高原高寒地區(qū)隧道施工抗凍施工措施

李志軍

（山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司，山西 太原030012）

1 工程概括

大力加山隧道為一座上、下行分離的四車道高速公路特長(zhǎng)隧道，位于青海省與甘肅省交界處，隧道右線起訖樁號(hào)為K13+288—K18+763.79，全長(zhǎng)5 475.79 m，右線進(jìn)口平面線形為直線，接圓曲線，R=6 000 m，接直線，再接緩和曲線，Ls-180 m，最后以圓曲線出洞，R=1 400 m；左線起訖樁號(hào)為K13+310—K18+771，全長(zhǎng) 5 461 m，左線進(jìn)口平面線形為直線，接圓曲線，R=6 000 m，接直線，再接緩和曲線，Ls-190 m，最后以圓曲線出洞，R=1 530 m；縱坡為人字坡。

該隧道區(qū)屬構(gòu)造剝蝕高山地貌區(qū)，地形起伏大，隧道范圍內(nèi)中線高程2 955～3 605 m，最大高差約610 m。山體自然坡度15°～35°，植被較發(fā)育，進(jìn)、出口均處于山前斜坡地帶，山坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。該地區(qū)具有高原氣候的特點(diǎn)，形成春季干旱，秋季多雨的氣候，季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度1.6 m。

2 研究方向

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國凍土主要分布在海拔較高的青藏高原、東北大小興安嶺和西部地勢(shì)比較高的地區(qū)，尤其是大力加山隧道這種處于高海拔、高寒、漫長(zhǎng)冬季、工期緊、連續(xù)施工等，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)就更少，在施工中，噴射混凝土早期強(qiáng)度偏低，二襯混凝土施工前容易凍結(jié)，普遍出現(xiàn)襯砌凍脹開裂、剝落、掛冰、積水及結(jié)冰等病害，同時(shí)隧道處于干濕交替狀態(tài)，極易引起混凝土的凍融破壞，因此，解決好高原高寒隧道混凝土的抗凍工藝和技術(shù)，對(duì)隧道施工有很大的推廣意義。

3 混凝土受凍害損傷的原因

3.1 施工期間

初期支護(hù)噴射混凝土和現(xiàn)澆襯砌混凝土在低溫下施工時(shí)，出現(xiàn)凍結(jié)的原因是由于新拌混凝土的強(qiáng)度低、含水大，孔隙率高，容易產(chǎn)生水分的遷移導(dǎo)致水分重新分布和冰晶的形成，使體內(nèi)出現(xiàn)若干的冰夾層，在冰晶不斷生長(zhǎng)的過程中，混凝土材料會(huì)受到拉應(yīng)力，超過材料的抗拉強(qiáng)度即產(chǎn)生破壞[1]。在養(yǎng)護(hù)期間內(nèi)發(fā)生凍結(jié)是由于混凝土受到內(nèi)外溫度平衡過程的影響，表面的凍結(jié)程度大大高于內(nèi)部的凍結(jié)程度，即使解凍仍然對(duì)凍傷沒有恢復(fù)性。

3.2 運(yùn)營(yíng)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塌落，隧道襯砌背后的地下水在低溫條件下凍結(jié)膨脹產(chǎn)生應(yīng)力，實(shí)質(zhì)上是形成了一種變形壓力，在這種壓力作用下，容易使混凝土產(chǎn)生裂縫；同時(shí)混凝土毛細(xì)孔中的游離水在低溫條件下凍結(jié)以及反復(fù)凍融，而降低混凝土的強(qiáng)度，使混凝土的耐久性降低。

