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衬砌混凝土裂缝产生的原因及处理方法

地下输水隧洞特别是有压隧洞是我国水利水电工程建设中常有的施工项目，但隧洞衬砌混凝土产生的裂缝不仅会破坏混凝土结构，影响隧洞的使用寿命，处理时费工费时增加成本，增加工期，所以如何判断裂缝产生的原因并采取适当的处理方法对于此类项目有重要意义。
一、概述
汾河一库至汾河二库一号二号洞位于山西省古交市西北36公里处，总长2360m，为有压输水遂洞，设计开挖断面为圆形，直径D=4.20m，砼衬砌厚度40cm，衬砌后洞径3.80m，由于施工需要，隧洞开挖时断面形成马蹄形，并设置了间距为100m的倒车洞。
    隧洞地质条件良好：多为白云岩白云质灰岩属于II、III类围岩，无重大地质构造，地下水不发育。
    砼浇筑前清基发现，隧洞底部两侧和顶拱局部超挖严重，平均为25 cm最大处为80 cm。
设计砼浇筑段为12m，施工时采用液压式针梁模板全断面一次衬砌，设计环向钢筋为Φ22，纵向分布钢筋Φ12，砼设计标号为C20W6F50 ，采用二级配泵送砼，骨料为人工碎石，天然河沙，掺高效减水剂MF-2掺量为5%，砼配比见附表一。
二、裂缝的调查及分布状况
2#洞开挖结束后，于九九年七月二十四日浇筑第一段砼，以后平均3天完成一段砼浇筑，工期经历春、夏、秋、冬四季，后发现砼产生裂缝，表现为：有很强规律性，一般在浇筑段中部，春秋季浇筑的砼多为一侧呈环向（或两侧腰线以下），夏季裂缝多为一环（横向一周），且多为砼浇筑后5-7天左右产生,裂缝分渗水和干缝(不渗水)两种。裂缝调查及分布情况见附表二。
三、裂缝产生的原因分析
    1.砼的配合比的选择
    施工所用的配合比是经过室内试验后取得的，水泥掺量为280-330 kg/m3之间，符合泵送砼要求，施工中使用的大同普硅525#水泥从多年的使用和检测结果看，该厂家水泥的强度、安定性等方面是稳定和良好的。已浇完砼共取样312组，检测结果为全部合格，平均强度为 31Mpa，在现场及有关单位进行的回弹仪无损检测结果也是理想的，强度为32-33MPa。另外，分析砼裂缝形状、规律和水泥掺量大的所产生的裂缝形状、尺寸、规律也不相符，可以判断：裂缝的产生与配合比无直接关系。
2.砼的浇筑方式
在施工中，4#洞的全断面砼衬砌是由2#拌合站供料的，砼搅拌车运料，运距0.5km，到现场后，由砼泵输送进仓号，（每块间隔3天左右），施工中每个浇筑段施工缝均设橡胶止水和铺设复合型泡沬板，从浇筑方式和间隔时间对照裂缝进行分析认为：砼的浇筑方式于裂缝没有直接影响的关系。
    3.地下洞室的基本恒温对施工有利
    洞内温度除受季节产生的缓慢变化影响外，一定时段内基本处于恒温状态，从浇筑时温测结果看，5-9月份洞内温度基本在12-18℃之间，到了10月份也多稳定在8-10℃之间，洞内温度无骤降变化， 8月份洞内日温温差也较小，洞内基本稳定的温度对砼的施工是有利的。温度统计见附表三。

