高原高寒地区隧道施工抗冻施工措施

李志军

（山西省交通建设工程监理总公司，山西 太原030012）

1 工程概括

大力加山隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路特长隧道，位于青海省与甘肃省交界处，隧道右线起讫桩号为K13+288—K18+763.79，全长5 475.79 m，右线进口平面线形为直线，接圆曲线，R=6 000 m，接直线，再接缓和曲线，Ls-180 m，最后以圆曲线出洞，R=1 400 m；左线起讫桩号为K13+310—K18+771，全长 5 461 m，左线进口平面线形为直线，接圆曲线，R=6 000 m，接直线，再接缓和曲线，Ls-190 m，最后以圆曲线出洞，R=1 530 m；纵坡为人字坡。

该隧道区属构造剥蚀高山地貌区，地形起伏大，隧道范围内中线高程2 955～3 605 m，最大高差约610 m。山体自然坡度15°～35°，植被较发育，进、出口均处于山前斜坡地带，山坡处于基本稳定状态。该地区具有高原气候的特点，形成春季干旱，秋季多雨的气候，季节性冻土标准冻结深度1.6 m。

2 研究方向

据不完全统计，我国冻土主要分布在海拔较高的青藏高原、东北大小兴安岭和西部地势比较高的地区，尤其是大力加山隧道这种处于高海拔、高寒、漫长冬季、工期紧、连续施工等，可借鉴的经验就更少，在施工中，喷射混凝土早期强度偏低，二衬混凝土施工前容易冻结，普遍出现衬砌冻胀开裂、剥落、挂冰、积水及结冰等病害，同时隧道处于干湿交替状态，极易引起混凝土的冻融破坏，因此，解决好高原高寒隧道混凝土的抗冻工艺和技术，对隧道施工有很大的推广意义。

3 混凝土受冻害损伤的原因

3.1 施工期间

初期支护喷射混凝土和现浇衬砌混凝土在低温下施工时，出现冻结的原因是由于新拌混凝土的强度低、含水大，孔隙率高，容易产生水分的迁移导致水分重新分布和冰晶的形成，使体内出现若干的冰夹层，在冰晶不断生长的过程中，混凝土材料会受到拉应力，超过材料的抗拉强度即产生破坏[1]。在养护期间内发生冻结是由于混凝土受到内外温度平衡过程的影响，表面的冻结程度大大高于内部的冻结程度，即使解冻仍然对冻伤没有恢复性。

3.2 运营期间

隧道在建成后，衬砌结构主要承受地层压力和防止围岩变形塌落，隧道衬砌背后的地下水在低温条件下冻结膨胀产生应力，实质上是形成了一种变形压力，在这种压力作用下，容易使混凝土产生裂缝；同时混凝土毛细孔中的游离水在低温条件下冻结以及反复冻融，而降低混凝土的强度，使混凝土的耐久性降低。

4 抗冻基本要求

大力加山隧道所处区域整个冬期可分为3个阶段，当年的10月15日—11月20日，大约35 d可称为初冬期，当年的11月20日—次年的2月10日大约80 d，可称为深冬期，次年的2月10日—4月15日大约63 d，可称为冬末阶段，在整个冬期施工中混凝土抗冻的基本要求是在低温条件下施工，采取可靠的技术措施，使混凝土浇筑后尽早凝结硬化，不发生混凝土冻伤。

5 影响混凝土抗冻性能的因素

通过对大力加山隧道所处区域的环境温度分析，以及日常冬期施工过程中的施工情况分析，得出影响隧道喷射混凝土、衬砌混凝土抗冻性的主要因素包括骨料、水灰比、密实性、水泥品种和用量等。

a）骨料吸水率和骨料尺寸是影响骨料抗冻性的主要因素，骨料尺寸越大，受冻后越容易破坏，骨料的压碎值越小、坚固系数越大，混凝土的抗冻融能力越强，同时骨料的风化程度、含泥量等对混凝土抗冻性都有一定的影响。

