1.4 水工隧洞衬砌混凝土温控防裂技术的发展

水工隧洞衬砌混凝土的温控防裂技术至今尚不完善，有关规范的技术要求相对较简单、不具体，也没有明确的温控标准。发展至今，大概经历了如下三个阶段。

1.4.1 温控防裂问题没有得到足够认识（第一阶段：初步认识）

1999 年以前，国内外水工隧洞的设计一般都没有考虑温度作用，混凝土施工中也都没有采取严格的温控措施，温控防裂问题基本没有得到共识（参见：武汉大学水利水电学院，永久船闸输水隧洞衬砌混凝土温度监测试验与应力分析报告之三《隧洞工程衬砌混凝土温度控制调查分析》，2001年8月）。

当时使用的《水工隧洞设计规范》（SD 134—84）^[7]关于温度裂缝控制的有关要求为：在荷载计算中，第6.2.8条规定“温度变化，混凝土干缩和膨胀所产生的应力及灌浆压力等对衬砌的影响，主要宜通过施工措施及构造措施解决，对于高地温地区产生的温度应力，应进行专门的研究”；关于衬砌结构的分缝，第6.4.2条规定“沿洞线的浇筑分段长度，应根据浇筑能力和温度收缩等因素分析决定，一般可采用6～12米，底拱和边顶拱的环向缝不得错开”。另外，在“附录九混凝土衬砌裂缝及其防止措施”中有①“裂缝原因”中的第一条为“由于温度应力或干缩应力超过混凝土的极限抗拉强度”；②防止裂缝措施的第1条为“加强混凝土衬砌施工期的养护工作，拆模时间不宜过早，减少温度突变影响，必要时控制混凝土入仓温度”，第10条为“在严寒地区为减少衬砌内外温度剧烈变化，可在洞口采取保温措施”，即关于水工隧洞混凝土温度裂缝控制与技术，只有技术性条款，没有严格的控制标准。

1999 年以前完建的水工隧洞，都没有进行温控防裂设计，任何季节浇筑混凝土都是常温（没有制冷），更没有进行过通水冷却，即没有进行专门的温控防裂。例如，这个时代设计建设的大型代表性水电站，如二滩、天生桥等的水工隧洞都没有最高温度控制和施工期温控防裂要求，也没有进行过温控防裂研究与计算，施工中也没有制冷混凝土、通水冷却等专门的温控措施，只进行洒水养护。

直到1999年，国内外还没有开展水工隧洞衬砌混凝土温控防裂方面的研究。国外的有关研究仅有：日本对香港飞机场地下铁路（预制）沉埋涵管进行过专门的研究^[8]，对于预制涵管进行了裂缝观测，并采用二维有限元法进行了温度与温度应力的计算分析和采取保温、埋冷却水管温控措施的研究，提出了温度控制标准（限裂），指出采取保温和埋冷却水管的温控措施可以满足温控要求。加拿大Lo.K.Y，Rowe.R.K，Wai.R.S.C等人研究了石灰岩上圆形隧洞的热力学反应，考虑材料的非线性特性采用有限单元方法进行分析。检查了衬砌混凝土弹性模量、衬砌与围岩填充物的刚度、隧洞表面的散热对衬砌混凝土和围岩热应力的影响。通过对几何和地质条件的研究，认为在起拱线处产生了很高的切向拉应力，可能导致衬砌混凝土的裂缝[9]_。法国的Aggoun.S，Torrenti.J.M，Prost.J，Legrand.M等人认为衬砌混凝土在外部荷载的作用下，由于材料的物理化学特性以及材料在老化过程中的环境等因素会发生裂缝，这种现象对于隧洞来说更加严重，因为衬砌混凝土的应变受到围岩以及预制模板的约束，而且由于超挖的存在会改变衬砌厚度。由于这种现象所产生的热量和水化热梯度已经由现场试验所证明。基于室内试验的数值仿真得到了以下一些结论。

（1）热量的作用不可避免地会产生横向裂缝。这种裂缝的宽度和出现频率与混凝土的外部形状以及水泥用量有关；

（2）由于水化热的影响会产生表面裂缝，通过对隧洞现场的检查发现与计算结果是一致的^[10]。

印度的Kumar.Prabhat，Singh.Bhawani对地下工程衬砌混凝土的设计考虑了温度应力，讨论了隧洞衬砌混凝土温度增加或减少、裂隙岩体、衬砌混凝土裂缝的影响^[11]。美国的一些学者认识到围岩约束对衬砌混凝土裂缝的影响^[12]，而且衬砌混凝土会产生很大的拉应力与混凝土中的大量钢筋有关^[13]；南非的输水隧洞衬砌混凝土在施工中出现了很大的温度应力并产生了裂缝，严重影响施工进度^[14]；德国对衬砌混凝土的自重、温度、干缩和徐变这些因素进行了专门研究，认为这些因素都会影响衬砌混凝土的温度应力^[15-16]。

