某引水工程于1996 年动工，2001 年建成通水。工程沿线的主要建筑物有泵站、隧洞、箱涵等。其中隧洞74.3 km。工程设计年运行11 个月，每年10 月停水检修。工程运行至2005 年10 月停水检修期，发现东部供水水源工程的布仔河隧洞、白石洞隧洞、年丰隧洞和供水网络干线工程的长岭皮隧洞出现大量贯穿性纵向裂缝和环向裂缝，威胁隧洞结构安全。本文分析了隧洞衬砌裂缝的成因，提出了处理措施的建议。
工程运行至2005 年10 月停水检修期，发现东部供水水源工程的布仔河隧洞、白石洞隧洞、年丰隧洞和供水网络干线工程的长岭皮隧洞出现大量贯穿性纵向裂缝和环向裂缝，威胁隧洞结构安全。本文分析了隧洞衬砌裂缝的成因，提出了处理措施的建议。
1 地质及结构
工程区断层发育，岩体破碎，易风化，风化层较深，岩体呈碎石状松散结构和碎块镶嵌结构，稳定性差。工程区雨量充沛，多年平均降雨量为1 700～2 000 mm。地下水主要为基岩裂隙水，水的补给来源主要靠降水垂直补给，地震设计烈度为VI度。
隧洞最大埋深75 m，大部分埋深在20～60 m 范围内，为城门洞型无压隧洞，内净空尺寸为4.1 m×5.25 m，起拱高度为2.0 m，纵坡为1/2000，设计过流流量为30 m3/s。采用工程类比法，并结合有限元计算进行支护设计，采用新奥法施工。在III、IV、V 类围岩中施工时，采用间距1 m的钢拱架、挂网喷5~12 cm 厚的C20 混凝土作为一次支护。一般洞段采用25~30 cm 厚的C20 素混凝土二次衬砌，当进出口为V 类围岩时，采用40 cm厚单筋混凝土。部分洞段在边墙和起拱线处打设排水孔以降低外水压力，间距3 m，呈梅花形布置。隧洞设计有顶拱的回填灌浆，无围岩固结灌浆。隧洞施工中涌水量一般为3 000 m3/d，最大涌水量为6 000 m3/d。
2 隧洞衬砌裂缝情况
2005 年10 月隧洞停水检修期间发现，钢筋混凝土衬砌的洞段基本未出现裂缝，采用素混凝土衬砌的洞段出现了大量长度超过5 m的纵向裂缝，具有以下特点：绝大部分为纵向裂缝，大部分位于衬砌起拱处，边墙亦有分布，走向弯曲不规则，时有分岔、转折；大部分纵向裂缝为贯穿性裂缝，有渗水或钙质析出；多条纵向裂缝和环向裂缝、施工缝交叉，且常见裂缝的起、止点位于交叉处；多条裂缝长度超过20 m。为保证衬砌结构的安全，在2005 至2007 年每年检修期间，依裂缝的破坏特征，分别采取加钢支撑、打设锚杆、加密排水孔、拱顶和边墙外围岩固结灌浆、裂缝封闭、裂缝化学灌浆等应急处理措施。并在钢支撑和混凝土衬砌处安装监测仪器，进行应力、变形、渗压监测。
3 裂缝成因分析
混凝土裂缝往往是多种因素联合作用的结果，由围岩载荷、水荷载、温度荷载、混凝土干缩、碱骨料反应、钢筋锈蚀等原因引起。从连续三年停水检修期的观察、检测和监测成果，可以排除沉陷裂缝、干缩裂缝、钢筋锈蚀和碱骨料反应裂缝。同时发现，环向裂缝主要为温度裂缝，在衬砌段内大致呈等间距分布。本文对纵向裂缝成因做了综合分析。
3.1 设计因素
隧洞设计期所参照的《水工隧洞设计规范（试行）SD134—84》规定隧洞混凝土衬砌需满足强度、抗裂和限裂的要求，如不能满足，应采用钢筋混凝土衬砌。对于水工隧洞而言，围岩固结灌浆起到提高岩体刚度、强度，降低渗透性的作用。该工程隧洞的围岩条件较差，年丰隧洞、白石洞隧洞、布仔河隧洞围岩以IV、V 类围岩为主。在此条件下，只有少量洞段采用钢筋混凝土衬砌，大部分仅采用了素混凝土衬砌，也未采用固结灌浆。运行至今，采用素混凝土衬砌的隧洞则几乎全部出现了裂缝。采用的设计标准偏低，是造成衬砌开裂的原因之一。
