摘要：从引水隧洞工程施工的角度来说，衬砌有混凝土的引水隧洞无法做到完全的避免裂缝的出现。由于施工材料以及周围地质环境等因素的影响，出现裂缝的原因和种类都呈现出多样性。对引水隧洞混凝土裂缝预防措施的研究，可以减少隧洞塌方事故的出现几率。对于裂缝的预防，目前很多工程预案中有着有明确的施工注意事项，以确保在施工的过程中尽管减少混凝土裂缝的出现几率。本文主要是对引水隧洞混凝土裂缝的产生原因进行研究分析。根据裂缝的外在表现和形成内因，裂缝可以分为不同的种类，对于不同种类的裂缝都有相关的修复措施和操作要点，本文总结施工经验，然后结合原因提出想应的解决措施。
关键词：混凝土裂缝；坍塌；预防措施
0引言
裂缝在隧洞工程中是一种常见的现象，裂缝产生的原因多种多样，其产生的影响也不尽相同。大型裂缝的产生不仅会影响隧洞的抗渗能力，还会影响其自身的强度，引发事故。隧洞抗渗能力的降低对于其强度的影响主要是表现在渗水对于钢筋的侵蚀，降低的耐久性。经过近些年不断的技术改革，混凝土施工质量已经得到了很大的提升，但仍然无法完全防止裂缝的产生，只是较大的减少了其出次的几率。所以，对于裂缝产生的原因以及如何减少裂缝产生的几率仍然是需要研究的重大课题。采取适应的修复的防护施工措施可以加强大中型引水隧洞工程的自身质量，具有非常重大的研究意义。本文主要是探究引水隧洞混凝土裂缝产生的原因以及如何去进行相应的预防。
1引水隧洞混凝土裂缝的成因分析
1.1原材料质量差、配合比设计不合理
水泥品种和质量的选择有着很多方面的考虑因素。首先是质量方面，碎石、砂级配差等质量问题要尽可能的避免出现。如果碎石中含有过多的杂质，就会影响到水泥与骨料的胶结，导致工程出现严重的质量问题。在混凝土的配比设计时，并非水泥用量的占有率越高，混凝土的强度就越大，水泥的质量问题也是非常重要的一个方面。
1.2施工技术存在很多缺陷
（1）隧道在开挖的时候形状不合适，造成混凝土的水平面高低不平；在初期支护进入衬砌面或者欠挖，这些会形成衬砌混凝土的厚度不够。少数的隧道里的衬砌混凝土出现了后面落空的情况。
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图1 隧洞开挖过程中右侧拱肩局部存在欠挖现象
（2）没有进行监测只按照自己的个人经历来确认第二次衬砌的开始时间，几乎没有保障很难值得信赖，这就导致了第二衬砌比原计划的负荷的围岩压力大。当生产的时候，混凝土的所用材料数量很不准确，特别是外加剂很大程度上随便掺和，未按照砂和石料现实中的用量标准，并未及早调节整治开展工程所用水的用量，导致整体配比中水和灰的比重过大。这是非常容易被施工人员忽视的一个问题。
（3）由于赶工期等原因的影响，对于一些细节的把控上不够严谨，比如过早的进行脱模，使混凝土的强度无法达到应有的标准，从而破坏了混凝土的结构。另一方面，没有根据当时的气温环境进行适当的调节，夏天入模温度过高，冬天入模温度较低、没有做好防低温措施等。这些施工方式都会导致质量风险的存在。
1.3发生坍塌地质隐患
1.3.1地质因素
相对于理论来说，实际施工现场的环境因素是多变且复杂的。越是复杂的地质水文条件越是容易产生不可控的裂缝。在施工前期，设计者在进行施工规划时要多次切身投入到实地勘察之中，确保对施工环境做到了如指掌。当在施工的过程中遇到变化时，施工阶段就需要根据实际的情况进行相应的调整，以适应现场复杂的地质水文条件。，地质环境所引发的变形裂缝多以深层裂缝为主，且有一个不断发展的过程。
穿过断层的隧洞所存在的危险主要来自于破碎带所释放的应力，应力释放导致整体结构受力不均匀，从而引发坍塌事故。堆积层的土质结构松散，在进行开挖时，很容易引起坍塌。在挤压破碎带，岩脉穿插带、节理密集等碎裂结构地层中。岩块间互相挤压钳制，一经开挖则失稳，常见围岩掉块、坍落。在软弱结构面发育的情况下，或泥质充填物过多，均易产生较大坍塌。薄层岩体在构造运动的作用下形成的小褶曲、错动发育地段，施工中常常发生坍塌。岩层软硬相间或有软弱夹层地岩体，在地下水的作用下，软弱夹层地岩体强度大大降低，因而发生滑塌。地下水软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用加剧岩体的失稳和坍落。
