王 楊,呂 剛,劉建友
(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)
高速鐵路隧道經(jīng)常受氣候、地質(zhì)及地形等自然條件影響,施工條件艱苦,施工質(zhì)量難以得到保證。特別是隧道襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)措施不到位,會(huì)使隧道襯砌開裂,嚴(yán)重影響襯砌質(zhì)量和使用壽命。
混凝土澆筑后,如不及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù),混凝土中水分會(huì)蒸發(fā)過快,形成脫水現(xiàn)象,使已形成凝膠體的水泥顆粒不能充分水化,無法轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的結(jié)晶,缺乏足夠的粘結(jié)力,從而會(huì)在混凝土表面出現(xiàn)片狀或粉狀脫落。
隧道襯砌內(nèi)部與表面溫度差、襯砌表面與隧道內(nèi)環(huán)境溫度差過大時(shí),會(huì)因產(chǎn)生溫度應(yīng)力造成襯砌混凝土開裂。
混凝土尚未具備足夠的強(qiáng)度時(shí),水分過早的蒸發(fā)會(huì)產(chǎn)生較大的收縮變形,出現(xiàn)干縮裂紋。添加硅灰的高性能混凝土,如果養(yǎng)護(hù)不及時(shí),保濕措施不到位,會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)粉化現(xiàn)象,嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
混凝土養(yǎng)護(hù)的目的是為混凝土提供適宜的硬化條件。隧道襯砌混凝土澆筑完成后,如不及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù),會(huì)因膠凝材料水化不充分、襯砌內(nèi)外溫度差和混凝土干縮等原因產(chǎn)生裂縫。
國(guó)內(nèi)外工程界對(duì)山嶺寒區(qū)隧道混凝土養(yǎng)護(hù)機(jī)理、方法及設(shè)備進(jìn)行了大量研究工作。章金釗等[1]研究了青藏公路路基、路面、橋涵病害,提出采用纖維類復(fù)合材料,提高凍土地區(qū)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。房曉軍等[2]研究了高原多年凍土區(qū)昆侖山隧道襯砌混凝土施工技術(shù),提出了模筑襯砌混凝土1 d強(qiáng)度達(dá)到9 MPa方可拆模的混凝土養(yǎng)護(hù)技術(shù)指標(biāo)。董謙等[3]研究了青藏鐵路多年凍土工程的幾個(gè)關(guān)鍵施工技術(shù)問題,特別是隧道進(jìn)出口施工需要注意的問題。孔寶貴[4]介紹了青藏鐵路高原多年凍土區(qū)涵洞施工工藝,提出了高原地區(qū)涵洞施工時(shí)混凝土養(yǎng)護(hù)困難,施工時(shí)應(yīng)盡量采用預(yù)制工藝。
劉緒彬[5]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外高海拔高寒隧道施工的現(xiàn)狀與發(fā)展,認(rèn)為預(yù)防和去除路面與冰的聯(lián)結(jié),改進(jìn)積雪控制方法是高海拔高寒地區(qū)隧道養(yǎng)護(hù)的首要問題。汪雙杰等[6]通過對(duì)青藏公路、青康公路等高海拔凍土區(qū)公路修建技術(shù)的研究,揭示了公路路基、路面、橋涵樁基與多年凍土相互作用規(guī)律。孟祥連[7]在總結(jié)青藏鐵路凍土工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了多年凍土隧道設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“保護(hù)凍土”的原則,設(shè)計(jì)和施工措施應(yīng)有利于凍土圍巖的熱穩(wěn)定,盡量減少對(duì)多年凍土的擾動(dòng)和破壞。
Willie Kay[8]提出采用高性能混凝土提高隧道結(jié)構(gòu)耐久性的措施。仇文革等[9]研究了混凝土養(yǎng)護(hù)對(duì)隧道耐久性的影響。Sangpil Lee等[10]通過凍融循環(huán)試驗(yàn),得出了高性能噴射混凝土比傳統(tǒng)噴射混凝土耐久性更好的結(jié)論。
徐國(guó)生[11]介紹了使用移動(dòng)臺(tái)架進(jìn)行鐵路客運(yùn)專線隧道二次襯砌養(yǎng)護(hù)的經(jīng)驗(yàn)。王軍慶[12]結(jié)合昌贛鐵路客運(yùn)專線工程,介紹了隧道二襯自制養(yǎng)護(hù)臺(tái)架的設(shè)計(jì)和使用。
