 ， 也使该工区成为关键 工作 。 2 0 1 5年 6月底前 T B M进场并掘 进 ， 2 0 1 9年上半年建成秦岭隧洞。 3 3 受水区输配水 根据分期配水规划 ，建设黄池沟 ( 秦岭隧洞越岭段出口) 西安段供水 工程，供水工程干线中的隧洞一次建 成， 其他过沟 、 跨河 、 填埋涵洞等可按 照分期配水量进行分期规划实施 ， 供水 工程干线为黄池沟 西安子午镇段。 黄 池沟分水池至子午镇规划选用双暗渠 无压输水， 设计流量为 4 4 8 3 m3 s ， 线路 长度 6 7 6 k m。 输配水工程南干线黄池沟 西安 段按工期应不晚于2 0 1 5年底前开工 ， 最迟在 2 0 2 0年 1 0月建成并达到通水 条件 。 3 4三河L I 水利枢纽工程与秦岭隧洞 工程的工期协调 由于三河 口水库主体施工工期较 秦岭隧洞短 ，为避免水库施工与隧洞 施工相互干扰 ，在工期协调上应优先 保障秦岭隧洞 ，将三河口水利枢纽工 程主体的开工时间适当错后 ，在隧洞 施工运输高峰期结束前保证过枢纽及 库区道路的畅通。 此外， 在水库大坝截 流前应妥当设置河道两岸的施工作业 面，以免大坝截流对库区段隧洞施工 造成影 响。 4 结论 通过上述条件分析，引汉济渭工 程可以在 2 0 1 9年建成 ， 能够满足先期 通水要求 ， 不制约 2 0 2 0年先期通水 目 标实现。但是 ， 也还要注意： 一要尽可 能利用现有建设条件，尽快进入主体 工程施工 ；二要保证开工工程的技术 可靠性 ， 三要防范技术风险 ； 合理安 排建设强度 ， 均衡资金需求 ； 四要保 证关键线路工期 ，注意关键工作 ， 注 重不同部位的工期协调。陕西水利 ( 责任 编 辑 ： 王剑 ) _。 1 1 0 岩洞衬砌型式选择 压力 设计 最小覆盖 承担 内水 围岩分类 备注 状态 原则 厚度要求 压能力 I、 、 V 研究是否采用预 抗裂 钢筋混凝土并加防渗措施 应力混凝土 锚喷、 钢筋 无压 限裂 钢筋混凝土 混凝 土 锚喷、 钢筋 非限裂 不衬砌 、混凝土 、 锚喷 混凝土 低， 均匀性差有关。 3其他原 因分析 3 1素混凝土缺乏限裂构造 本工程属于无压隧洞， 拱墙衬砌混凝 土设计要求为： 、 、 类围岩拱墙分别 采用 C 2 5素混凝土、 C 2 5 C 3 0素混凝土和 C 3 0钢筋混凝土， 防渗等级均为 W6 ， 应属 于一般防渗要求。 鉴于素混凝土的防渗性 能较差 ， 一般只用于无防渗要求的混凝土 衬砌施工， 依据如下 ： 根 据水 工 隧 洞 设 计 规 范 SL _2 7 9 2 0 0 2 ) 第 6 1 7条( 如下表) ， 衬砌 的防渗要求为一般时，衬砌设计原则为 限制裂缝宽度设计。 同时根据 水 工 隧洞 设 计 规 范 S L _2 7 9 2 0 0 2 ) 第6 1 1 0条( 如下表 ) ， 无压 隧洞在限裂设计的情况下，隧洞衬砌形 式应选择钢筋混凝土 。 根据上述水工隧洞设计规范的要求， 素混凝土主要应用在无防渗要求的非限 裂洞段 ，而本工程混凝土防渗等级为 W6 ，应根据限裂设计的要求选择钢筋混 凝土， 才能有效控制混凝土裂缝的发展。 3 2先浇 注拱墙 导致二衬 混凝土 自重 拉 裂 本工程 均采用先浇 注拱墙 、后浇 注 仰拱的方法进行混凝土浇注施工。在仰 拱未浇注之前，由于混凝土底部缺乏支 撑 ， 在拱墙混凝土自重的作用下， 会导致 拱墙混凝土内表面产生拉力，当这个拉 力超过混凝土的抗拉极限时便产生裂 缝。这个拉力的大小和位置与隧洞水平 和垂直收敛的差异程度有一定的关系。 3 3由高埋深应力释放及地质原因所造 成的裂缝 根据承包人对围岩进行监控量测的 结 果 ，本 工程 隧洞 水平 收敛 速度 小 0 2 m m d ，拱顶下沉速度小于 0 1 5 m m d ， 围岩基本稳定 ， 但应力依然存在， 存在应 力变形导致裂缝的问题。随着隧洞埋深 的增加， 应加强对围岩收敛变形的监测 ， 选择合理的衬砌时机，防止高地应力导 致混凝土变形和破坏。 3 - 4富水段渗水引起的裂缝 引水洞部分洞段为富水洞段， 3号洞 “ 8 4 ” 涌水出水口附近 ， 根据该洞段附近 连续 1 0模出现较多裂缝且有水渗出的 情况，推断该洞段在浇筑前仍有散水点 存在，且个别模在浇筑前的引排工作不 理想，混凝土浇筑完成后早期强度不够 时， 散水集中后压力增大造成渗水通道 ， 产生薄弱环节 ，在混凝土温度下降收缩 时， 渗水点处容易产生裂缝。 3 5脱模时间晚， 导致未能及时养护而产 生裂缝 根据承包人实验资料，混凝土在浇 注完成后 2 4 h一2 8 h到达最高温度， 这也 是最需要洒水养护的时间，但 2号洞混 凝土因未拆模导致不能及时进行养护 ， 在拆模后开始养护时( 4 8 h8 0 h ) 混凝土 已经处于温度下降阶段，而在温度最高 峰时因未拆模导致不能进行养护工作 ， 不利用混凝土温度控制 ，增加了裂缝发 生的可能性。加之混凝土 自身水化热作 用， 加速了混凝土表面水份的蒸发作用 ， 如果在拆模后的剩余养护期内仍未能严 格控制养护施工质量，则混凝土干缩作 用会加剧 ，从而有可能产生干缩和温度 裂缝。 3 6由混凝土厚薄不均所造成的裂缝 由于钻爆法开挖洞段超挖现场导致 衬砌混凝土厚薄不均，在厚薄结合部位 应力集中， 较厚部位水化热大， 薄部位水 化热相对较小， 在降温过程中， 薄部位降 温速度较厚部位快， 在这个阶段厚、 薄部 位就产生了温度差，收缩程度不一致产 生温度应力从而在厚薄结合部位容易产 生裂缝。本工程已施工洞段衬砌厚度为 3 0 3 5 c m， 在存在超欠挖的情况下 ， 衬砌 ? 昆 凝土厚度变化更为明显，不同厚度混 凝土的温差也将更为明显 ，也更容易出 现温度裂缝 。 4结语 引汉济渭工程是陕西省省重点水利 工程， 更是民生工程。鉴于输水隧洞埋深 大， 地质条件复杂， 加之现场施工环节又 伴随诸多不确定因素 ，要控制好质量 ， 必须完善设计 ， 坚持标准化施工 ， 严格 过程管理 ， 加大监督力度 ， 及时发现问 题并妥善处理 ， 确保工程能够保质保量 完成 。陕西水利 ( 责 任 编 辑 ： 王剑 )