寒冷地區(qū)隧道冬期施工技術(shù)研究

摘"要：在寒帶隧道工程中施工面臨著惡劣天氣的挑戰(zhàn)，材料特性會(huì)在寒冷條件下轉(zhuǎn)變，凍土施工尤為棘手，同時(shí)設(shè)備的使用也受到嚴(yán)寒環(huán)境的嚴(yán)重影響。針對(duì)低溫地帶隧道施工，本文著力探索核心技術(shù)的突破，以提升冬季作業(yè)效率。通過(guò)增強(qiáng)材料抗寒性、采用保暖混凝土技術(shù)、優(yōu)化混凝土配比，可有效解決施工難題，這些科研成果已在實(shí)踐中展現(xiàn)出顯著的實(shí)用性和高效性。

關(guān)鍵詞：寒冷地區(qū)；隧道冬期施工；技術(shù)研究文章編號(hào)：2095-4085（2024）07-0028-03

0"引言

寒冷地區(qū)開(kāi)挖隧道，特別是冬季工程作業(yè)，因遭遇特有的氣象難題和環(huán)境考驗(yàn)而備受關(guān)注。本文在深入剖析寒區(qū)隧道工程冬季施工難題的基礎(chǔ)上，整合了多種技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)的全方位施工計(jì)劃，目的是提高建材的適用性、提升混凝土的防寒抗凍性能，從而提高施工的效率，并保證寒冷地區(qū)隧道冬期施工品質(zhì)達(dá)標(biāo)，進(jìn)而為后期的冬期隧道施工提供更多幫助與參考。

1"寒冷地區(qū)隧道冬期施工的挑戰(zhàn)

1.1"低溫環(huán)境對(duì)施工材料的影響

在寒冷地區(qū)進(jìn)行隧道的冬季施工時(shí)會(huì)遭遇寒冷天氣的限制，尤其是對(duì)混凝土建筑材料的影響。在特定的條件下水泥混凝土的硬化速度放緩，混凝土強(qiáng)度提升。水泥與水反應(yīng)是決定混凝土硬化的速度和強(qiáng)度的大小，反應(yīng)速率主要受水泥內(nèi)部溫度波動(dòng)的制約。根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)該類反應(yīng)速率可以通過(guò)Arrhenius方程進(jìn)行量化描述，該方程表達(dá)了反應(yīng)速率與溫度之間的關(guān)系。Arrhenius方程表示：

K=A exp-EaRT

其中：K表示反應(yīng)速率；A是頻率因子，表示在無(wú)能量障礙情況下反應(yīng)的最大速率；Ea是活化能，即啟動(dòng)反應(yīng)所需要的能量；R是氣體常數(shù)；T是絕對(duì)溫度。在低溫條件下絕對(duì)溫度T的降低導(dǎo)致指數(shù)項(xiàng)中的-Ea/RT增加，從而使得反應(yīng)K顯著減小。該情況表明混凝土凝固速度放慢，從而對(duì)其初始強(qiáng)度增長(zhǎng)產(chǎn)生影響，拖延了建設(shè)進(jìn)度，提高了建造成本，并極有可能對(duì)工程品質(zhì)帶來(lái)不利后果。因此，在嚴(yán)寒地帶進(jìn)行隧道冬季施工時(shí)，需通過(guò)優(yōu)化施工方法與調(diào)整原料配比，來(lái)克服低溫對(duì)混凝土水化反應(yīng)速度的減緩問(wèn)題，讓混凝土在寒冷環(huán)境中也能正常凝固，達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的強(qiáng)度與耐久性需求，這是保證工程按期完工和品質(zhì)合格的難點(diǎn)所在［1］。

1.2"凍土、多年凍土的施工難點(diǎn)

寒冷地區(qū)隧道冬季施工時(shí)，凍土和長(zhǎng)期凍土障礙，給施工帶來(lái)了較多考驗(yàn)。鉆探爆破凍土層的難題增大，并且對(duì)設(shè)備的磨損也遠(yuǎn)大于在非凍土條件下的作業(yè)。在凍土層的施工中，其多變性和堅(jiān)硬的凍結(jié)層厚度常常帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。永凍土地質(zhì)因其長(zhǎng)期處于凍結(jié)狀態(tài)而具備出色的堅(jiān)固性和承重能力，但一旦被摧毀，修復(fù)和恢復(fù)將會(huì)變得十分困難［2］。

2"寒冷地區(qū)隧道冬期施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1"施工材料的冷區(qū)適應(yīng)性優(yōu)化