導(dǎo)致混凝土裂縫產(chǎn)生的因素主要包括干燥收縮、溫度變化、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、堿骨料反應(yīng)、鋼筋銹脹以及受力等,其中與混凝土養(yǎng)護(hù)直接相關(guān)的是干燥收縮、溫降收縮和養(yǎng)護(hù)時(shí)間。
混凝土干燥收縮的主要原因是水泥石的脫水。水泥石在混凝土內(nèi)部的收縮受制于其中的孔隙含量和孔徑分布,在混凝土表面的收縮主要受制于環(huán)境濕度。
襯砌混凝土澆筑完成時(shí),混凝土內(nèi)部孔隙濕度可達(dá)100%,越靠近隧道襯砌內(nèi)表面的混凝土,其脫水速度越快,因此產(chǎn)生表層干縮在內(nèi)部約束下引發(fā)的表面性裂縫。
由于影響混凝土干縮的因素較多,且難以精確定量分析,因此世界各國(guó)大都采用經(jīng)驗(yàn)公式來描述混凝土干縮應(yīng)變[13]。
歐洲混凝土委員會(huì)CEB (Comité Européen du Beton)和國(guó)際預(yù)應(yīng)力混凝土聯(lián)合會(huì)FIP (Federation international de la Precontrainte)提出的混凝土在材齡為t天的干縮應(yīng)變?chǔ)舠,t的經(jīng)驗(yàn)公式為
εs,t=εs,oβs(t-t′)
(1)
式中t′——混凝土保濕養(yǎng)護(hù)結(jié)束時(shí)的材齡,d;
β(t-t′)——混凝土干縮發(fā)展系數(shù);
(2)
其中h0——構(gòu)件的名義尺寸,mm;
εs,o——混凝土名義收縮。
εs,o=εs(fcm)βRH
(3)
式中εs(fcm)——混凝土強(qiáng)度對(duì)干縮的影響系數(shù);
εs(fcm)=10-6[160+10βsc(9-fcm/10)]
(4)
式中fcm——混凝土圓柱體(φ15×30 cm)抗壓強(qiáng)度,MPa;
βsc——水泥品種系數(shù),緩硬水泥取4,普通水泥或快硬水泥取5,快硬高強(qiáng)水泥取8。
βRH——環(huán)境相對(duì)濕度RH(%)對(duì)干縮影響系數(shù)。
(5)
美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)ACI (American Concrete Institute)提出的混凝土在材齡為t的干縮應(yīng)變?chǔ)舠,t的經(jīng)驗(yàn)公式為
(6)
式中εs,u——混凝土拆模后持續(xù)至∞(d)的極限收縮應(yīng)變。
εs,u=780×10-6Ks
(7)
式中Ks——各影響系數(shù)的乘積。
Ks=βMβHβdβSβFβCβA
(8)
式中βM——濕養(yǎng)天數(shù)的影響系數(shù);
βH——環(huán)境相對(duì)濕度的影響系數(shù);
βd——構(gòu)件尺寸的影響系數(shù);
βS——混凝土坍落度的影響系數(shù);
βF——混凝土細(xì)骨料率的影響系數(shù);
βC——水泥含量的影響系數(shù);
βA——新拌混凝土含氣率的影響系數(shù)。
由式(1)~式(8)可以看出,大多控制隧道襯砌干縮裂縫產(chǎn)生的因素,在設(shè)計(jì)和混凝土澆筑施工階段就已經(jīng)確定。養(yǎng)護(hù)期能夠控制干縮裂縫產(chǎn)生的因素主要是濕養(yǎng)天數(shù)和環(huán)境相對(duì)濕度。
溫度升降會(huì)使混凝土產(chǎn)生脹縮變形。溫度變化引起的脹縮應(yīng)變
εt=αtΔT
(9)
式中αt——混凝土熱脹系數(shù);
ΔT——溫度變化量。
隧道襯砌表面散熱較快,與內(nèi)部存在溫差,混凝土?xí)驕囟葢?yīng)力產(chǎn)生裂縫。
從式(9)可以看出,引起襯砌溫度裂縫的因素為混凝土熱脹系數(shù)和襯砌內(nèi)部與表面溫度差。養(yǎng)護(hù)期可通過調(diào)控襯砌內(nèi)部與表面溫度差、襯砌表面與隧道內(nèi)環(huán)境溫度差,避免溫度裂縫的產(chǎn)生。
通過對(duì)養(yǎng)護(hù)期混凝土裂縫形成機(jī)理的分析,可以得出結(jié)論:隧道襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)期可以控制裂縫產(chǎn)生的要素有3個(gè):濕養(yǎng)天數(shù)、環(huán)境相對(duì)濕度、襯砌內(nèi)部與表面溫度差和襯砌表面與隧道內(nèi)環(huán)境溫度差。
保證濕養(yǎng)天數(shù),保持適合的襯砌表面濕度,盡可能降低混凝土養(yǎng)護(hù)期襯砌內(nèi)部與表面溫度差、襯砌表面與隧道內(nèi)環(huán)境溫度差,即可避免養(yǎng)護(hù)期裂縫的產(chǎn)生。
