衬砌引水隧道开裂的原因分析及治理技术.pdf

衬砌引水隧道开裂的原因分析及治理技
术

摘要：为了确保引水隧道的安全、高效运转，必须进行隧道衬砌，而衬砌的
施工质量直接影响到隧道施工的安全。对于衬砌结构的质量问题，若不及时进行
评估，并提出符合技术、质量要求的合理的治理措施，不但会影响隧道的正常使

用，还会导致隧道结构的进一步损伤和功能的损害，从而导致人员、资金的损失。

关键词：引水隧道；衬砌；开裂原因；检测方法；治理技术

引水隧道衬砌是以钢筋混凝土等材料以拱圈、边墙、仰拱和底板的形式支撑
和维持隧道的长期稳定性和耐久性的永久结构物。隧道的衬砌结构形式，应根据

隧道的地质地貌、结构的合理性、施工方法、施工工艺等方面综合考虑。

一、引水隧道衬砌的功能

引水隧道衬砌应具有足够的强度和耐久性，并具有一定的抗冻、抗渗和抗冲
刷能力。它的功能有：①支撑和维持隧道的稳定；②控制围岩的变形，确保围岩
的稳定性，防止围岩的风化；③抗围岩压力、内水压力等荷载；④预防渗漏；⑤
防止岩体受水流、空气、温度、干湿变化等因素的侵蚀和破坏；⑥降低表面粗糙

度。

二、衬砌引水隧道开裂的原因分析

衬砌裂缝是隧道衬砌结构承载能力超过其强度的一种表现形式，而二次衬砌
的开裂是一种普遍现象。衬砌裂缝是隧道破坏的最直接表现，它的承载能力超过
了本身的极限，它包括了从低层向断裂发展的变形特性，是引水隧道施工过程中
衬砌结构安全状况的一个重要指标。根据产生原因，衬砌开裂可分为两种类型：
变形开裂和受力开裂。1.变形开裂。造成变形开裂是由温度效应、混凝土早期收
缩、基础不均匀沉降等原因造成的。其特点是：①由于温度、养护等因素所造成
的裂缝，其宽度一般都很短，且走向没有明显的规律性，危害程度也不大；②非
均匀沉降引起的裂缝，往往会因不均匀沉降方向而形成一条长大的纵向或环形裂
缝，这与不均匀沉降的稳定性有一定关系。一般情况下，变形裂缝对结构的承载
力没有影响。2.受力开裂。受力裂缝普遍存在，其产状具有一定的规律性和同向
性，其裂缝的长度、宽度、深度通常都很大，严重地影响了其承载力，并对其安
全造成了长期的危害。在已建成的引水隧道中，对其进行了应力裂缝评估。特殊
的水文地质环境，致使引水隧道在使用过程中出现了衬砌裂缝，其原因有：①前
期大量的引水隧道由于技术水平的限制，无法对围岩的收敛性和变形进行科学、
准确的判别，盲目进行二次衬砌，致使混凝土不能有效抵御围岩的变形，从而发
生裂缝；②模板拆除过早，拆模后维护不当（尤其是在洞口附近），致使引水隧
道的承载力不足，混凝土无法有效抵御外力，发生局部变形，发生应力二次分配，

从而使衬砌结构开裂。

不论是变形开裂还是受力开裂，与以下衬砌引水隧道灾害息息相关：

1.渗漏水。渗漏水是引水隧道中常见的一种病害，严重影响了引水隧道的耐
久性和安全性。渗漏水也是导致材料恶化的一个重要因素，尤其是在漏液表现出
强烈的酸性时，会使混凝土发生严重的恶化。其主要原因是：①混凝土属水硬性
物质，在水化作用下，混凝土的致密程度会受到影响；②硫酸盐腐蚀会增大混凝
土的孔隙，从而产生膨胀性产品的膨胀率大于或高于混凝土的极限拉伸强度，从
而产生微裂纹，从而造成材料的破坏。渗漏水对混凝土衬砌结构的安全与稳定有
以下几方面的影响：①由于渗漏导致衬砌结构承受的扬压或渗漏压力增加；②由
于渗漏溶蚀导致混凝土性能的劣化即强度降低；③引起腐蚀、侵蚀、冻融、钢筋
锈蚀及地基冻胀等病害，加速混凝土衬砌结构的老化，缩短了引水隧道的使用寿

命；④在冬天，如果出现结冰，则会导致拱部结冰，伴随冻融循环而形成冻害。

2.材料劣化。在引水隧道工程中，由于受地层应力大、围岩压力大、渗透压
力大，以及多种腐蚀性离子的侵蚀，特别是硫酸根的侵蚀，以及衬砌结构的碳化，
导致材料退化。硫酸盐腐蚀的机制主要有以下几个方面：①由于水泥中含有的矿
物水化反应产物不能在硫酸环境中稳定存在，与其它产物发生化学反应；②主要
产物石膏、钙矾石等是主要的腐蚀产物，③石膏结晶会使构件体积膨胀，产生裂
缝，使材料变质。衬砌的碳化程度与衬砌强度、钢筋腐蚀指数等指标之间有一定
的关系。混凝土碳化会降低混凝土中的酸碱度，进而破坏其表面的钝化膜，在水
中与氧的协同作用下，会产生锈蚀，造成混凝土的体积膨胀，造成混凝土的剥落、
开裂，锈蚀钢筋与混凝土的结合，造成钢筋截面面积减小，衬砌结构的承载力下

降。

3.衬砌的变形。引水隧道衬砌结构的变形主要是由于隧道开挖会使地下水流
通道发生变化，使隧道内的外部压力增大。②隧道施工过程中因开挖爆破产生裂
缝，使地下水流入隧道，裂隙水流会将岩体中的填充物带走，使其失稳加快，使
其承受能力急剧下降，从而引起岩体垮塌，使衬砌发生裂缝。(5)衬砌剥离引水
隧道在施工过程中出现的衬砌剥离问题，其原因有：①由于地