高寒地区隧道施工混凝土抗冻融技术研究

贺伟

摘 要：在高寒区隧道工程中进行早期的支护喷混凝土和衬砌混凝土衬砌，在低温中混合、运输、施工和维护期间将会受冻，施工过程中，在干燥和潮湿环境的影响下的衬砌混凝土，易于冻结且受融化破坏。本文研究了混凝土冻融抵抗技术在高寒地区隧道的施工，包括选择混合类型和掺量；水灰比的严格控制；原材料的保温；增加密度；加强防冻剂的施工工艺和预期维护；衬砌防排水等。这些混凝土防冻技术对未来的类似工程具有重要的借鉴意义。

关键词：高寒地区；隧道施工；混凝土抗冻融技术；研究

中图分类号：U455.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）05-0140-01

1 前言

在中国西部高原地区和北方地区，寒冷的冬季持续时间很长，个别地区的冰冻期最长可达6～7个月。随着振兴东北及西部大开发政策的进一步实施，经济社会发展和一带一路建设的需要，在严寒地区，大型混凝土工程的要求紧迫，对隧道的建设将进一步完善实践与理论的提升，从而探索高寒地区隧道混凝土施工的新技术、新方法，并使其满足强度和混凝土耐冻性指标的要求，从而提高结构耐久性、减少运营维护成本、提高结构可靠度具有重要的现实意义。现在，我国已经对寒冷地区的温度控制和施工技术进行了大量的研究，并取得了以下三个方面的成果[1]：

（1）低温下冻融破坏的机理；（2）混凝土在混合运输施工中的加热保温技术；（3）各种掺合料对混凝土力学性能和工程特性的影响。

虽然这些结果的应用极大地促进了我国高寒地区混凝土施工技术的发展，但仍有可能在隧道施工中避免在冬季施工。其原因主要是过去研究的绝大多数集中在施工阶段和养护温度变化对混凝土质量和力学性能的影响，涉及到施工过程中振动模式的强度和抗冻性的相关研究。寒冷地区隧道混凝土振动技术的难点在于：传统的隧道衬砌混凝土施工过程中以插件为主振动杆振动的方法，由于插件振动领域的范围是不容易控制，易于振动或出现振动现象，蜂窝麻面等现象比较普遍，混凝土强度和抗冻性很难保证。并结合混凝土施工保温措施，制定了一套有效的冷区隧道二次内衬的高频振动施工方案，寒冷地区隧道施工在冬季低温环境条件下提供了一种新的衬砌混凝土方法。

2 主要施工原则

了解高海拔、严寒和缺氧地区的地质和气候特点，结合隧道工程特点，在基于现有技术的前提下，广泛采用的新方法、新工艺、新技术、新材料，优质、安全、高效地完成施工的隧道[2]。（1）采用更机械化的建设来替代人力建设，减少施工人员，降低劳动强度，提高劳动生产率。（2）在持续低温条件下，采取措施保证工程质量，特别是喷混凝土和混凝土的质量。（3）为降低施工中冻融和冻结现象出现的可能性，有必要建立科学、完善的供热、防冷保温设施，以保证人员、机械设备和施工的正常运行。（4）隧道冻结是施工中需要解决的核心问题。低温，冷热温度交替和水的存在导致冻结的出现，因此，除了良好的防冻措施外，还要在隧道周围升起一个完美的、良好的防水排水系统，这也是是一个项目实现成功的关键。

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在低温模筑混凝土衬砌施工中，冻结出现的原因是由于新鲜混凝土的低强度、高含水率、孔隙度高，容易发生水分迁移导致水分再分配和冰晶的形成，使本身出现一些冰夹层，在冰晶体成长的过程中，混凝土材料受拉应力影响，超过抗拉强度会造成损害。冻结期是由于受混凝土在内部和外部温度平衡过程的影响，表面的冻冰程度要高于内部的冻结程度，甚至解冻还没有使冻伤恢复。

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的洞穴坍塌，在低温条件下隧道衬砌背后的地下水易产生冻结膨胀压力，本质上是一种变形而形成压力，受压力的影响，易使混凝土出现裂缝；同时，在低温条件下混凝土毛细孔中游離水易冻结，反复出现冻融，降低混凝土强度和混凝土耐久性。

