賀偉

摘 要：在高寒區(qū)隧道工程中進(jìn)行早期的支護(hù)噴混凝土和襯砌混凝土襯砌，在低溫中混合、運(yùn)輸、施工和維護(hù)期間將會(huì)受凍，施工過程中，在干燥和潮濕環(huán)境的影響下的襯砌混凝土，易于凍結(jié)且受融化破壞。本文研究了混凝土凍融抵抗技術(shù)在高寒地區(qū)隧道的施工，包括選擇混合類型和摻量；水灰比的嚴(yán)格控制；原材料的保溫；增加密度；加強(qiáng)防凍劑的施工工藝和預(yù)期維護(hù)；襯砌防排水等。這些混凝土防凍技術(shù)對(duì)未來的類似工程具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：高寒地區(qū)；隧道施工；混凝土抗凍融技術(shù)；研究

中圖分類號(hào)：U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）05-0140-01

1 前言

在中國西部高原地區(qū)和北方地區(qū)，寒冷的冬季持續(xù)時(shí)間很長，個(gè)別地區(qū)的冰凍期最長可達(dá)6～7個(gè)月。隨著振興東北及西部大開發(fā)政策的進(jìn)一步實(shí)施，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和一帶一路建設(shè)的需要，在嚴(yán)寒地區(qū)，大型混凝土工程的要求緊迫，對(duì)隧道的建設(shè)將進(jìn)一步完善實(shí)踐與理論的提升，從而探索高寒地區(qū)隧道混凝土施工的新技術(shù)、新方法，并使其滿足強(qiáng)度和混凝土耐凍性指標(biāo)的要求，從而提高結(jié)構(gòu)耐久性、減少運(yùn)營維護(hù)成本、提高結(jié)構(gòu)可靠度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)在，我國已經(jīng)對(duì)寒冷地區(qū)的溫度控制和施工技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并取得了以下三個(gè)方面的成果[1]：

（1）低溫下凍融破壞的機(jī)理；（2）混凝土在混合運(yùn)輸施工中的加熱保溫技術(shù)；（3）各種摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能和工程特性的影響。

雖然這些結(jié)果的應(yīng)用極大地促進(jìn)了我國高寒地區(qū)混凝土施工技術(shù)的發(fā)展，但仍有可能在隧道施工中避免在冬季施工。其原因主要是過去研究的絕大多數(shù)集中在施工階段和養(yǎng)護(hù)溫度變化對(duì)混凝土質(zhì)量和力學(xué)性能的影響，涉及到施工過程中振動(dòng)模式的強(qiáng)度和抗凍性的相關(guān)研究。寒冷地區(qū)隧道混凝土振動(dòng)技術(shù)的難點(diǎn)在于：傳統(tǒng)的隧道襯砌混凝土施工過程中以插件為主振動(dòng)桿振動(dòng)的方法，由于插件振動(dòng)領(lǐng)域的范圍是不容易控制，易于振動(dòng)或出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，蜂窩麻面等現(xiàn)象比較普遍，混凝土強(qiáng)度和抗凍性很難保證。并結(jié)合混凝土施工保溫措施，制定了一套有效的冷區(qū)隧道二次內(nèi)襯的高頻振動(dòng)施工方案，寒冷地區(qū)隧道施工在冬季低溫環(huán)境條件下提供了一種新的襯砌混凝土方法。

2 主要施工原則

了解高海拔、嚴(yán)寒和缺氧地區(qū)的地質(zhì)和氣候特點(diǎn)，結(jié)合隧道工程特點(diǎn)，在基于現(xiàn)有技術(shù)的前提下，廣泛采用的新方法、新工藝、新技術(shù)、新材料，優(yōu)質(zhì)、安全、高效地完成施工的隧道[2]。（1）采用更機(jī)械化的建設(shè)來替代人力建設(shè)，減少施工人員，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。（2）在持續(xù)低溫條件下，采取措施保證工程質(zhì)量，特別是噴混凝土和混凝土的質(zhì)量。（3）為降低施工中凍融和凍結(jié)現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性，有必要建立科學(xué)、完善的供熱、防冷保溫設(shè)施，以保證人員、機(jī)械設(shè)備和施工的正常運(yùn)行。（4）隧道凍結(jié)是施工中需要解決的核心問題。低溫，冷熱溫度交替和水的存在導(dǎo)致凍結(jié)的出現(xiàn)，因此，除了良好的防凍措施外，還要在隧道周圍升起一個(gè)完美的、良好的防水排水系統(tǒng)，這也是是一個(gè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)成功的關(guān)鍵。

