文/交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院 張毅

盤興高速公路地處我國長江和珠江上游重要生態(tài)屏障區(qū)——沿線廣泛分布喀斯特山區(qū)地貌，生態(tài)環(huán)境敏感脆弱。這意味著公路建設(shè)者在建設(shè)過程中要面對區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱敏感、環(huán)境保護(hù)要求高、工程施工難度大、建設(shè)與運(yùn)營能耗高等問題，在這樣的背景下，塊片石自密實(shí)混凝土、隧道零開挖等技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

就地取材——實(shí)施塊片石自密實(shí)混凝土技術(shù)

貴州高原山地居多，素有“八山一水一分田”之說，是全國唯一沒有平原的省份。在這里，山區(qū)公路建設(shè)領(lǐng)域長期存在擋墻等混凝土工程施工緩慢、成本高等問題。一方面現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)規(guī)范、定額上采用的毛石混凝土，是目前我國公路建設(shè)擋墻等大體積混凝土工程主要采用的施工技術(shù)；另一方面，貴州石灰?guī)r質(zhì)塊片石資源十分豐富，目前還沒有得到有效的利用。

但傳統(tǒng)片石混凝土在施工中，對塊片石摻入量、塊片石粒徑、塊片石間隙、塊片石投入方式等有嚴(yán)格的規(guī)定，尤其塊片石摻入量一般不超過20%，且存在施工效率低、人工成本較高等缺點(diǎn)。因此，研究如何盡可能地應(yīng)用好塊片石，研發(fā)先進(jìn)、高效的新型混凝土施工技術(shù)是支撐盤興高速公路，乃至貴州省公路建設(shè)快速發(fā)展的重大課題。

如何控制塊片石的堆積程度及空隙率？超流態(tài)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土能否完全填充塊片石之間的空隙？塊片石與超流態(tài)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的界面黏結(jié)程度如何？機(jī)制砂自密實(shí)片石混凝土的整體力學(xué)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求……面對新的問題，在經(jīng)過多番論證和實(shí)踐之后，研究人員創(chuàng)新性地提出了塊片石自密實(shí)混凝土技術(shù)，并針對塊片石自密實(shí)混凝土研究與應(yīng)用中存在的關(guān)鍵技術(shù)難題或問題開展針對性的科研攻關(guān)——

從理論、計(jì)算、配制、施工、控制等方面開展系統(tǒng)研究，重點(diǎn)開展塊片石的堆積程度與空隙率控制技術(shù)、超流態(tài)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的配制技術(shù)、塊片石自密實(shí)混凝土施工、養(yǎng)護(hù)及現(xiàn)場檢測技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

由貴州省公路工程集團(tuán)有限公司研發(fā)的貴州地區(qū)石灰研制塊片石自密實(shí)混凝土施工工法，具有減少混凝土用量，施工效率高，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。并于2015年獲得住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒發(fā)的國家級工法，并獲得兩項(xiàng)國家發(fā)明專利。

在通過理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)模擬、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)與評價(jià)、工程試點(diǎn)應(yīng)用等方面研究后，研究人員針對貴州地區(qū)塊片石自密實(shí)混凝土的性能需求分析，研究并解決其配合比設(shè)計(jì)、配制、塊片石堆碼、施工、養(yǎng)護(hù)、控制等關(guān)鍵技術(shù)。

研究人員算了一筆賬，將塊片石自密實(shí)混凝土技術(shù)在盤興高速公路上進(jìn)行了全線推廣，應(yīng)用工程結(jié)構(gòu)包括擋土墻、路肩墻、護(hù)肩、路堤、護(hù)腳墻上，全線共使用塊片石自密實(shí)混凝土28.8萬立方米，與使用傳統(tǒng)混凝土相比，減少水泥用量2.7萬噸，減少水用量10.8萬立方米，減少砂用量8.6萬立方米，利用隧道棄渣9.6萬立方米，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

盤興高速公路酸棗大橋

“這是一次革命！”不少研究人員表示，將自密實(shí)混凝土技術(shù)與塊片石混凝土技術(shù)巧妙地結(jié)合起來，形成貴州地區(qū)塊片石自密實(shí)混凝土，是根據(jù)貴州地區(qū)混凝土原材料特點(diǎn)與混凝土技術(shù)快速發(fā)展而開發(fā)的一種革命性的、新型的超流態(tài)自密實(shí)混凝土。該項(xiàng)技術(shù)大大突破了傳統(tǒng)技術(shù)的塊片石摻量，使塊片石摻量從20%提高到60%。相對傳統(tǒng)施工技術(shù)，新材料和新技術(shù)的質(zhì)量得以提高、施工周期縮短、工程成本減少、最大限度地保護(hù)了環(huán)境，同時解決了山區(qū)大量片石混凝土擋墻施工緩慢的難題。

現(xiàn)場各項(xiàng)檢測表明，塊片石自密實(shí)混凝土的外觀表面光滑、無缺陷，內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，混凝土完全填充塊片石的內(nèi)部孔隙，塊片石自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能完全滿足擋墻混凝土的設(shè)計(jì)需求。不僅改變了傳統(tǒng)的片石混凝土施工工藝，而且具有顯著提高片石混凝土質(zhì)量、降低人工勞動成本、提高施工效率、促進(jìn)資源循環(huán)利用、改善施工環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)對促進(jìn)貴州地區(qū)乃至全國公路建設(shè)快速、健康發(fā)展具有重要意義。可廣泛應(yīng)用于公路建設(shè)擋墻等各類大體積混凝土工程的設(shè)計(jì)施工，也可在鐵路、水利、海工、城建等建設(shè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