    4.砼养生的条件良好
    每一浇筑段的砼浇筑完后，均采取在已浇块下游部位用渣袋拦小坝截水，利用水泵抽水直接喷撒在砼表面上养护，水流循环利用。养护水为洞内水，温度经测定与气温相近，每班均设专人养护，所有这些有利条件构成了对砼的良好养护。
    5.良好的地质条件不会导致裂缝产生
    所有浇筑段围岩坚硬完整，岩型均一，构造简单，除两处有小断层外，并无大的特殊地质构造，洞内地质变形也趋稳定，且岩质层湿度与洞内湿度趋向一致，分析判断，上述良好的地质条件不会导致砼产生裂缝。
    6.骨料成分不会导致裂缝产生
    人工骨料是采用二级站开挖岩石经破碎生产的，因二级站岩石基本上为岩，含有的能与水泥活性物质引起碱性反应的成分较少，砂采用天然河砂，内含少量石英、长石等也不会与水泥发生较严重的碱反应以致形成裂缝。
    7.浇筑温度、超挖、分段长及配筋相对较少的综合作用是导致砼裂缝产生的主要原因
    （1）从表二中可见，出现裂缝多的季节是在夏季6-7月份。骨料经过水喷淋降温，温度一般在17℃-22℃之间，最高温度 24℃，水泥储存在库内，温度一般18℃-35℃之间，砼出机温度在21℃-29℃之间，仓面砼温度一般为21℃-29℃，根据当时的施工情况和有关规范，对浇筑块温度应力进行过计算，计算结果表明砼块体所受的温度应力处于临界状态，应是导致砼裂缝产生的主要原因之一。
    （2）从开挖断面图看，设计砼衬砌厚度40cm，但实际挖深尺寸在底拱两侧角最深达1.2m，顶拱最深达85cm左右，均远远超出设计45cm，对照超挖数据看，超挖多的部位，产生的裂缝机率比较高。
    （3）因为实际超挖后，原设计的双层筋是针对40cm后砼的，但实际情况是，双层筋后有约40cm后的砼内无筋，当内部产生应力时，无钢筋受力，对裂缝产生有很大的关系。
（4）原设计40cm砼厚度浇筑分块长度12m现浇筑厚度改变，长宽比等应力分布也有所改变。原12m块的长度对于90cm厚度的砼明显欠妥。实际检查中，也发现大多裂缝是产生在每块砼的中间部位，这也说明了，砼厚度改变后，浇筑段的长度比不适当，与裂缝产生也有一定关系。
四、裂缝的预防与处理
    通过上述分析，我们可以得出这样一个结论，隧洞砼衬砌不单要考虑岩石突出或夹角部位对裂缝产生的影响，而且还应注意，虽无大的“坑塘”存在，但普遍的大面积的超挖对改变砼内部应力带来的不利影响也不可忽视。
    1.裂缝预防措施
    （1）减小施工分块长度，建议施工长度取8-10m。
    （2）对于底拱砼，如超挖大于设计值10cm以上部位，应采取浇筑基础垫层，再浇筑洞体的施工方法，对于边顶超挖段较大部位，则建议设计增加钢筋用量或其它方法解决。
    （3）施工中加强骨料的降温工作，根据骨料含水调整配合比，并尽可能降低砼出机和入仓温度。
    （4）减少砼水平和垂直运输中的砼中灰浆的流失，以防出机口和仓内砼坍落度和配比的变化。
    （5）施工中还需加强养护，保证砼配制准确及振捣的密实性，防止其它类型的裂缝产生。
    （6）在高温季节调整砼配和比，掺入粉煤灰。
    2.裂缝处理方法：
    根据裂缝的状况和发展趋势，下步处理应安排在浇筑结束20天后进行，分两步进行：①进行砼浇筑后的回填灌浆和固结灌浆，②对灌完浆后仍有渗水的缝采用化学灌浆。回填灌浆和固结灌浆施工方法这里不在叙述。化学灌浆方案如下：
    a.环向裂缝灌浆施工
    环向裂缝也是有规则的裂缝，而且裂缝宽度较小。针对这种情况，采用深孔、浅孔相结合的高压灌浆法，裂缝漏水的情况下灌入YN堵漏剂，渗水和无水的情况下灌入环氧树脂灌浆材料,钻孔间距1.0~1.5米，孔径ø20。
    b.灌浆施工程序
前期准备——裂缝调查——确定灌浆方案——布孔——钻孔——冲孔——丙酮洗孔——安装灌浆塞——灌浆——停止灌浆——管路冲洗——缝面修整——现场清理——验收
    c.灌浆施工方法
    ①在对现场和裂缝进行了详尽的调查准备工作后，现场施工开始。
    ②在选好孔位后，开始钻孔，钻孔时必须定位开孔，准确控制进孔方向，确保孔缝相交，达到预期灌浆效果。
    ③灌浆塞采用根据膨胀螺栓的原理制成的专用灌浆塞。
    ④由于浆液的固化时间可以调整，因此不同的裂缝、不同的灌浆时段，采用不同的配比。配浆时要求称量准确，搅拌均匀，不能漏加或错加任一组份，以“少配、勤配”为原则，既避免了材料的浪费，同时也适应了环保要求。
    ⑤灌浆时选用的轻化灌泵和德国瓦格纳公司生产的电动隔膜泵。两者各项技术参数见表1。轻型化灌浆泵设计灌浆压力和进浆量较小；电动隔膜灌浆压力高，并且配有无级调速装置，能够很好的控制进浆量。现场灌浆时根据不同的裂缝和灌浆压力要求采用相应的灌浆设备。
表1
       技术参数
类型
马达功率
（KW）
 重    量
  （Kg）
 电    压
  （V）
  进 浆 量
  （L/min）
最 大 压 力
（Mpa）
电动隔膜
1.45
38.5
230v/50HZ
2.8
25
轻型化灌泵