3 混凝土受凍害損傷的原因

3.1 施工期間

初期支護(hù)噴射混凝土在低溫模筑混凝土襯砌施工中，凍結(jié)出現(xiàn)的原因是由于新鮮混凝土的低強(qiáng)度、高含水率、孔隙度高，容易發(fā)生水分遷移導(dǎo)致水分再分配和冰晶的形成，使本身出現(xiàn)一些冰夾層，在冰晶體成長的過程中，混凝土材料受拉應(yīng)力影響，超過抗拉強(qiáng)度會(huì)造成損害。凍結(jié)期是由于受混凝土在內(nèi)部和外部溫度平衡過程的影響，表面的凍冰程度要高于內(nèi)部的凍結(jié)程度，甚至解凍還沒有使凍傷恢復(fù)。

3.2 運(yùn)營期間

隧道在建成后，襯砌結(jié)構(gòu)主要承受地層壓力和防止圍巖變形的洞穴坍塌，在低溫條件下隧道襯砌背后的地下水易產(chǎn)生凍結(jié)膨脹壓力，本質(zhì)上是一種變形而形成壓力，受壓力的影響，易使混凝土出現(xiàn)裂縫；同時(shí)，在低溫條件下混凝土毛細(xì)孔中游離水易凍結(jié)，反復(fù)出現(xiàn)凍融，降低混凝土強(qiáng)度和混凝土耐久性。

4 隧道施工混凝土受凍破壞機(jī)理

隧道施工混凝土分為初始支護(hù)噴混凝土和現(xiàn)澆混凝土襯砌。混凝土在隧道施工中受到破壞。在施工過程中，在攪拌、運(yùn)輸和施工過程中，混凝土在凍結(jié)和固化過程中被凍結(jié)。凍結(jié)導(dǎo)致了水的再分配和冰晶體的形成?；炷脸跏紡?qiáng)度有一定的維護(hù)期，冷凍后更容易發(fā)生水分遷移，破壞程度很大，混凝土受內(nèi)部和外部的溫度平衡過程影響，冰凍的表面增加，解凍時(shí)凍傷幾乎沒有恢復(fù)。在攪拌、運(yùn)輸和施工過程中，混凝土沒有初始強(qiáng)度，內(nèi)外凍傷基本相同，混凝土強(qiáng)度在解凍后有一定的恢復(fù)，但仍有很大損失。主要在低溫條件下混凝土襯砌背后的地下水會(huì)產(chǎn)生凍結(jié)膨脹壓力增加，在低溫條件下混凝土的毛細(xì)孔中的自由水會(huì)產(chǎn)生冷凍擴(kuò)張破壞和反復(fù)凍融，凝結(jié)力的降低造成混凝土強(qiáng)度的降低，導(dǎo)致產(chǎn)生破壞。

5 混凝土抗凍施工技術(shù)措施

5.1 凍結(jié)范圍的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

通過WD-A型熱敏電阻溫度計(jì)和WSS金屬溫度計(jì)測(cè)量了襯砌后面的5m巖層的溫度，以確定隧道軸線上的環(huán)境溫度。通過測(cè)量的溫度，可以確定30～50厘米后的襯里表面的凍結(jié)范圍。如果在最大凍土深度回歸上分析計(jì)算，其凍結(jié)表面在90～110厘米的內(nèi)襯范圍，在約800米長的入口和出口處的凍結(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明，襯里的表面溫度與環(huán)境的表面溫度基本相同。洞越近，溫度越低；在1米的襯里表面溫度為0℃左右，隨著深度的增加，溫度進(jìn)一步上升。

