高寒地區隧道施工混凝土抗凍融技術研究

賀偉

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

關鍵詞：高寒地區；隧道施工；混凝土抗凍融技術；研究

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）05-0140-01

1 前言

在中國西部高原地區和北方地區，寒冷的冬季持續時間很長，個別地區的冰凍期最長可達6～7個月。隨著振興東北及西部大開發政策的進一步實施，經濟社會發展和一帶一路建設的需要，在嚴寒地區，大型混凝土工程的要求緊迫，對隧道的建設將進一步完善實踐與理論的提升，從而探索高寒地區隧道混凝土施工的新技術、新方法，并使其滿足強度和混凝土耐凍性指標的要求，從而提高結構耐久性、減少運營維護成本、提高結構可靠度具有重要的現實意義。現在，我國已經對寒冷地區的溫度控制和施工技術進行了大量的研究，并取得了以下三個方面的成果[1]：

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

雖然這些結果的應用極大地促進了我國高寒地區混凝土施工技術的發展，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集中在施工階段和養護溫度變化對混凝土質量和力學性能的影響，涉及到施工過程中振動模式的強度和抗凍性的相關研究。寒冷地區隧道混凝土振動技術的難點在于：傳統的隧道襯砌混凝土施工過程中以插件為主振動桿振動的方法，由于插件振動領域的范圍是不容易控制，易于振動或出現振動現象，蜂窩麻面等現象比較普遍，混凝土強度和抗凍性很難保證。并結合混凝土施工保溫措施，制定了一套有效的冷區隧道二次內襯的高頻振動施工方案，寒冷地區隧道施工在冬季低溫環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、嚴寒和缺氧地區的地質和氣候特點，結合隧道工程特點，在基于現有技術的前提下，廣泛采用的新方法、新工藝、新技術、新材料，優質、安全、高效地完成施工的隧道[2]。（1）采用更機械化的建設來替代人力建設，減少施工人員，降低勞動強度，提高勞動生產率。（2）在持續低溫條件下，采取措施保證工程質量，特別是噴混凝土和混凝土的質量。（3）為降低施工中凍融和凍結現象出現的可能性，有必要建立科學、完善的供熱、防冷保溫設施，以保證人員、機械設備和施工的正常運行。（4）隧道凍結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致凍結的出現，因此，除了良好的防凍措施外，還要在隧道周圍升起一個完美的、良好的防水排水系統，這也是是一個項目實現成功的關鍵。

3 混凝土受凍害損傷的原因

3.1 施工期間

初期支護噴射混凝土在低溫模筑混凝土襯砌施工中，凍結出現的原因是由于新鮮混凝土的低強度、高含水率、孔隙度高，容易發生水分遷移導致水分再分配和冰晶的形成，使本身出現一些冰夾層，在冰晶體成長的過程中，混凝土材料受拉應力影響，超過抗拉強度會造成損害。凍結期是由于受混凝土在內部和外部溫度平衡過程的影響，表面的凍冰程度要高于內部的凍結程度，甚至解凍還沒有使凍傷恢復。

3.2 運營期間

隧道在建成后，襯砌結構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生凍結膨脹壓力，本質上是一種變形而形成壓力，受壓力的影響，易使混凝土出現裂縫；同時，在低溫條件下混凝土毛細孔中游離水易凍結，反復出現凍融，降低混凝土強度和混凝土耐久性。

4 隧道施工混凝土受凍破壞機理

隧道施工混凝土分為初始支護噴混凝土和現澆混凝土襯砌。混凝土在隧道施工中受到破壞。在施工過程中，在攪拌、運輸和施工過程中，混凝土在凍結和固化過程中被凍結。凍結導致了水的再分配和冰晶體的形成。混凝土初始強度有一定的維護期，冷凍后更容易發生水分遷移，破壞程度很大，混凝土受內部和外部的溫度平衡過程影響，冰凍的表面增加，解凍時凍傷幾乎沒有恢復。在攪拌、運輸和施工過程中，混凝土沒有初始強度，內外凍傷基本相同，混凝土強度在解凍后有一定的恢復，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產生凍結膨脹壓力增加，在低溫條件下混凝土的毛細孔中的自由水會產生冷凍擴張破壞和反復凍融，凝結力的降低造成混凝土強度的降低，導致產生破壞。

5 混凝土抗凍施工技術措施

5.1 凍結范圍的現場測定

通過WD-A型熱敏電阻溫度計和WSS金屬溫度計測量了襯砌后面的5m巖層的溫度，以確定隧道軸線上的環境溫度。通過測量的溫度，可以確定30～50厘米后的襯里表面的凍結范圍。如果在最大凍土深度回歸上分析計算，其凍結表面在90～110厘米的內襯范圍，在約800米長的入口和出口處的凍結。試驗結果表明，襯里的表面溫度與環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，堅固性系數越大，混凝土抗凍能力越強。砂和礫石的含泥量對混凝土防凍是非常不利的，應嚴格限制。混凝土水膠比越小，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、進入方式和養護溫度也對防止凍傷、確保強度、降低凍融損失至關重要。在地下水進入混凝土后，襯里背面的防水板可以防止結冰和破壞混凝土。

5.3 混凝土抗防凍施工控制方案

結合凍結范圍的現場測定結果，在施工中設定了防凍的基本要求：施工過程中未發生混凝土凍傷。經過200次凍融循環后，混凝土強度損失小于15%，質量損失小于5%。采取保溫措施，防止襯砌混凝土在操作過程中產生凍傷。混凝土配合比根據防凍混凝土設計程序應滿足：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；強度達到設計值的4.5%，但不超過7.0%；摻合物滿足防凍條件。根據現場實際物料供應情況，對混凝土和防凍混凝土的設計進行規范及滿足其對材料的要求。施工中采用了一系列防冷保溫措施。拌合站封閉保溫，采用熱風機預熱集料，安裝蒸汽鍋爐，密封混凝土運輸容器和包裝熱墊，防止熟料在運輸過程中損失，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，避免水結晶凍傷混凝土的。噴射混凝土采用11kW復合電熱水箱和提前2h預熱水[3]。

5.4 抗防凍混凝土施工關鍵措施

隧道施工的關鍵環節是控制。合理選擇混合料的種類和數量，這對工程質量、工程進度和節約工程投資都有很大的影響，因此應謹慎選擇。襯砌混凝土在冬季，有必要選擇減水率高、早強效果好的復合防凍劑，根據溫度的不同確定在不同時間的劑量，而不應該大于所需的指令值和實驗值。嚴禁將混凝土預先混合。提高機器的溫度、運輸容器敷設保溫材料、澆注防風，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，在解凍后混凝土強度將無法恢復。主要防凍措施有：改善環境溫度、敷設石棉加熱氈、延長模具加熱時間等。

6 結語

高寒混凝土抗凍融技術對高寒地區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驗，以提高結構耐久性，減少運營維護投入，確保工程使用后期的正常安全運行。

參考文獻

[1]曹紅彬.高寒地區隧道施工混凝土抗凍融技術研究[J].華北水利水電大學學報：自然科學版，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探討[J].鐵道建筑技術，2012，（7）：86-89.

[3]呂乃謙.高性能混凝土結構[M].北京：中國電力出版社，2004.