4 抗凍基本要求

大力加山隧道所處區(qū)域整個(gè)冬期可分為3個(gè)階段，當(dāng)年的10月15日—11月20日，大約35 d可稱為初冬期，當(dāng)年的11月20日—次年的2月10日大約80 d，可稱為深冬期，次年的2月10日—4月15日大約63 d，可稱為冬末階段，在整個(gè)冬期施工中混凝土抗凍的基本要求是在低溫條件下施工，采取可靠的技術(shù)措施，使混凝土澆筑后盡早凝結(jié)硬化，不發(fā)生混凝土凍傷。

5 影響混凝土抗凍性能的因素

通過對(duì)大力加山隧道所處區(qū)域的環(huán)境溫度分析，以及日常冬期施工過程中的施工情況分析，得出影響隧道噴射混凝土、襯砌混凝土抗凍性的主要因素包括骨料、水灰比、密實(shí)性、水泥品種和用量等。

a）骨料吸水率和骨料尺寸是影響骨料抗凍性的主要因素，骨料尺寸越大，受凍后越容易破壞，骨料的壓碎值越小、堅(jiān)固系數(shù)越大，混凝土的抗凍融能力越強(qiáng)，同時(shí)骨料的風(fēng)化程度、含泥量等對(duì)混凝土抗凍性都有一定的影響。

b）混凝土的水灰比越大，混凝土中游離水越多，可凍水的含量就越多，混凝土的結(jié)冰速度越快，混凝土強(qiáng)度越低，抵抗凍融的能力越差。

c）混凝土越密實(shí)，防水性能越好，毛細(xì)孔少，能夠有效阻止水侵蝕混凝土結(jié)冰膨脹損傷混凝土。

d）水泥中隨著混合材料摻入量的增加，混凝土的抗凍性就降低，抗凍混凝土用硅酸鹽水泥配制要優(yōu)于其他品種的水泥。

6 抗凍施工措施

6.1 材料抗凍施工措施

a）噴射混凝土和襯砌混凝土配合比設(shè)計(jì)采用高效減水劑，降低水灰比，使之充分發(fā)生水化，作出理論上不包含可凍水的飽和混凝土構(gòu)件。

b）在混凝土配合比設(shè)計(jì)中，通過多方面的比選，選用吸水率比較小的巖石，巖石吸收的可凍水很少，骨料不受冰凍的傷害。

6.2 混凝土冬季施工技術(shù)措施

a）原材料的保溫儲(chǔ)存，大力加山隧道進(jìn)出口拌合站采取燃煤鍋爐進(jìn)行拌合以及砂石料的保溫和升溫需求，生產(chǎn)用砂、碎石采用封閉式料棚儲(chǔ)存，料棚采用鋼結(jié)構(gòu)屋架，采用彩鋼房板封閉，留設(shè)活動(dòng)門，活動(dòng)門采用棉被封閉防寒。砂倉采用篷布覆蓋，保證砂石材料不受凍，保持溫度在0℃以上，同時(shí)要防止冰雪塊、凍塊混入攪拌機(jī)內(nèi)，給混凝土溫度帶來損失，嚴(yán)重影響混凝土的質(zhì)量；水泥、外加劑等在使用前進(jìn)入暖棚進(jìn)行預(yù)熱，不得直接加熱。

b）混凝土拌合料的加溫，在保持砂石料正溫的情況下，混凝土的拌合料也要加溫，大力加山隧道進(jìn)出口拌合站的上料倉、料倉的傳輸皮帶均采用建立暖棚的形式進(jìn)行加熱，預(yù)熱溫度由混凝土的出機(jī)溫度和入模溫度計(jì)算確定；水加熱是混凝土冬期施工的關(guān)鍵工序，拌合用水采用蒸汽鍋爐預(yù)熱，加熱溫度要根據(jù)混凝土拌合物混合溫度來計(jì)算并控制，一般控制在60℃～80℃之間；大力加山隧道進(jìn)出口拌合站冬期施工拌合控制通過在拌制混凝土前及停止拌制后，采用熱水沖洗攪拌機(jī)的拌盤或鼓桶的方式進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)由于水泥不宜與高溫水直接接觸，混凝土拌合的加料順序?yàn)榧?、水，稍加攪拌后再加入水泥[2]，且攪拌時(shí)間比常溫時(shí)延長(zhǎng)50%。

