陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西省西安市 710001
摘要：衬砌是隧洞工程施工中的重要一环，建设质量密切联系着整体工程的质量。随着科学技术的进步，工程建设管理的理论和衬砌施工的技术虽已比较先进完备，但仍不能在绝对意义上完全规避衬砌问题的产生。某输供水工程隧洞衬砌出现裂缝的问题，通过布置监测仪器，整编分析监测数据，结合施工提出意见等工作，为建设管理单位提供决策支持，进而提高建设管理单位的管理能力，保证工程建设质量。
关键词：水工输水；隧洞衬砌结构；裂缝成因
隧洞衬砌混凝土一般都是受围岩约束极强的薄壁结构，且由于隧洞的特殊作用，一般混凝土标号都很高，混凝土在硬化的过程中水化热的作用，致使衬砌混凝土内部温度较高; 加上围岩的强约束作用，易产生较大的温度应力。对于过水隧洞而言，贯穿性裂缝对结构安全的影响是致命的; 表面裂缝和浅层裂缝在长期高水头力学和水化学作用下，极易造成裂缝的发展和钢筋的锈蚀，降低衬砌结构的强度、刚度、稳定性、耐久性，并可能形成渗流通道，造成水资源浪费并危及结构安全。
一、裂缝形式与特征
水利工程中输水隧洞建设与使用中，衬砌混凝土结构出现裂缝的现象较为常见，该病害不及时修复会严重威胁着输水隧洞的安全。本研究以某供水工程的输水隧洞为研究对象，隧洞结构示意图及尺寸大小详情，停水检修时，检测到局部区段的衬砌上存在着大量裂缝。经调查统计，概括出这些裂缝的特征如下：①裂缝方向顺着隧洞轴向依次分散且裂缝长度较长。最长裂缝达到38.90 m，多条裂缝长度＞25 m，具体情景如图2所示。②绝大多数裂缝分布在隧洞拱腰处，多数集中在左右墙，走向无规律，形状不一且多变。③裂缝大多属于贯穿性裂缝，可观察到明显的渗水痕迹或有钙质析出的现象。④部分修缮后的裂缝，再次出现钙质析出现象，同时裂缝下方有近似平行的新裂缝出现，即推断造成裂缝出现的原因并没有消除。
二、水工隧洞混凝土衬砌裂缝监测
1、隧洞温度裂缝。通过隧洞内外水位、水温、衬砌应力变化、混凝土强度等多个指标的检测并进行计算，分析后得到结论裂缝形成的主要受到温度应力变化而造成。通常把因温度变化导致混凝土收缩变形出现的裂缝叫作温度裂缝。该水工输水隧洞衬砌的温度应力主要分成施工期间温度应力与使用时期温度应力。施工期间温度应力主要受水泥水化热、衬砌分缝分块形式、水泥类型、施工技术等多方面影响，只要按照相应规范要求进行施工即可以有效把控。
使用期间衬砌温度主要受到洞内水温变化而周期规律性改变。衬砌与围岩的温度同样周期规律性改变，若离衬砌内缘越大，温度改变幅度下降，周期变长。衬砌应力改变同温度改变保持一致，拉应力最高值出现在衬砌内缘，剩下位置的应力与离衬砌内缘长度呈负相关关系。所以，隧洞衬砌使用时期的温度应力受周期性改变的水温影响。
2、混凝土温度裂缝灵敏性。为了获得隧洞衬砌温度布局与温度应力变化情况，以探究使用期间裂缝发展受温度改变的灵敏性情况。仍选取上述水工输水隧洞为例，根据现场勘查的资料数据，利用ANSYS有限元软件平台搭建模型进行温度应力仿真计算，搭建的三维模型详见图。
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隧洞衬砌选择C30混凝土，此洞段的衬砌在夏季炎热时期浇筑。在使用期间隧洞中过水水源是上游河道的浅层水体，水温变化范围为12.80-27.40℃，波动幅度是14.60℃。选取监测的裂缝宽度变化情况如图曲线变化如图。