1.3.2施工方法和措施不当或工序间距安排不合理
对于施工的进度一般来说都有着严格的控制，但是偶尔还是会发生各工序之间间隔时间过长的情况出来，如果相邻的工序出现间隔时间过长的情况，就会导致围岩更长时间的暴露在周围环境之中，引起强度不牢固的问题，甚至是引起坍塌现象。另外，爆破作业操作不规范同样也会引起坍塌事故，对于爆破作业来说一般都有着严格的用量及方法规范，但在实际操作时仍然会有操作不规范的情况发生，但爆破作业不规范时，很容易破坏原有的地质强度，导致坍塌的发生。
1.3.3应力所导致的裂缝
混凝土有可能受到多种因素作用而产生的应力，应力裂缝形成的原因也较为复杂。但是除去上面说所的温度应力之外，其余应力的发生源也多为其周围的环境因素，如施工依附岩石的硬度结构、支护等产生的应力等。应力裂缝产生的原理为混凝土中的水泥在凝固形成凝胶体的过程是一个失去水分的过程，这个过程伴随有体积的收缩，但是由于外部有约束力的作用，收缩与约束力共同作用形成了裂缝，这也就是我们常说的应力裂缝。应力裂缝的外在表现多为没有规律，且形成的缝体较深。
1.4由温度引起衬砌混凝土隧洞裂缝
在水泥浇筑的过程中，水泥会发生水热化作用，整体的温度会有一个较大的提升，在温度升高到一定的阀值之后其温度会渐渐的回到与周围环境相持平的状态。这一温度变化的过程会引起水泥体积的收缩，而当阀值温度与周围环境温度相差越大其体积的变化也会越大，整个变化的过程会导致混凝土局部的温度出现差异，呈现出梯度的温度差，洞内的温度越低，这个温度梯度便会越大，温度梯度会产生相应的表面拉应力，当混凝土的强度不足以支撑拉应力就会出现裂缝。这种裂缝产生的时期大多会早期，呈现的形态会细长根须状，且相对较浅
2引水隧洞混凝土裂缝的防治措施
2.1严格控制施工材料质量
2.1.1水泥
施工现场多使用普通硅酸盐水泥，但应尽量减少单位水泥用量。不同品牌、不同规格、不同批次的水泥不能混用。
2.1.2碎石
根据泵送管路的内径，尽可能选用较大粒径的碎石。严格控制含泥量≤1%，针、片状物含量≤15%，粒径以5～31.5mm为宜，最大不超过40mm。
2.1.3砂
采用级配良好的中砂，细度模数应为3.0～2.3，粒径小于0.315mm的颗粒含量所占比例宜为15～20%，严格控制含泥量在3%以内。为方便混凝土的运输、泵送和浇筑，砂率取35%～45%。
2.1.4水
进行用水的选择时，参照国家现行的《砼拌合用水标准》，选用PH值大于4的水质。水质的选择对于混凝土的强度有着重大的影响。在施工时，应当严格按照相应的标准以减少混凝土裂缝的出现几率。对于水灰比的配比应当保持水：灰在0.45至0.55之间为最宜。
2.1.5掺合料
添加掺合料的作用是用来等量代替水泥。减少水泥用量可以使构造体拥有更高的强度。C25以下强度等级的混凝土粉煤灰的掺合量为水泥用量的10%至15%。对于掺量的比例并不是固定的，确定具体数值需要进行大量的实验，实验步骤必不可少。①粉煤灰可以有效的降低混凝土的干燥收缩值，不仅可以使混凝土保持良好的粘聚性，还会使混凝土的保水性更优。作用原理为降低混凝土中水泥的水化热，从而减少温度裂缝的出现。粉煤灰掺合物一般用于大型的水工混凝土工程之中，而很少用于山间隧道等工程，原因主要是对于粉煤灰掺合物的混凝土的使用缺乏更多的使用经验，也存在很多认识知上的不足。②混凝土在成模的过程中会出现一定量的收缩，对于收缩的补偿措施是加入适量的膨胀剂。抑制混凝土收缩的主要目的是提高混凝土本身的密度的强度，防止出现渗水、开裂现象。
2.1.6外加剂
高效减水剂可以调整混凝土的用水量，从而达到降低水热化的目的。水泥在水热化的过程中会释放大量的热量，这些热量如足引起温度裂缝，所以工程在施工时要着重的控制和选用外加剂的各类和用量。
2.2防止渣体坍塌措施