3.2 施工因素
对隧洞实施地质雷达检测和衬砌取芯发现，施工的一次支护没有严格按设计进行，系统钢拱架间距大于原设计，个别部位的间距超过原设计1 倍；二次衬砌厚度未达到设计要求，此缺陷占全部缺陷长度的50%以上；隧洞回填灌浆质量差，顶拱混凝土与围岩之间存在较大范围的连续脱空。一、二次支护的施工缺陷降低了衬砌的承载能力和耐久性。混凝土与围岩之间的脱空使衬砌受力处在非常不利的状况，对于城门洞型隧洞而言，当衬砌的顶部脱空，失去了围岩对顶拱的约束，由于边墙较高，边墙在侧向压力的作用下易使顶拱向上变位，易导致起拱部位混凝土衬砌开裂。
现场检测还发现，处于排水孔附近的衬砌与围岩浅层脱空有加剧的情形，这与衬砌排水孔未设置反滤有关。由于围岩风化严重，无压隧洞均处于外水内渗状况，排水孔使风化围岩流失到隧洞内。
3.3 温度应力分析[1]
温度荷载是水工混凝土结构的一项重要荷载。隧洞衬砌混凝土施工期温度应力由混凝土水化升温后的冷却及外界温度变化引起，运行期温度应力是混凝土冷却后由外界温度的变化所引起的拉应力。在本项目的研究过程中，结合东江水源工程区的年气温、水温变化情况和2000 年至2004 年隧洞通水运行状况，采用三维有限元仿真分析了隧洞的施工和运行过程的衬砌混凝土的温度和温度应力的发展规律，分析可能产生裂缝的不利因素、不利部位和不利时段，分析温度应力对整体结构安全性的影响，提出更有针对性的处理建议。
隧洞在2000 年8 月完成混凝土衬砌施工，12 月通水运行。仿真计算表明，衬砌混凝土内缘年内温度随洞内水温作周期性变化，由于取水方式为河道表层取水，水温年内温差较大，最大温差为14～16℃，而其他部位混凝土的年内温差则随着距内缘的距离增大而逐步减小；衬砌混凝土的年内温度应力随洞内水温作周期性变化，已有裂缝的缝宽度也随洞内水温作周期性变化；沿着隧洞的同一横断面，作用于衬砌的最大水平方向温度应力发生于隧洞拱顶部内缘（见图1），最大垂直方向温度应力发生于隧洞边墙起拱内缘部位（见图2），应力超标导致这些部位产生纵向裂缝。现有运行条件下温度应力状态的计算分析，与隧洞实际裂缝的产生时间、状态与部位基本吻合，说明温度应力是导致裂缝产生及发展的主要原因之一。由于通水初期冷击造成的内缘表面缺陷，在之后运行期周而复始的大温差的作用下，导致裂缝的不断扩展。
3.4 衬砌外水压力分析[1]
地下水对隧洞衬砌的作用常被认为是作用在其外缘上的边界荷载（面力），即外水压力。当隧洞衬砌与围岩是相互贴合时，岩体和混凝土都是透水介质，地下水向隧洞内渗流，在围岩和衬砌中形成渗透荷载，其形式为体积力[2]。当衬砌与围岩脱离时，地下水渗流荷载可简化为作用于其边界的外水压力。渗流荷载与渗流场历史有关。本文采用三维有限元程序ABAQUS 计算模拟了施工、加固和运行的基本过程。典型洞段隧洞附近的有限元网格如图3 所示。计算分析得出的衬砌外缘孔隙水压力随各计算部位的变化情况见图4。