通過對(duì)隧道襯砌養(yǎng)護(hù)期混凝土裂縫形成機(jī)理及控制要素的分析可以看出,隧道襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)期可以控制裂縫產(chǎn)生的要素包括濕養(yǎng)天數(shù)、環(huán)境相對(duì)濕度、襯砌內(nèi)部與表面溫度差和襯砌表面與隧道內(nèi)環(huán)境溫度差。
根據(jù)這個(gè)結(jié)論和現(xiàn)澆混凝土隧道襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)條件,并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)高速鐵路現(xiàn)澆混凝土隧道襯砌的養(yǎng)護(hù)提出如下要求。
(1)混凝土振搗完畢,即開始采取適當(dāng)?shù)谋亍⒈翊胧瑢?duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。
(2)當(dāng)混凝土采用帶模養(yǎng)護(hù)方式養(yǎng)護(hù)時(shí),應(yīng)保證模板接縫處混凝土不失水干燥。
(3)當(dāng)混凝土強(qiáng)度滿足拆模要求,且芯部混凝土與表層混凝土之間的溫差、表層混凝土與環(huán)境之間的溫差均不大于15 ℃時(shí),方可拆模。
(4)拆模后,及時(shí)采取噴霧灑水或貼養(yǎng)護(hù)膜、調(diào)節(jié)噴灑水溫以及送熱風(fēng)或氣囊保溫等措施,對(duì)混凝土進(jìn)行保溫、保濕養(yǎng)護(hù)14 d以上,直至下道施工工序?yàn)橹埂?/p>
(5)新澆筑的混凝土與流動(dòng)的地表水直接接觸前,應(yīng)采取臨時(shí)保護(hù)措施,對(duì)混凝土進(jìn)行保溫、保濕養(yǎng)護(hù),保證混凝土獲得75%以上的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為止。
隧道混凝土襯砌可采用智能式養(yǎng)護(hù)設(shè)備或粘貼養(yǎng)護(hù)膜等方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù),必要時(shí)可采用充氣式帆布?xì)饽颐苜N的方式進(jìn)行保溫。
2016年開工建設(shè)的京張高鐵八達(dá)嶺隧道,采用添加粉煤灰和石粉的現(xiàn)澆高性能混凝土二次襯砌。襯砌養(yǎng)護(hù)使用了養(yǎng)護(hù)臺(tái)車結(jié)合自粘式節(jié)水養(yǎng)護(hù)膜進(jìn)行養(yǎng)護(hù),同時(shí)采用充氣式帆布?xì)饽覍?duì)養(yǎng)護(hù)中的隧道襯砌進(jìn)行保溫,取得了良好效果。
智能式養(yǎng)護(hù)設(shè)備是一個(gè)可以自動(dòng)或人工操控行走的,集成噴水、探測(cè)、調(diào)節(jié)、通信等各種功能的綜合性平臺(tái),包括養(yǎng)護(hù)臺(tái)架、行走系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)和智能監(jiān)控系統(tǒng)。
養(yǎng)護(hù)臺(tái)架(圖1)下部安裝行走系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng),養(yǎng)護(hù)臺(tái)架上部設(shè)置噴水系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)設(shè)備。
噴水系統(tǒng)由增壓泵、自動(dòng)控制調(diào)節(jié)裝置、噴水懸臂、噴水管和霧化噴嘴組成。
智能監(jiān)控系統(tǒng)可以將隧道內(nèi)壁監(jiān)測(cè)情況發(fā)送至控制中心,執(zhí)行由控制中心直接發(fā)出的行走及噴灑指令,也可以由現(xiàn)場(chǎng)操作人員接受控制中心指令,由人工控制行走及噴灑養(yǎng)護(hù)工作。

圖1 養(yǎng)護(hù)臺(tái)架
智能式養(yǎng)護(hù)設(shè)備配置有供水管和灑水噴頭,供應(yīng)混凝土養(yǎng)護(hù)用水。必要時(shí),養(yǎng)護(hù)臺(tái)架還可以配置若干可伸縮旋轉(zhuǎn)的噴水懸臂,保證在隧道變截面處也可以實(shí)現(xiàn)無死角噴灑養(yǎng)護(hù)。