国内蔡晓鸿^[17]以稳定温度场为分析隧洞温度应力的基准，将衬砌和围岩的弹性约束应力与其相应的弹性温度自生应力迭加，再计入内水压力作用下衬砌和围岩应力，以围岩对衬砌的约束力小于胶结面的抗剪强度为约束条件，推导出了衬砌伸缩缝间距的设计公式，计算结果表明衬砌混凝土一般只能承受 7～10℃的降温。清华大学的麦家煊^[18]，1994 年采用有限元法对地下钢筋混凝土罐壁的温度应力进行了仿真分析，罐壁温度最大拉应力都超过了抗拉强度，认为裂缝的原因是施工期温度拉应力过大所致，有效的防裂措施是提高试水温度、避免高温浇筑。陈晓东^[19]采用有限元法结合现场情况对盘道岭公路隧洞衬砌混凝土裂缝的原因进行了分析，认为早期收缩变形、地质条件复杂多变、隧洞断面形状差、新奥法运用欠妥是裂缝的原因，但没有计入温度应力的影响。刘洵^[20]对深圳供水工程中现浇钢筋混凝土有压箱涵裂缝进行分析，认为配合比设计欠合理、混凝土生产和温控不力、直墙散热与养护条件比底板和顶板差等是产生裂缝的主要原因。王贤能和黄润秋认为^[21]，高地温问题是深埋长隧洞的重要地质灾害之一，以雅砻江锦屏水电站深埋引水隧洞为例，分析了隧洞围岩温度场的分布特征，根据热应力交变作用的特点，提出岩石的疲劳破坏判据，并利用这个判据分析了热应力作用下隧洞围岩表层的破坏特点。至此，国内外关于水工隧洞衬砌混凝土裂缝问题虽然没有足够充分的认识，但已经有了初步共识。

1.4.2 认识并重视温控防裂（第二阶段：被动温控）

三峡工程永久船闸输水洞，在最早（1999年7月以前）施工的几个部位发生了较明显的贯穿裂缝，引起了中国水电界的高度重视，中国长江三峡工程开发总公司多次组织召开专题研究会，邀请国内有关院士与专家们进行专题讨论。樊启祥等^[22]分析认为，主要是在围岩强约束下混凝土水化热温升后温降作用产生的温度裂缝。和武汉大学水利水电学院段亚辉教授等合作，进一步从改善混凝土性能、增加粉煤灰掺量、缩短分缝、施工方面采取系列的温控措施等方面开展避免或者有效地减少裂缝的深入研究。进行了混凝土性能优化室内实验、5个结构段不同浇筑温度和不同季节浇筑施工的混凝土温度与应力及其钢筋应力施工期全过程的现场监测试验，以及温度与温度应力施工期全过程的仿真计算和温控防裂系统研究^[23-30]，提出的缩短分缝长度至8m、夏季降低浇筑温度（采用制冷混凝土）、增加粉煤灰掺量（超设计规范）、冬季洞口挂帘保温的综合温控方案得到应用^[23]，在后期施工的衬砌混凝土有效避免了裂缝的产生。这是国内外水工隧洞衬砌混凝土第一次采取综合温控方案并取得防裂效果的工程。在国内首次提出衬砌混凝土薄壁结构采用通水冷却可以有效降低最高温度，是防止温度裂缝的有效措施。在后来施工的永久船闸中隔墩输水洞、闸室边墙和右岸地下电站输水洞衬砌混凝土温控防裂中都得到了有效运用。委托长江水利委员会长江勘测规划设计研究院、长江科学院、中国水利水电科学院、三峡试验中心开展了三峡永久船闸衬砌混凝土设计龄期由28d改为90d和大掺量粉煤灰（掺量大于20%）混凝土的性能研究^[31-33]，两项超越当时有关设计规范规定指标的成果获得运用。这些成果在此后的水工隧洞以及其他建筑物混凝土工程中获得了广泛的应用，效果显著。