5.2 影響混凝土抗防凍性能的因素

影響混凝土抗凍性能的主要因素包括砂石的破碎值、泥漿含量和混凝土水膠比和密度。砂、礫石破碎值越小，堅(jiān)固性系數(shù)越大，混凝土抗凍能力越強(qiáng)。砂和礫石的含泥量對(duì)混凝土防凍是非常不利的，應(yīng)嚴(yán)格限制?；炷了z比越小，游離水越少，空隙越小，可以有效防止混凝土凍死。混凝土越密集，防水越好，毛細(xì)管越少，防止混凝土凍脹的效果越好。此外，原料和混凝土的溫度、進(jìn)入方式和養(yǎng)護(hù)溫度也對(duì)防止凍傷、確保強(qiáng)度、降低凍融損失至關(guān)重要。在地下水進(jìn)入混凝土后，襯里背面的防水板可以防止結(jié)冰和破壞混凝土。

5.3 混凝土抗防凍施工控制方案

結(jié)合凍結(jié)范圍的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)果，在施工中設(shè)定了防凍的基本要求：施工過程中未發(fā)生混凝土凍傷。經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，混凝土強(qiáng)度損失小于15%，質(zhì)量損失小于5%。采取保溫措施，防止襯砌混凝土在操作過程中產(chǎn)生凍傷?；炷僚浜媳雀鶕?jù)防凍混凝土設(shè)計(jì)程序應(yīng)滿足：水泥用量<450kg/m；（噴射混凝土不受限制）；水膠比不大于0.50，最大不超過0.55；泵送混凝土坍落度在14～16cm；強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的4.5%，但不超過7.0%；摻合物滿足防凍條件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際物料供應(yīng)情況，對(duì)混凝土和防凍混凝土的設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范及滿足其對(duì)材料的要求。施工中采用了一系列防冷保溫措施。拌合站封閉保溫，采用熱風(fēng)機(jī)預(yù)熱集料，安裝蒸汽鍋爐，密封混凝土運(yùn)輸容器和包裝熱墊，防止熟料在運(yùn)輸過程中損失，提升模具溫度。模板表面采用石棉氈制，保證混凝土的硬化溫度，避免水結(jié)晶凍傷混凝土的。噴射混凝土采用11kW復(fù)合電熱水箱和提前2h預(yù)熱水[3]。

5.4 抗防凍混凝土施工關(guān)鍵措施

隧道施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是控制。合理選擇混合料的種類和數(shù)量，這對(duì)工程質(zhì)量、工程進(jìn)度和節(jié)約工程投資都有很大的影響，因此應(yīng)謹(jǐn)慎選擇。襯砌混凝土在冬季，有必要選擇減水率高、早強(qiáng)效果好的復(fù)合防凍劑，根據(jù)溫度的不同確定在不同時(shí)間的劑量，而不應(yīng)該大于所需的指令值和實(shí)驗(yàn)值。嚴(yán)禁將混凝土預(yù)先混合。提高機(jī)器的溫度、運(yùn)輸容器敷設(shè)保溫材料、澆注防風(fēng)，為了防止熱量損失，確保模具溫度不低于+5℃。如果混凝土被凍結(jié)，在解凍后混凝土強(qiáng)度將無法恢復(fù)。主要防凍措施有：改善環(huán)境溫度、敷設(shè)石棉加熱氈、延長模具加熱時(shí)間等。

6 結(jié)語

高寒混凝土抗凍融技術(shù)對(duì)高寒地區(qū)的未來類似工程具有很好的借鑒意義，積累了大量寶貴的資料和經(jīng)驗(yàn)，以提高結(jié)構(gòu)耐久性，減少運(yùn)營維護(hù)投入，確保工程使用后期的正常安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]曹紅彬.高寒地區(qū)隧道施工混凝土抗凍融技術(shù)研究[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，（3）：513-516.

[2]高永亮.高原高寒高速鐵路特長隧道防凍脹害施工技術(shù)探討[J].鐵道建筑技術(shù)，2012，（7）：86-89.

[3]呂乃謙.高性能混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：中國電力出版社，2004.