由图4 可见，打排水孔使衬砌顶板、边墙的外水压力降低约50%；围岩固结灌浆区与排水孔结合，对于衬砌外水形成“外堵内排”效应，衬砌外水压力继续降低，可降低约40%；计算剖面附近埋设渗压计监测到的衬砌外孔隙水压力值与本文的计算值相差不到1m水头，二者非常接近。
在围岩与衬砌贴合的情况下，单纯因渗透荷载引起衬砌拱顶、起拱线、边墙内侧（图5 隧洞内部）的拉应力约0.3MPa，底板上侧拉应力约0.2MPa；若打设排水孔和围岩灌浆，衬砌拉应力减小约50%。在衬砌顶拱、边墙与围岩脱离的情况下，衬砌受力状态恶化，拱顶、起拱线、边墙拉应力大于1.5MPa 的范围很多，见图5，素混凝土将开裂。因此，外水压力亦可能是衬砌混凝土裂缝的原因。
4 隧洞裂缝处理对策及分析
根据国内外隧洞衬砌裂缝处理的成果经验，隧洞的衬砌裂缝处理，不是仅仅对衬砌裂缝进行灌浆封堵，达到补强和堵漏的效果；还需要根据衬砌裂缝的成因制定相应的措施，采取经济合理的工程措施消除造成衬砌裂缝的内外因素，做到“标本兼治”。由于该工程为水源工程，必须采用安全、环保、无毒的处理手段，保证衬砌结构和水质安全。此外，裂缝处理受到每年停水检修时间不超过1 个月的限制，宜按照“分段修补、分期实施、经济合理、确保质量”的原则开展。隧洞衬砌的所有纵向、环向渗漏裂缝都必须处理，但是纵向裂缝应先行处理。建议采取以下处理措施：
（1）对衬砌脱空部位进行回填灌浆，对围岩破碎洞段进行固结灌浆，使衬砌和围岩联合受力，从根本上改善隧洞衬砌受力条件，使裂缝发展趋于稳定。回填灌浆以回填水泥砂浆为主，回填时，同一洞段左右边墙应均匀回填。
（2）保留现排水孔，外水压力较高的洞段加密排水孔，使排水孔与围岩灌浆联合作用，对衬砌外水渗流形成“内排外堵”，降低外水压力。排水孔必须设置反滤，防止风化围岩因外水内渗而流失，造成更大的衬砌与围岩脱空。停水检修时应对检查排水孔堵塞情况，及时疏通、更新反滤。
（3）对回填和固结灌浆后仍然渗漏的裂缝，进行化学灌浆柔性封堵和裂缝表面柔性覆盖，避免裂缝持续渗漏泌钙进一步降低混凝土性能。若采用刚性材料处理，温度应力会造成混凝土出现新的开裂。柔性处理措施可保证裂缝继续随温度荷载张合而不渗漏。建议化学灌浆使用环保型聚氨酯复合浆材，裂缝表面柔性覆盖采用聚脲弹性体喷涂。
（4）在采取上述措施后，如仍然存在持续发展的结构裂缝，采用钢板或碳纤维板对混凝土结构进行补强加固。
（5）在采取上述措施的过程中，如果发现局部裂缝持续开裂并出现错台现象，应根据抢修时限决定采取临时加固或永久加固措施，临时加固可采用内衬套拱和施加横向支撑，永久加固可在局部洞段增加锚杆。
5 结语
该引水工程隧洞衬砌裂缝是由多个原因引起，有自身质量的原因，也有外部因素。隧洞设计标准偏低、施工质量较差，致使衬砌结构承载能力低下。首次通水适逢低温季节，衬砌遭受冷击，出现早期温度裂缝，运行期较大温差导致温度裂缝不断延伸发展，裂缝导致外水渗漏入洞内。衬砌上设置的排水孔未设置反滤，使风化岩体随外水内渗而流失，加剧衬砌与围岩脱空，使衬砌单独承受外水压力，使衬砌受力状况恶化，出现大量纵向裂缝。
根据裂缝产生原因，提出回填灌浆、围岩固结灌浆、施做排水孔、裂缝封堵与封闭等措施。需特别注意，施做排水孔必须设置反滤，裂缝封堵和封闭应采用柔性材料。该引水工程停水检修期短，专项检测、修补加固项目，应由有资质的专业检测机构、专业化的修补加固单位承担，才能及时发现问题，发现的问题得到有效处理，确保工程长期安全、稳定供水。