可調(diào)節(jié)式噴頭對(duì)隧道壁面進(jìn)行柔和噴灑,避免水流對(duì)隧道壁面產(chǎn)生較大沖擊作用。噴灑用水溫度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境調(diào)整,避免水溫與混凝土表面溫差過大,產(chǎn)生初裂現(xiàn)象,確保養(yǎng)護(hù)效果。
隧道混凝土襯砌智能式養(yǎng)護(hù)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)的信息化、智能化,能夠自動(dòng)行走、噴淋,有效減少襯砌混凝土表面裂紋,也可以通過遙控器自動(dòng)控制行走速度及噴頭的噴灑位置,保證養(yǎng)護(hù)效果,提高混凝土襯砌強(qiáng)度和耐久性。
在臺(tái)架上設(shè)置襯砌表面溫濕度探測(cè)裝置,通過探測(cè)結(jié)果自動(dòng)調(diào)節(jié)噴灑位置、水溫和噴灑時(shí)間,提高自動(dòng)化、信息化程度,是這種設(shè)備的發(fā)展方向。
該種設(shè)備可以提高施工效率,具有輕便、操作簡(jiǎn)單靈活、噴霧效果好、適應(yīng)性較強(qiáng)等特點(diǎn),可降低混凝土養(yǎng)護(hù)成本,改善混凝土外觀質(zhì)量,凈化洞內(nèi)空氣,減少通風(fēng)時(shí)間,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊和使用簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)。
針對(duì)現(xiàn)有噴淋養(yǎng)護(hù)方式的缺點(diǎn),如頻率不夠,容易形成干濕交替等,可采用自粘式節(jié)水養(yǎng)護(hù)膜(圖2)進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)。
自粘式節(jié)水養(yǎng)護(hù)膜是以可控高分子吸水材料為核心,以塑料薄膜為載體,通過設(shè)備加工復(fù)合而成的卷材。其中的高分子材料可吸收自重200倍的水分,吸水膨脹后變成透明的凝膠狀,把液態(tài)水固化,每平方米養(yǎng)護(hù)膜可蓄水0.5 kg。
養(yǎng)護(hù)膜所含的水分通過毛細(xì)管的作用向混凝土養(yǎng)護(hù)面滲透,同時(shí)不斷吸收混凝土在水化過程中產(chǎn)生的多余水分,因此可在混凝土養(yǎng)護(hù)期內(nèi)一直保持混凝土表面濕潤(rùn)。
養(yǎng)護(hù)膜的核心材料可降解,屬于環(huán)境友好型產(chǎn)品。即使有部分殘留在混凝土表面,也可自然降解,不會(huì)影響混凝土質(zhì)量。
養(yǎng)護(hù)膜每平方米不足2 kg,可實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水,用水量是常規(guī)養(yǎng)護(hù)的1/(50~100),若覆蓋及時(shí),在養(yǎng)護(hù)期間可以不灑水。
養(yǎng)護(hù)膜每平方米最少可固定0.8 kg水分,膜內(nèi)相對(duì)濕度達(dá)80%以上,可實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)期的持續(xù)保濕。養(yǎng)護(hù)期間膜內(nèi)溫度比外界高4~15 ℃,保溫性能良好。

圖2 用于京張高鐵八達(dá)嶺隧道的自粘式節(jié)水養(yǎng)護(hù)膜
由于養(yǎng)護(hù)膜內(nèi)已儲(chǔ)存充足水分,且附帶少量可降解生物膠,養(yǎng)護(hù)膜覆于襯砌表面時(shí),即便在襯砌拱頂位置,也能克服自重,不發(fā)生掉落現(xiàn)象。采取保濕養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)的混凝土20 d后表面仍然保持潮濕狀態(tài)。
自粘式節(jié)水養(yǎng)護(hù)膜不僅可節(jié)約用水,而且可簡(jiǎn)化養(yǎng)護(hù)工藝、延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間。養(yǎng)護(hù)膜可與智能式養(yǎng)護(hù)設(shè)備配合使用,通過養(yǎng)護(hù)設(shè)備上配置的傳感器自動(dòng)探測(cè)濕度和溫度,隨時(shí)對(duì)溫、濕度進(jìn)行調(diào)節(jié),保證養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。
為防止混凝土芯部溫度與表面溫度、表面溫度與環(huán)境溫度之差過大,可采用充氣式帆布?xì)饽颐苜N的方式進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。