在三峡右岸地下电站引水洞衬砌混凝土施工中，于2001年11月之后陆续发现在洞体腰部附近及底部出现顺水流向规律性很强的轴向裂缝。经多次专题讨论会，对裂缝产生的原因进行分析研究，提出加强对入仓温度的控制、通冷却水降温，并采取现场取样养护、配比试验调整等一系列施工技术措施。通过上述各项措施的实施，对混凝土裂缝的产生起到了一定的控制作用。张志诚、林义兴等通过现场观测资料分析认为^[34-35]，是由于混凝土的温度变化、干缩等产生的变形受到约束产生的。通过敏感性计算分析得出不同龄期应力变化及主应力分布规律，认为降低混凝土浇筑温度、通冷却水降温、加强养护以及适当增加粉煤灰掺量对于防止裂缝的产生是十分必要和有效的；在满足强度和稳定的条件下，适当减小衬砌的厚度，可以降低衬砌体的拉应力。

至此，以三峡水利水电枢纽为标志，中国水电界真正认识到水工隧洞衬砌混凝土温度裂缝的问题，开始了避免或者有效减少裂缝的研究，根据计算分析和试验研究提出温控防裂方案并在施工中得到成功应用，步入水工隧洞衬砌混凝土温控防裂的第二阶段。但由于是在衬砌混凝土出现裂缝后开始认识→（开展）研究→（进行）温控防裂，行为上有被动性，因而可以简称为“被动温控”阶段。

在此阶段，1997年10月至1999年黄河水利委员会勘测设计研究院对小浪底水利枢纽的导流隧洞、排砂洞、明流洞进行了裂缝检查，发现衬砌混凝土出现较多裂缝。绝大部分出现在C70混凝土，冬季施工后较多，大多是贯穿性裂缝，基本上是温度裂缝。同时与施工分块、混凝土质量、表面保护、地下水等有关^[38]。后来阎士勤等采用圆柱坐标差分法，对小浪底工程隧洞衬砌混凝土施工期的温度及温度应力进行了分析，确定了不同混凝土强度等级、不同衬砌厚度的温控标准和衬砌分段长度^[39]。认为 C70 混凝土无论衬砌厚度如何，夏季浇筑均需采取温控措施，衬砌分段长度宜在6m以下。此后在实施过程中，采取了一定的温控措施，并进行了温控监测和裂缝检查。运行前发现有大量贯穿性裂缝，都进行了裂缝处理。

国外在此阶段，仅荷兰南线高速铁路隧洞对衬砌混凝土温度和温度应力进行了分析，认识到了制冷混凝土的重要性，并提出制冷方案^[40]。

由于对衬砌混凝土的温控防裂问题有了高度的重视，并开展研究、设计和施工温控取得防裂的成效，在此阶段修改编写的《水工隧洞设计规范》（SL 279—2002）^[41]关于混凝土温控防裂的措施和裂缝处理提出了明确的技术要求，比此前的规范《水工隧洞设计规范》（SD 134—84）^[7]有了明显的进步。

1.4.3 积极、有效地开展温控防裂（第三阶段：主动防裂）

2007年12月，中国长江三峡集团公司（简称三峡集团公司）就金沙江溪洛渡和向家坝水电站地下工程混凝土温控防裂召开专题审查会，借鉴溪洛渡水电站导流洞^[42-45]和三峡永久船闸与发电尾水洞衬砌混凝土裂缝控制措施和效果，在参建各方和科研院校开展的地下工程温控防裂研究成果，结合设计研究分析和施工措施研究，提出了相应工程的温控防裂意见。这是我国水利水电工程建设中首次在施工前召开关于地下工程混凝土温控防裂的专题审查会。主要意见包括：对于泄洪洞和发电洞，全部采用制冷混凝土浇筑，混凝土设计龄期由28d调整为90d，粉煤灰掺量按25%控制（经试验论证后可进一步提高到30%）；考虑到泄洪洞流量大、流速高，运行使用较频繁，必须确保混凝土抗气蚀和抗冲耐磨性能，确保安全运行，还进一步采取了通水冷却和冬季挂帘封闭洞口的综合温控措施^[46]。至此，以溪洛渡水电站为标志，中国步入了水工隧洞衬砌混凝土温控防裂的第三阶段，即从施工前的设计开始，以温控防裂为目的，对衬砌结构优化（厚度与分缝）、混凝土配合比和施工方案优选研究，提出合理可行的温控防裂综合方案与温控标准，由施工承包单位根据工程实际制定科学可行的实施方案，主动开展温控防裂系列工作，可以简称为“主动防裂”阶段。