7.0

1.0
1
    ⑥灌浆结束后，及时清理裂缝表面残留浆液，保持现场清洁。
    ⑦浆液固化后，采用Sikadur731涂抹缝面，并用磨光机修面。
    d.灌浆材料
   ①环氧树脂灌浆材料
环氧树脂系列灌浆材料粘度小，固化时间可以调整，适合于开度较小，渗水不太严重的环向裂缝的灌浆施工，而且环氧树脂材料强度较高，在堵漏的同时也起到了补强和抗冲刷的作用，是一种理想的灌浆材料，在室温下其各项性能指标见表2。

表2
初始
粘度
(mpa.s)
比 重
PH
值
纯浆硬化物强度（Mpa）
浆液粘强度（Mpa）
固砂体动弹模
     抗  压
抗拉
干缝
湿缝
固砂体动弹模
屈  服
破  坏

>1.0*
1.035
6
30~70
80~100
12.5~14.8
1.9
1.7
1.6~2.5
注:*——浆液粘度随不同的配比而变化
    ②YN——聚氨酯堵漏剂
    YN——聚氨酯堵漏剂粘度较大，以水为固化剂，遇水后在几十秒内迅速与水反应，后成一种弹性体，短时间内即可止水，适用于漏水较大的环向裂缝和伸缩缝，在室温下其各顶性能指标见表3。
表3
粘度（mpa.s）
诱导凝固时间（ s）
膨  胀  率
40~80
20~900
≥350%
    e.化学灌浆质量保证
    在进行充分的调查研究后，制定出以上方案，根据以往化学灌浆处理经验,漏水的裂缝逐渐变干燥，浆液在裂缝内部能起到止水的作用，灌入裂缝中浆液除了堵水这外，还可以对周边的混凝土起到补强的作用。
    f.施工设备
施工主要设备见表4
表4
序 号
名    称
单   位
数  量
备  注
1
LILTI电锤
台
2

2
高压化灌泵
台
2

3
轻型化灌泵
台
2

4
磨光机
台
1

5
0.2m3气泵
台
1

6
五十铃交通车
辆
1

    g.施工进度及人员配置
    以处理200m裂缝长度施工进度及人员配置为列。详见表5、6。
表5                   裂缝处理施工进度计划
时    间（d）
1
2
3
4
5
6
前期准备

钻孔、灌浆施工

缝面清理及施工平台转移

表6                     人员配置计划
类别
高级工程师
工程师
技术工人
普通工人
合计
人数
1
1
4
4
10
    h.安全施工
    ①增强文明施工、安全生产的意识，操作人员要穿戴好防护用品，进入施工现场要戴安全帽，现场严禁吸烟；
    ②有些化灌材料有毒易燃，应存放在阴凉、干燥、通风良好的地方，特别注意防火、防毒，确保安全，备好必要的防火器材；
    ③施工现场要加强通风、排毒，保证施工人员身体健康；
④设备、器皿、工具要及时清洗。
    五、经验总结
根据施工中的具体情况，我们实施了四.1条所述的预防措施，收到了良好效果，化学灌浆也取得成功。但是，值得我们吸取的经验之一是在隧洞开挖中一定要避免大面积的超挖特别是严重超挖，其次是切实做好高温季节骨料的降温工作。只有这样，才能少出裂缝从而取得好的施工质量和经济效益。
                  混凝土配合比（未掺粉煤）  （泵送）     附表一
设  计
标  号
石子级配(%)
砂率(%)
水
灰
比
坍
落
度
每方砼材料用量（kg/m3）
5~20
mm
20~40
mm
水泥
砂子
5~20mm
20~40mm
水
MF-2
C20W6F50
45
55
40.3
0.50
14~16
330
740
492
597
165
8.25
                  混凝土配合比（掺粉煤灰）      （泵送）                                   
设  计
标  号
石子级配(%)
砂率(%)
水
灰
比
坍
落
度
每方砼材料用量（kg/m3）
5~20mm
20~40mm
水泥
砂子
5~20mm
20~40mm
水
MF-2
粉煤灰
C20W6F50
45
55
38.3
0.50
14~16
280
672
484
589
169
8.75
84