高原高寒地區隧道施工抗凍施工措施

李志軍

（山西省交通建設工程監理總公司，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隧道，位于青海省與甘肅省交界處，隧道右線起訖樁號為K13+288—K18+763.79，全長5 475.79 m，右線進口平面線形為直線，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；左線起訖樁號為K13+310—K18+771，全長 5 461 m，左線進口平面線形為直線，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。

該隧道區屬構造剝蝕高山地貌區，地形起伏大，隧道范圍內中線高程2 955～3 605 m，最大高差約610 m。山體自然坡度15°～35°，植被較發育，進、出口均處于山前斜坡地帶，山坡處于基本穩定狀態。該地區具有高原氣候的特點，形成春季干旱，秋季多雨的氣候，季節性凍土標準凍結深度1.6 m。

2 研究方向

據不完全統計，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比較高的地區，尤其是大力加山隧道這種處于高海拔、高寒、漫長冬季、工期緊、連續施工等，可借鑒的經驗就更少，在施工中，噴射混凝土早期強度偏低，二襯混凝土施工前容易凍結，普遍出現襯砌凍脹開裂、剝落、掛冰、積水及結冰等病害，同時隧道處于干濕交替狀態，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，對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

初期支護噴射混凝土和現澆襯砌混凝土在低溫下施工時，出現凍結的原因是由于新拌混凝土的強度低、含水大，孔隙率高，容易產生水分的遷移導致水分重新分布和冰晶的形成，使體內出現若干的冰夾層，在冰晶不斷生長的過程中，混凝土材料會受到拉應力，超過材料的抗拉強度即產生破壞[1]。在養護期間內發生凍結是由于混凝土受到內外溫度平衡過程的影響，表面的凍結程度大大高于內部的凍結程度，即使解凍仍然對凍傷沒有恢復性。

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塌落，隧道襯砌背后的地下水在低溫條件下凍結膨脹產生應力，實質上是形成了一種變形壓力，在這種壓力作用下，容易使混凝土產生裂縫；同時混凝土毛細孔中的游離水在低溫條件下凍結以及反復凍融，而降低混凝土的強度，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域整個冬期可分為3個階段，當年的10月15日—11月20日，大約35 d可稱為初冬期，當年的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，采取可靠的技術措施，使混凝土澆筑后盡早凝結硬化，不發生混凝土凍傷。

5 影響混凝土抗凍性能的因素

通過對大力加山隧道所處區域的環境溫度分析，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、堅固系數越大，混凝土的抗凍融能力越強，同時骨料的風化程度、含泥量等對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，混凝土的結冰速度越快，混凝土強度越低，抵抗凍融的能力越差。

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

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計采用高效減水劑，降低水灰比，使之充分發生水化，作出理論上不包含可凍水的飽和混凝土構件。

b）在混凝土配合比設計中，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措施

a）原材料的保溫儲存，大力加山隧道進出口拌合站采取燃煤鍋爐進行拌合以及砂石料的保溫和升溫需求，生產用砂、碎石采用封閉式料棚儲存，料棚采用鋼結構屋架，采用彩鋼房板封閉，留設活動門，活動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，同時要防止冰雪塊、凍塊混入攪拌機內，給混凝土溫度帶來損失，嚴重影響混凝土的質量；水泥、外加劑等在使用前進入暖棚進行預熱，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行加熱，預熱溫度由混凝土的出機溫度和入模溫度計算確定；水加熱是混凝土冬期施工的關鍵工序，拌合用水采用蒸汽鍋爐預熱，加熱溫度要根據混凝土拌合物混合溫度來計算并控制，一般控制在60℃～80℃之間；大力加山隧道進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的拌盤或鼓桶的方式進行預熱，同時由于水泥不宜與高溫水直接接觸，混凝土拌合的加料順序為集料、水，稍加攪拌后再加入水泥[2]，且攪拌時間比常溫時延長50%。

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

d）混凝土的澆筑，在進行噴射混凝土和襯砌混凝土施工時，提高出機溫度，洞內保溫采用火爐加熱，每50 m設置一個火爐，隧道洞口設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）增加密實度，隧道二次襯砌冬期施工過程中，特別要加強振搗，從而增加混凝土的密實度，減少毛細孔，減少毛細孔積水，防止結冰膨脹破壞混凝土的堅固性和耐久性[3]。

f）混凝土的溫度監控，在大力加山隧道冬期施工混凝土期間，建立溫度檢測制度，對施工環境溫度、原材料溫度、混凝土拌合物溫度、混凝土入模溫度、混凝土養護溫度等進行監測，并做好完整的監測記錄，環境溫度的測量按照每晝夜8點、14點、20點、24點共4次進行，拌合材料和防凍劑溫度的測量按照每工作班不少于3次進行，對混凝土拌合物出機溫度的測量按照至少每2 h測量一次進行，對灌筑前和振搗完畢的溫度測量按照至少每2 h測量一次進行，對養護期間混凝土溫度的測量，在終凝前，前3 d每2 h測一次，以后每晝夜進行2次測溫，能夠及時預知混凝土的施工外界溫度，針對溫度的變化，及時調整施工時間和防寒保溫措施。

g）空壓機冬期施工保溫措施，隧道冬期施工過程中，施工機械的保溫特別是空壓機的保溫工作都很重要，為確保空壓機在冬期正常工作，搭建空壓機保溫棚，防止不工作時循環水結冰，確保空壓機冬期正常運轉。

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

i）加強養護期間的防凍，隧道混凝土冬期施工中養護期間的防凍是非常關鍵的，盡可能提高養護期間的環境溫度，模板外鋪設電熱毯，延長模板養護時間，混凝土未達到抗凍臨界強度前不得拆模。

7 結語

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