在溪洛渡泄洪洞混凝土施工过程中，工程建设部、施工单位和高等院校联合，进一步开展了常态混凝土、底板先浇找平混凝土、无压段边墙与顶拱分期浇筑^[44]、流水养护等试验与研究，取得明显的防裂效果。为进一步提高水工隧洞衬砌混凝土的温控防裂理论和技术水平，溪洛渡工程建设部进一步与武汉大学合作，深入开展相关理论和实践研究，提出了适应于早期地下工程薄壁结构混凝土温度应力变化的，具有明确物理意义和避免负徐变的改进徐变模型[47]；推导了松弛系数率的表达式，利用松弛系数率和迭加法近似求解松弛系数，在此基础上提出了松弛系数算率迭加法^[48]；根据热传导理论、有限元理论及通水冷却特性，推导出一种新的计算通水冷却模拟技术—间接耦合法^[49]；关于衬砌结构、施工及其温控措施、混凝土及其性能和环境等方面因素对水工隧洞衬砌混凝土温控防裂的影响进行了系列而深入的研究[50-55]；针对温控防裂效果和工程反馈研究改进不同季节浇筑混凝土的温控防裂综合优化方案，温控防裂取得显著成效^[56-58]。与此同时，孙明伦等对低热硅酸盐水泥在泄洪洞工程中的应用开展了室内和现场试验等研究，取得了成功经验^[59]，刘恋等对泄洪洞混凝土抗冲耐磨性能进行了试验研究^[60]。另外，中南勘测设计研究院委托武汉大学段亚辉教授等对江坪河水电站泄洪洞和放空洞衬砌混凝土进行了温控防裂方案优化和温控标准研究，同时围绕解决混凝土温控防裂问题对模板材质和拆模时间、洞室和围岩温度、过缝钢筋、寒潮等的影响开展了系列研究[61-64]。这也是继溪洛渡水电站后开展水工隧洞衬砌混凝土主动温控防裂的实际工程。

在此阶段，武汉大学段亚辉教授和赵路等进一步对三板溪泄洪洞衬砌混凝土裂缝发生与发展过程进行了研究^[65]。周涛、陈永刚针对南水北调中线釜山隧洞混凝土衬砌在北方低温季节施工的特点，总结经验认为，保证混凝土低温季节施工质量的关键是混凝土的加热方法和温度控制以及混凝土的养护^[66]。王广艳、吴云良从材料和施工等方面对糯扎渡排水洞工程混凝土衬砌裂缝的成因和预防措施进行了总结^[67]。梁永红等对新疆北部修建在软岩上的某引水工程无压明流输水隧洞底板产生裂缝的原因分析，认为是膨胀性泥岩、温度应力等应力叠加作用产生的。这些研究一般都是衬砌混凝土发生了裂缝后进行的裂缝处理和原因的分析^[68]。中国水利水电科学研究院、南京水利科学研究院、成都勘测设计研究院等单位围绕提高混凝土抗裂性能、降低水化热、改善施工性能等，关于掺加粉煤灰、硅粉、聚丙烯纤维、钢纤维等配制高性能混凝土进行了大量研究^[69-70]。掺粉煤灰混凝土可以明显降低水化热绝热温升，提高后期强度；掺钢纤维可以显著改善混凝土脆性，增强韧性，增加抗裂能力；掺聚丙烯纤维混凝土抗压强度和劈拉强度均有不同程度降低，极限拉伸值提高 10%左右，对增强混凝土结构抗裂作用不明显；双掺AS—4，FA混凝土的抗拉强度提高14%、极限拉伸值提高6%，抗裂能力有所提高；掺入 12%硅粉后，混凝土抗冲磨强度提高 69%；在硅粉混凝土中掺入一定量的聚丙烯纤维后，抗冲磨强度提高了 10%。此外，洪家渡、天生桥二级、糯扎渡、蔺河口等水电站也对隧洞衬砌混凝土裂缝成因进行了深入的分析^[71-76]。

国外在此阶段仅日本Takayama Hirofumi等人对东北地区和东南地区新干线隧洞通过现场调查混凝土材料、施工方法和气候对衬砌混凝土开裂的影响^[77]，然后通过试件来观察混凝土早期的温度和应变。通过衬砌混凝土的模型试验来研究现场观测的因素的影响，并提出了控制裂缝的方法。