渣体挖除时可能发生坍塌事故，对于防止坍塌事故发生的方式一般为超前支护完成后，采用PH30混凝土湿喷机对渣体表现喷射一定厚度的混凝土。然后再进行注浆操作。
2.3防止掉块及二次塌方措施
二次开挖支护遵循“短进尺、勤支护”原则，开挖循环进尺0.5～1.0m，每一循环段分三层开挖完成，开挖一层即支护一层。二次开挖支护完成一段距离后，需及时进行混凝土衬砌。
2.4防止机械设备伤害措施
对于日常使用的施工设备要定期的进行检查以确保其可靠性，机器的保养尤为重要，良好的保养计划可以使机器的可靠性得到保证，从而在施工时完成作业更加符合施工要求。驾驶人员在驾驶车具时，应在保障进度的前提下循章慢行，在转变、倒车或者前方视野存在死角时要先行鸣笛警示，防止发生伤人事故。装载类车具在运输时不可超重，不可超宽或者超高，物品捆扎要牢固。另外路人在遇到有车具施工作业时要与其保持一定的安全距离，防止意外的发生。
3混凝土裂缝的处理措施
（1）对于裂缝深度在1/10-1/2混凝土厚度之间的浅层裂缝，对裂缝表面进行清理，去除表面的钙质析出物、水泥浮浆、脱模剂等，用低粘度环氧对裂缝表面进行封闭。
（2）对于裂缝宽度＞0.3mm的纵深和贯通式裂缝。用彩笔画出裂缝范围，用无齿锯沿裂缝周围锯成反坡（燕尾槽形式），在槽内每隔0.5m钻一个灌浆孔，孔深为衬砌混凝土厚度的1/2-2/3，一般不少于150mm，孔径38mm，骑缝埋入灌浆管ф10-ф20mm。灌浆管与燕尾槽用丙乳砂浆埋牢、封闭，养生3天后进行灌浆处理。用专业手压泵灌水溶性聚氨酯LW+HW混合液。丙乳砂浆配比按下表3-1，进行拌制。
表3-1 丙乳砂浆配比表
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水泥P.O42.5，砂（粒径0.16-5mm），风干后过1.25mm（或2.5mm）筛。以上为重量比（kg/m³），丙乳砂浆28天抗压强度fcu≥50MPa；与混凝土面的粘结强度fcr≥2MPa。
（3）对于夹层较浅的裂缝，选用的清理方式是将不牢固的混凝土凿去，清理工作完成之后再用一定配比的水泥砂浆填实，水泥砂浆的配比一般按照1：2或者1：2.5。对于较深夹层的裂缝可采用高压水枪去除内部杂物，再以细石混凝土进行夹层的密封处理。
（4）引水隧洞混凝土裂缝的预防和处理步骤：
在对裂缝修复处理做准备工作时，首先要调查裂缝形成的原因和其具体的表现形式，以确定裂缝的种类，针对不同的裂缝种类制定相应的修复设计。确定裂缝的种类时，一般采用BJLF-1型混凝土裂缝检测仪对其渗水程度、渗浆程度做评定，并形成统计图。勘察工程完成后按裂缝的渗水程等指标对裂缝进行种类划分，再进行后续的修复操作。
引水隧洞混凝土裂缝预防最为直接和可靠的方式为改善施工技术，施工技术的改善可以从灌浆和缝面的清理两个方面着手。根据裂缝大小和渗水程度的不同，可以将引水隧洞裂缝分为三个等级，分别为一类、二类和三类，其中一类为浅层裂缝，一类裂缝不会出现有渗水渗浆现象；二类裂缝为中度裂缝，二类裂缝也没有渗水渗浆的表现，但是相对于一类裂缝来说其裂缝深度更大；三类裂缝为较为严重的裂缝，有渗水、渗浆现象发生，对于三类的处理也较为费时费力，也更为复杂。一类和二类裂缝可以按正常的处理方式来处理，对于三类裂缝可以用如下的工艺来进行处理：
a.处理流程
对于三类裂缝的整个处理流程如下图所示，首先用磨平机对不平的表面进行细致的打磨，这一步的目的主要为去除表面的钙质物及其他影响操作的物品等。在打磨完成之后用水进行冲刷，表面冲刷干净之后进入刷涂底液流程（如图2）。
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图2 三类裂缝整体处理流程
b.钻孔
使用冲钻工具以25~30cm的间距进行平均交叉钻孔，钻孔角度不应是垂直的，而是应该与表面呈45度，钻孔深度不宜过过深，以三分之二结构深度为最宜。对于钻孔的力度以不将结构打穿为基准，孔洞应把裂缝打穿，以便于后续的修复工作。
c安置注浆管