4 隧道施工混凝土受冻破坏机理

隧道施工混凝土分为初始支护喷混凝土和现浇混凝土衬砌。混凝土在隧道施工中受到破坏。在施工过程中，在搅拌、运输和施工过程中，混凝土在冻结和固化过程中被冻结。冻结导致了水的再分配和冰晶体的形成。混凝土初始强度有一定的维护期，冷冻后更容易发生水分迁移，破坏程度很大，混凝土受内部和外部的温度平衡过程影响，冰冻的表面增加，解冻时冻伤几乎没有恢复。在搅拌、运输和施工过程中，混凝土没有初始强度，内外冻伤基本相同，混凝土强度在解冻后有一定的恢复，但仍有很大损失。主要在低温条件下混凝土衬砌背后的地下水会产生冻结膨胀压力增加，在低温条件下混凝土的毛细孔中的自由水会产生冷冻扩张破坏和反复冻融，凝结力的降低造成混凝土强度的降低，导致产生破坏。

5 混凝土抗冻施工技术措施

5.1 冻结范围的现场测定

通过WD-A型热敏电阻温度计和WSS金属温度计测量了衬砌后面的5m岩层的温度，以确定隧道轴线上的环境温度。通过测量的温度，可以确定30～50厘米后的衬里表面的冻结范围。如果在最大冻土深度回归上分析计算，其冻结表面在90～110厘米的内衬范围，在约800米长的入口和出口处的冻结。试验结果表明，衬里的表面温度与环境的表面温度基本相同。洞越近，温度越低；在1米的衬里表面温度为0℃左右，随着深度的增加，温度进一步上升。

5.2 影响混凝土抗防冻性能的因素

影响混凝土抗冻性能的主要因素包括砂石的破碎值、泥浆含量和混凝土水胶比和密度。砂、砾石破碎值越小，坚固性系数越大，混凝土抗冻能力越强。砂和砾石的含泥量对混凝土防冻是非常不利的，应严格限制。混凝土水胶比越小，游离水越少，空隙越小，可以有效防止混凝土冻死。混凝土越密集，防水越好，毛细管越少，防止混凝土冻胀的效果越好。此外，原料和混凝土的温度、进入方式和养护温度也对防止冻伤、确保强度、降低冻融损失至关重要。在地下水进入混凝土后，衬里背面的防水板可以防止结冰和破坏混凝土。

5.3 混凝土抗防凍施工控制方案

结合冻结范围的现场测定结果，在施工中设定了防冻的基本要求：施工过程中未发生混凝土冻伤。经过200次冻融循环后，混凝土强度损失小于15%，质量损失小于5%。采取保温措施，防止衬砌混凝土在操作过程中产生冻伤。混凝土配合比根据防冻混凝土设计程序应满足：水泥用量<450kg/m；（喷射混凝土不受限制）；水胶比不大于0.50，最大不超过0.55；泵送混凝土坍落度在14～16cm；强度达到设计值的4.5%，但不超过7.0%；掺合物满足防冻条件。根据现场实际物料供应情况，对混凝土和防冻混凝土的设计进行规范及满足其对材料的要求。施工中采用了一系列防冷保温措施。拌合站封闭保温，采用热风机预热集料，安装蒸汽锅炉，密封混凝土运输容器和包装热垫，防止熟料在运输过程中损失，提升模具温度。模板表面采用石棉毡制，保证混凝土的硬化温度，避免水结晶冻伤混凝土的。喷射混凝土采用11kW复合电热水箱和提前2h预热水[3]。

5.4 抗防冻混凝土施工关键措施

隧道施工的关键环节是控制。合理选择混合料的种类和数量，这对工程质量、工程进度和节约工程投资都有很大的影响，因此应谨慎选择。衬砌混凝土在冬季，有必要选择减水率高、早强效果好的复合防冻剂，根据温度的不同确定在不同时间的剂量，而不应该大于所需的指令值和实验值。严禁将混凝土预先混合。提高机器的温度、运输容器敷设保温材料、浇注防风，为了防止热量损失，确保模具温度不低于+5℃。如果混凝土被冻结，在解冻后混凝土强度将无法恢复。主要防冻措施有：改善环境温度、敷设石棉加热毡、延长模具加热时间等。

6 结语

高寒混凝土抗冻融技术对高寒地区的未来类似工程具有很好的借鉴意义，积累了大量宝贵的资料和经验，以提高结构耐久性，减少运营维护投入，确保工程使用后期的正常安全运行。

参考文献

[1]曹红彬.高寒地区隧道施工混凝土抗冻融技术研究[J].华北水利水电大学学报：自然科学版，2008，（3）：513-516.

[2]高永亮.高原高寒高速铁路特长隧道防冻胀害施工技术探讨[J].铁道建筑技术，2012，（7）：86-89.

[3]吕乃谦.高性能混凝土结构[M].北京：中国电力出版社，2004.