c）混凝土的運(yùn)輸，混凝土運(yùn)輸車在使用前用熱水清洗加溫，罐外用棉氈包裹保溫，保證運(yùn)輸過程的順暢，防止在運(yùn)輸過程中混凝土的溫度降低。

d）混凝土的澆筑，在進(jìn)行噴射混凝土和襯砌混凝土施工時(shí)，提高出機(jī)溫度，洞內(nèi)保溫采用火爐加熱，每50 m設(shè)置一個(gè)火爐，隧道洞口設(shè)置棉氈門簾封閉洞口，混凝土拌合物要盡快入模，防止熱量散失，盡量減少因施工操作引起的混凝土拌合物溫度損失。

e）增加密實(shí)度，隧道二次襯砌冬期施工過程中，特別要加強(qiáng)振搗，從而增加混凝土的密實(shí)度，減少毛細(xì)孔，減少毛細(xì)孔積水，防止結(jié)冰膨脹破壞混凝土的堅(jiān)固性和耐久性[3]。

f）混凝土的溫度監(jiān)控，在大力加山隧道冬期施工混凝土期間，建立溫度檢測(cè)制度，對(duì)施工環(huán)境溫度、原材料溫度、混凝土拌合物溫度、混凝土入模溫度、混凝土養(yǎng)護(hù)溫度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并做好完整的監(jiān)測(cè)記錄，環(huán)境溫度的測(cè)量按照每晝夜8點(diǎn)、14點(diǎn)、20點(diǎn)、24點(diǎn)共4次進(jìn)行，拌合材料和防凍劑溫度的測(cè)量按照每工作班不少于3次進(jìn)行，對(duì)混凝土拌合物出機(jī)溫度的測(cè)量按照至少每2 h測(cè)量一次進(jìn)行，對(duì)灌筑前和振搗完畢的溫度測(cè)量按照至少每2 h測(cè)量一次進(jìn)行，對(duì)養(yǎng)護(hù)期間混凝土溫度的測(cè)量，在終凝前，前3 d每2 h測(cè)一次，以后每晝夜進(jìn)行2次測(cè)溫，能夠及時(shí)預(yù)知混凝土的施工外界溫度，針對(duì)溫度的變化，及時(shí)調(diào)整施工時(shí)間和防寒保溫措施。

g）空壓機(jī)冬期施工保溫措施，隧道冬期施工過程中，施工機(jī)械的保溫特別是空壓機(jī)的保溫工作都很重要，為確保空壓機(jī)在冬期正常工作，搭建空壓機(jī)保溫棚，防止不工作時(shí)循環(huán)水結(jié)冰，確?？諌簷C(jī)冬期正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

h）做好襯砌防水工作，襯砌背后的防水工程施工要嚴(yán)格按照規(guī)范要求執(zhí)行，以防水板施工的質(zhì)量來防止地下水滲入襯砌混凝土，防止因地下水結(jié)冰膨脹破壞混凝土。

i）加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)期間的防凍，隧道混凝土冬期施工中養(yǎng)護(hù)期間的防凍是非常關(guān)鍵的，盡可能提高養(yǎng)護(hù)期間的環(huán)境溫度，模板外鋪設(shè)電熱毯，延長(zhǎng)模板養(yǎng)護(hù)時(shí)間，混凝土未達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度前不得拆模。

7 結(jié)語

本文對(duì)高寒高海拔地區(qū)的隧道混凝土受凍害損傷的原因作了說明，任何結(jié)構(gòu)的破壞均與材料的性能密切相關(guān)，也與在施工過程中所采取的防寒保溫措施有密切關(guān)系，所以，在實(shí)際施工中，要不斷探索新的思路、新的方法。