裂缝的修复需要借助于注浆管，注浆管一般为铝合金及橡胶套制作而成，安置注浆管时要根据裂缝的长度以及宽度先选择合适的尺寸进行安置，注浆管插入的深浅取决于钻孔的深度。在注浆管放置完毕之后，便用注浆工具将浆体注入到注浆管中。注浆完毕之后需要等待一段时间使浆体完全固化方可进行注浆表面的处理，在注浆的过程中需要使浆体的压力保持在0.3~0.5Mpa，由高向低进行注入工作，整个灌浆的过程应持续5至10分钟。
d注浆后处理
当灌浆完成之后便可以进行浆体凝固表面的清洁处理工作。首先要做的是将注浆管取出，随后用钢丝进行表面的清刷工作，清刷工作完毕之后使用高性能聚合物净浆对取出注浆口产生的缝隙进行再次修补，最后次表面刮平即可。
e注意事项
对于渗水较为严重的裂缝区处理起来难度会大大的增加。渗水所影响的工艺环节主要为灌浆操作，水分较多的时候不利于浆体的凝固，还会影响浆体与裂缝表面的贴合度，所以在处理渗水较严重的裂缝时一般采用先打孔放水再进行修复的方法。并且还要使用防水性、耐水性强的浆体或者堵水材料，如聚氨酯类等。堵水完毕后还需要进一步的对其附着强度进行增强。
f 严重渗水裂缝修复样例（以潘口水电站为例）
以潘口水电站为例，潘口水电站是采用单机单洞供水方式，同样也不可避免的产生许多裂缝，这些裂缝形成的原因大致与上文中所提到的几点相同，其裂缝类型也大致可以分为三个。加上潘口水电站周围地质环境并不理想，如断层和碎带较多等，所以三类裂缝出现的几率较高，同时渗水现象也较为严重。
在处理潘口水电站的裂缝时，其难度在于钻孔的角度和深度上，由于断层环境的影响，对于钻孔角度和位置的选取要更加精准，其钻孔施工具体示意图如下（图4）：
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图4 裂缝水钻处理示意图
在灌浆工艺上，施工队伍采用的是“无损”灌浆工艺，压力为0.3~0.4Mpa，略低于常用压力。对于灌浆结束的标准判定为返浆，浆体凝固之后按常规工艺进行凝固裸露面的清洁工作。
潘口水电站建筑体还有竖直裂缝出现，竖直裂缝的灌浆水艺一般是逐一对每个洞体进行灌注，并且在灌浆的同时仔细观察有无渗水现象出现，当仍然出现有较为严重的渗水点时，对这些渗水点进行再进一步的补灌以及强化工艺，由于潘口水电站出现的裂缝渗水渗浆现象严重，所以在进行灌注时其设备采用欧洲进口的最先进的灌浆泵。
以上灌浆工艺为整个潘口水电站混凝土裂缝修复的施工要点，由于渗水现象严重，所以对比于一般的修复工作来说其浆料固化时间较长，施工人员需等待浆料完全固化之后才能进行表面清理工作，以免影响浆料的填充效果。
g裂缝处理效果
通过实例研究及实地结果测量，并对化灌后裂缝部位进行取芯检测，发现裂缝填补结构稳定、填充饱满，具体的检测结果如下表所示（表3-2）：
表3-2裂缝处理成果检测
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参考文献：
[1]周丽军，浅谈水电站引水隧洞混凝土裂缝的成因及防治措施[J].大科技，2013（5）：127-128.
[2]曹振中，张俊伟.寺坪电站引水隧洞坍塌冒顶综合处理施工技术[J].人民长江，2008，39（2）：81-88.
[3]孙长庆，宋宝生.汇泽园水电站引水隧洞塌方处理方案[J].水科学与工程技术，2010（3）：67.
[3]张达，陈亮，肖承京，冯菁，魏涛，汪在芹.潘口水电站引水隧洞渗漏缺陷处理技术研究[J].中国建筑防水，2019，03：41-44.
[4]陈庆群.引水隧洞混凝土裂缝防治及加固处理措施研究[J].水利科学与寒区工程，2019，203：119-121.
[5]王涛，孙建东，程晓娟，杨玲祥，徐峰.水工隧洞混凝土衬砌施工地下水控制技术[J].云南水力发电，2019，3504：17-20.
论文作者:李伟伟
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/14
标签：裂缝论文; 混凝土论文; 隧洞论文; 应力论文; 水泥论文; 温度论文; 强度论文; 《基层建设》2020年第1期论文;