充氣式帆布,又稱氣模布,具有高氣密性、高強(qiáng)度、高耐磨性、抗沖擊、耐高溫及嚴(yán)寒、耐老化、防霉抗菌、防油抗污、耐酸堿、抗紫外線等性能。
充氣式帆布?xì)饽?圖3)輕便耐用,形狀可根據(jù)隧道斷面需要訂制,設(shè)置和拆除方便高效,可重復(fù)使用,維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單,非常適合在隧道施工現(xiàn)場(chǎng)使用。

圖3 用于京張高鐵八達(dá)嶺隧道的充氣式帆布?xì)饽?/p>
通過預(yù)先埋設(shè)的傳感器,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)襯砌內(nèi)部及表面溫度,根據(jù)混凝土養(yǎng)護(hù)要求,確定充氣式帆布?xì)饽业牟鸪龝r(shí)間。
襯砌混凝土拆模后,即將智能式養(yǎng)護(hù)設(shè)備開行至剛拆模的襯砌段,開始進(jìn)行養(yǎng)護(hù)(圖4)。

圖4 現(xiàn)澆襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)流程
智能式養(yǎng)護(hù)臺(tái)架在隧道中應(yīng)行走自如,養(yǎng)護(hù)臺(tái)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保證不影響隧道內(nèi)施工車輛的正常通行。養(yǎng)護(hù)臺(tái)架行走速度控制應(yīng)以保證所有養(yǎng)護(hù)面能夠被均勻噴灑為準(zhǔn),一般為5~6 m/min。
養(yǎng)護(hù)灑水時(shí),噴頭距襯砌表面0.3~0.5 m。通過閘閥調(diào)節(jié)噴水壓力、水溫和水量。噴頭可采用螺旋噴頭,以保證噴灑均勻。噴灑水霧間隔時(shí)間不宜大于2 h,以確保襯砌混凝土一直處于濕潤(rùn)狀態(tài)為準(zhǔn)。
隧道襯砌混凝土保溫、保濕養(yǎng)護(hù)期應(yīng)大于或等于14 d。養(yǎng)護(hù)期間,混凝土內(nèi)部溫度不宜超過60 ℃。混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度之差不宜大于15 ℃。混凝土表面溫度與周圍環(huán)境溫度之差不宜大于15 ℃。隧道內(nèi)環(huán)境溫度低于5 ℃時(shí),必須采取通風(fēng)加熱等輔助措施,以保證混凝土養(yǎng)護(hù)的正常進(jìn)行。
養(yǎng)護(hù)用水應(yīng)與拌和用水相同,水溫應(yīng)與隧道內(nèi)環(huán)境溫度相近。養(yǎng)護(hù)用水溫度與混凝土表面溫度之差不得大于15 ℃。
通過分析高速鐵路隧道襯砌養(yǎng)護(hù)期裂縫的形成機(jī)理,找到養(yǎng)護(hù)期襯砌裂縫控制的3個(gè)要素:濕養(yǎng)天數(shù)、環(huán)境相對(duì)濕度、襯砌內(nèi)部與表面溫度差和襯砌表面與隧道內(nèi)環(huán)境溫度差,進(jìn)而提出混凝土養(yǎng)護(hù)期控制要求,包括養(yǎng)護(hù)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)濕度控制方法、養(yǎng)護(hù)期溫度控制要求及強(qiáng)度要求等。
結(jié)合京張高鐵八達(dá)嶺隧道襯砌養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn),介紹了智能式養(yǎng)護(hù)設(shè)備、自粘式節(jié)水養(yǎng)護(hù)膜及充氣式帆布?xì)饽蚁嘟Y(jié)合的新型成套養(yǎng)護(hù)設(shè)備的使用情況。
此成套技術(shù)在國(guó)內(nèi)首次使用,在施工環(huán)境相對(duì)惡劣的八達(dá)嶺隧道施工中取得了良好效果,大幅提高了高速鐵路隧道襯砌養(yǎng)護(hù)質(zhì)量,可作為今后高速鐵路隧道施工的借鑒。
隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展,高速鐵路隧道工程也得到了快速發(fā)展[14]。高速鐵路隧道施工技術(shù)逐步由機(jī)械化向智能化過渡。智能化養(yǎng)護(hù)設(shè)備和其它新技術(shù)、新工藝、新裝備的應(yīng)用,必將進(jìn)一步提高我國(guó)高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量和效率,為我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略提供有力保障。