b）混凝土的水灰比越大，混凝土中游离水越多，可冻水的含量就越多，混凝土的结冰速度越快，混凝土强度越低，抵抗冻融的能力越差。

c）混凝土越密实，防水性能越好，毛细孔少，能够有效阻止水侵蚀混凝土结冰膨胀损伤混凝土。

d）水泥中随着混合材料掺入量的增加，混凝土的抗冻性就降低，抗冻混凝土用硅酸盐水泥配制要优于其他品种的水泥。

6 抗冻施工措施

6.1 材料抗冻施工措施

a）喷射混凝土和衬砌混凝土配合比设计采用高效减水剂，降低水灰比，使之充分发生水化，作出理论上不包含可冻水的饱和混凝土构件。

b）在混凝土配合比设计中，通过多方面的比选，选用吸水率比较小的岩石，岩石吸收的可冻水很少，骨料不受冰冻的伤害。

6.2 混凝土冬季施工技术措施

a）原材料的保温储存，大力加山隧道进出口拌合站采取燃煤锅炉进行拌合以及砂石料的保温和升温需求，生产用砂、碎石采用封闭式料棚储存，料棚采用钢结构屋架，采用彩钢房板封闭，留设活动门，活动门采用棉被封闭防寒。砂仓采用篷布覆盖，保证砂石材料不受冻，保持温度在0℃以上，同时要防止冰雪块、冻块混入搅拌机内，给混凝土温度带来损失，严重影响混凝土的质量；水泥、外加剂等在使用前进入暖棚进行预热，不得直接加热。

b）混凝土拌合料的加温，在保持砂石料正温的情况下，混凝土的拌合料也要加温，大力加山隧道进出口拌合站的上料仓、料仓的传输皮带均采用建立暖棚的形式进行加热，预热温度由混凝土的出机温度和入模温度计算确定；水加热是混凝土冬期施工的关键工序，拌合用水采用蒸汽锅炉预热，加热温度要根据混凝土拌合物混合温度来计算并控制，一般控制在60℃～80℃之间；大力加山隧道进出口拌合站冬期施工拌合控制通过在拌制混凝土前及停止拌制后，采用热水冲洗搅拌机的拌盘或鼓桶的方式进行预热，同时由于水泥不宜与高温水直接接触，混凝土拌合的加料顺序为集料、水，稍加搅拌后再加入水泥[2]，且搅拌时间比常温时延长50%。

c）混凝土的运输，混凝土运输车在使用前用热水清洗加温，罐外用棉毡包裹保温，保证运输过程的顺畅，防止在运输过程中混凝土的温度降低。

d）混凝土的浇筑，在进行喷射混凝土和衬砌混凝土施工时，提高出机温度，洞内保温采用火炉加热，每50 m设置一个火炉，隧道洞口设置棉毡门帘封闭洞口，混凝土拌合物要尽快入模，防止热量散失，尽量减少因施工操作引起的混凝土拌合物温度损失。

e）增加密实度，隧道二次衬砌冬期施工过程中，特别要加强振捣，从而增加混凝土的密实度，减少毛细孔，减少毛细孔积水，防止结冰膨胀破坏混凝土的坚固性和耐久性[3]。

f）混凝土的温度监控，在大力加山隧道冬期施工混凝土期间，建立温度检测制度，对施工环境温度、原材料温度、混凝土拌合物温度、混凝土入模温度、混凝土养护温度等进行监测，并做好完整的监测记录，环境温度的测量按照每昼夜8点、14点、20点、24点共4次进行，拌合材料和防冻剂温度的测量按照每工作班不少于3次进行，对混凝土拌合物出机温度的测量按照至少每2 h测量一次进行，对灌筑前和振捣完毕的温度测量按照至少每2 h测量一次进行，对养护期间混凝土温度的测量，在终凝前，前3 d每2 h测一次，以后每昼夜进行2次测温，能够及时预知混凝土的施工外界温度，针对温度的变化，及时调整施工时间和防寒保温措施。

g）空压机冬期施工保温措施，隧道冬期施工过程中，施工机械的保温特别是空压机的保温工作都很重要，为确保空压机在冬期正常工作，搭建空压机保温棚，防止不工作时循环水结冰，确保空压机冬期正常运转。

h）做好衬砌防水工作，衬砌背后的防水工程施工要严格按照规范要求执行，以防水板施工的质量来防止地下水渗入衬砌混凝土，防止因地下水结冰膨胀破坏混凝土。

i）加强养护期间的防冻，隧道混凝土冬期施工中养护期间的防冻是非常关键的，尽可能提高养护期间的环境温度，模板外铺设电热毯，延长模板养护时间，混凝土未达到抗冻临界强度前不得拆模。

7 结语

本文对高寒高海拔地区的隧道混凝土受冻害损伤的原因作了说明，任何结构的破坏均与材料的性能密切相关，也与在施工过程中所采取的防寒保温措施有密切关系，所以，在实际施工中，要不断探索新的思路、新的方法。