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图内裂缝宽度变化为正时代表与最初裂缝宽度相比有所增长，裂缝宽度变化为负时代表与最初裂缝宽度相比有所减小。通过图5中曲线变化可知，使用期间洞中水温度变化很大程度上影响着裂缝的发展。裂缝宽度因水温周期规律性改变而周期规律性改变，水温下降裂缝宽度随之增长，水温上升裂缝宽度随之减小。仿真计算模拟隧洞施工与使用过程，综合衬砌混凝土与围岩材料热力学参数、环境温度变化、围岩温度调查情况、洞中水温变化与裂缝发展监测数据，来完成使用期间衬砌混凝土裂缝对温度应力改变的灵敏性分析。选取隧洞区段施工期间与使用期间的温度与温度应力变化，衬砌水平方向、纵向温度应力。施工期间衬砌混凝土的温度应力因浇筑混凝土的温度上升形成压应力，后因热量散失温度逐渐减小而压应力缓慢成为拉应力，施工期间所选隧洞区段的拉应力可至0.80 MPa左右。 自竣工通水后，因为冬天水库表层的水受气温影响温度偏低，通水后导致隧洞拱顶内缘环向温度应力变成1.56 MPa，边墙内缘洞水平方向应力变成2.32 MPa，边墙内缘纵向应力变成2.20 MPa。上述多种应力值全部高于衬砌混凝土抗裂性能，即在使用最初衬砌表面就发生裂缝现象。投入使用后，洞中水温不断周期规律性改变，衬砌混凝土温度应力随之相应改变，并且早期裂缝宽度因水温改变而减小或增长且呈周期性变化，使用期间的所有拉应力最高值全部大于衬砌混凝土的抗裂性能。通过三维有限元立体模型颜色变化得到：纵向温度应力最高值出现在隧洞边墙拱腰内缘位置，应力超出后诱发边墙拱腰出现纵向裂缝。隧洞水平温度应力最高值出现在隧洞衬砌混凝土内缘位置，应力超出后诱发隧洞环向裂缝形成。通过水工输水隧洞的裂缝形式、位置与特征，证明；推断的结论温度应力决定隧洞衬砌裂缝的产生。混凝土原有裂缝时的起裂应力，与混凝土原有的抗裂能力相比小很多。所以本来存在裂缝同时存在高应力时的运行，诱发裂缝形成的原因未得到改善，裂缝会继续随水温周期规律性发展，最后对隧洞安全使用造成巨大威胁。
3、数据分析。通过对监测数据进行分析，得出分析成果。从温度监测成果来看，隧洞环境温度在14℃左右，混凝土入仓温度在 25℃ 左右，混凝土浇筑后 24h 以内达到最高温度，L1 断面最高温度35℃，L2 断面最高温度 40℃。混凝土降温主要发生在最高温升后7 天内，降温幅度达20℃，当前混凝土温度 16℃左右，已趋于稳定。混凝土钢筋应力受力拉压不一，以受拉为主，总体钢筋应力较小。混凝土浇筑初期，随着混凝土温度的逐渐下降，钢筋应力增长较快; 随着混凝土温度的相对稳定( 16℃ 左右) ，钢筋应力趋于稳定。钢筋应力最大的部位在 L2 断面左边墙的位置，值为 58. 64MPa，沿断面环向方向，与混凝土最大应变在同一位置，且方向一致，这可能与周围的地质条件有关。围岩与衬砌混凝土结合缝呈张开状态，主要发生在混凝土浇筑后一个月内。当前最大开合度为 0. 68mm，发生 L1 断面顶拱的位置，目前总体趋势相对稳定。混凝土表面裂缝开合度总体趋势变小，裂缝出现后无明显扩展，目前处于稳定状态; 裂缝出现时间与混凝土应变计最大拉应变出现时间基本一致。当前测值在 －0.14－0. 02mm 之间。
水工隧洞衬砌裂缝监测技术可以通过布置监测仪器，整编分析监测数据等手段实现对水工隧洞工程衬砌混凝土进行全周期在线监测，监测结果准确可靠，为建设管理单位提供科学有效的决策支持服务，提高工程管理水平和管理能力。
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