塊片石自密實(shí)混凝土技術(shù)主要特征

塊片石自密實(shí)混凝土是一種新型的混凝土，解決片石的堆積程度與空隙率控制技術(shù)、超流態(tài)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的配制技術(shù)、施工技術(shù)、養(yǎng)護(hù)技術(shù)，可廣泛應(yīng)用與大體積混凝土、擋墻等各類混凝土工程中；

通過二維計(jì)算機(jī)模擬機(jī)制砂自密實(shí)片石混凝土的片石堆放過程及堆放程度，結(jié)果表明塊片石的最大粒徑及最小粒徑、骨料均勻系數(shù)、堆放區(qū)域面積等對塊片石堆積程度及孔隙率的影響十分顯著。模擬計(jì)算表明，擋墻塊片石自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)中，塊片石最小粒徑應(yīng)不小于30厘米，最大粒徑應(yīng)不大于擋墻結(jié)構(gòu)最小幾何尺寸的四分之三。一般來說，塊片石的適宜體積摻量在45%至60%之間；

通過選擇合理的原材料，優(yōu)化混凝土配合比的參數(shù)，配制出粉煤灰摻量大于50%、坍落度大于25厘米、擴(kuò)展度大于70厘米、倒坍落度筒流出時間小于5秒的C20超流態(tài)自密實(shí)混凝土；

將自密實(shí)混凝土技術(shù)引入片石混凝土，大大突破傳統(tǒng)技術(shù)的片石摻量，使片石摻量從20%提高到60%，在提高工程質(zhì)量的同時，還可縮短工期，降低建設(shè)成本。

生態(tài)環(huán)?！淼馈傲汩_挖”技術(shù)

盤興高速公路上的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是橋隧施工工程。研究人員清楚地認(rèn)識到，給隧道大動“手術(shù)”，將對山體的生態(tài)環(huán)境造成不可挽回的破壞。以往的隧道進(jìn)洞設(shè)計(jì)和施工常采用大開挖刷坡進(jìn)洞，易引發(fā)山體失穩(wěn)和嚴(yán)重環(huán)境破壞。針對如何遏制沿線生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)的生態(tài)環(huán)境惡化，國內(nèi)外已開展了大量研究工作，但迄今為止仍未形成系統(tǒng)的環(huán)境協(xié)調(diào)型隧道進(jìn)洞工法技術(shù)體系。

為此，圍繞安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境與社會效益等設(shè)計(jì)理念，研究人員展開了生態(tài)環(huán)境脆弱地帶隧道安全環(huán)保進(jìn)洞技術(shù)研究。一方面深入分析洞口山體特征與隧道安全環(huán)保進(jìn)洞之間的關(guān)系，了解復(fù)雜地質(zhì)情況下隧道進(jìn)洞施工的風(fēng)險(xiǎn)，已對現(xiàn)有進(jìn)洞工法適應(yīng)性進(jìn)行研究并進(jìn)行優(yōu)化；另一方面，歸納提煉生態(tài)脆弱環(huán)境及不良工況下隧道綠色環(huán)保安全進(jìn)洞施工技術(shù)，研究與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)性洞門設(shè)計(jì)與施工，實(shí)現(xiàn)隧道進(jìn)洞施工的安全、綠色和環(huán)保，并最終提出了“零開挖”技術(shù)。

“零開挖”技術(shù)在覆蓋層為零（即0厘米至50厘米）的條件下，采用蓋挖法，明洞暗做，提前進(jìn)洞，最大限度地縮小隧道洞口施工的破壞范圍，達(dá)到保護(hù)隧道口森林植被的目的。該技術(shù)是以工程地質(zhì)條件研究為基礎(chǔ)，選擇適宜的輔助施工措施和施工方法與施工順序，以“早進(jìn)洞、晚出洞”的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行進(jìn)洞開挖，在施工過程中充分發(fā)揮監(jiān)控量測與地質(zhì)預(yù)報(bào)的作用，根據(jù)其分析結(jié)果，及時修正設(shè)計(jì)，保證隧道進(jìn)洞過程的順利進(jìn)行。

此外，“零開挖”進(jìn)洞工法可保全洞口山坡及原生植被免遭破壞，大大減少洞口仰坡開挖及防護(hù)工程量，這是保證邊仰坡穩(wěn)定較為理想的方法。對于上下行分離設(shè)置的隧道，不僅可以保護(hù)單個洞口的山坡和植被，更重要的是還可以避免兩洞間“鼻梁”巖（土）體的開挖，這既可保護(hù)兩洞間“鼻梁”巖（土）體上的原生植被，又可借助“鼻梁”巖（土）體維持兩洞口山體的穩(wěn)定。此舉降低了上部開挖施工槽的深度，相同坡比的條件下最大限度地減少了洞口施工的橫向破壞范圍，且提高了施工槽邊坡的安全性。