2.1.1"高水化熱水泥的應(yīng)用

寒冷地區(qū)的隧道冬季作業(yè)，混凝土硬化受寒冷氣候影響凝固速度減慢，延長(zhǎng)了混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)周期，進(jìn)而阻礙了工程進(jìn)度，并會(huì)導(dǎo)致后續(xù)工作受阻。針對(duì)該類挑戰(zhàn)，在施工過(guò)程中可以應(yīng)用快速硬化的水泥，以此提高混凝土硬化的速度。發(fā)熱量大的水泥能夠通過(guò)加速熱量散失來(lái)升溫混凝土內(nèi)部，從而加強(qiáng)水泥的水化反應(yīng)，促進(jìn)混凝土凝固速度［3］。水泥水化反應(yīng)的熱量釋放可以通過(guò)以下公式表示：

Q＝W·C·（ΔT）

其中：Q是釋放的熱量（J）；W是水泥的重量（kg）；C是水泥水化反應(yīng)的熱容（J/kg·K）；而ΔT是因水化反應(yīng)造成的溫度變化（K）。高水化熱水泥具有更高的C值，意味著在相同條件下，使用高水化熱水泥的混凝土可以釋放更多的熱量，從而在低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)更快的硬化速度和強(qiáng)度發(fā)展。普通硅酸鹽水泥在剛開(kāi)始凝結(jié)的時(shí)候吸熱約為260 J/kg·K，而某些特殊類型水泥的比熱容甚至可達(dá)350 J/kg·K或更高。該情況表明當(dāng)?shù)戎亓康乃嘣馐芡鹊臏囟壬仙龝r(shí)，高水化熱水泥可以比普通水泥釋放出更多的熱量。在實(shí)際施工環(huán)境中，如一個(gè)摻有400kg水泥的混凝土構(gòu)件，24h內(nèi)可能會(huì)經(jīng)歷10℃的溫度上升。當(dāng)使用水化反應(yīng)強(qiáng)烈的水泥時(shí)，使用高水化熱水泥可以額外釋放400×（350-260）×10＝360，000J的熱量，額外的熱量能夠提升水泥內(nèi)部的溫度，加速水泥的水化反應(yīng)，解決在低溫時(shí)混凝土凝固延緩的問(wèn)題［4］。

2.1.2"骨料預(yù)熱技術(shù)

冬季隧道施工時(shí)，骨料預(yù)熱技術(shù)手段至關(guān)重要。該技術(shù)是通過(guò)對(duì)骨料加熱來(lái)提升混凝土的初溫，從而加快水化反應(yīng)的速度，縮短水泥達(dá)到預(yù)設(shè)強(qiáng)度所需的周期。尤其在低溫環(huán)境下更能顯示出其重要性，在寒冷條件下混凝土的水化反應(yīng)速度會(huì)大大減慢，導(dǎo)致混凝土硬化和強(qiáng)度增長(zhǎng)的速度變慢，從而影響到整個(gè)工程的進(jìn)度和質(zhì)量。實(shí)施骨料預(yù)熱技術(shù)時(shí)，通過(guò)對(duì)建材原料進(jìn)行升溫至規(guī)定溫度并融合多元因素，可顯著提升混凝土的初始溫度，增強(qiáng)其耐寒性能，并加速水泥硬化，從而促進(jìn)初期強(qiáng)度的提升［5］。

2.1.3"外加劑的策略性使用

在寒冷地區(qū)隧道的冬期施工中，冬季施工階段外加劑的做法，已經(jīng)被實(shí)踐證明為有效的技術(shù)方法。通過(guò)混入防凍劑使得混凝土的凝固點(diǎn)降至-5℃甚至更低溫，對(duì)于確保混凝土在三九嚴(yán)寒天氣下正常凝結(jié)硬化具有決定性因素。在施工階段為了保證混凝土的長(zhǎng)期性能不受影響，防凍液的比例通常不超過(guò)混凝土配比中2%以下。加入促硬成分可以明顯增強(qiáng)混凝土的初步強(qiáng)度，在施工后24h內(nèi)其承受力能增加20%～30%，可增強(qiáng)混凝土早期荷載適應(yīng)性，從而加快施工速度。早強(qiáng)劑的適宜摻量通常為水泥重量的1%～3%。

2.2"混凝土抗凍保溫施工策略

2.2.1"洞內(nèi)保溫技術(shù)研究

在隧道施工的場(chǎng)地保持合適的溫度至關(guān)重要。合適的溫度影響著混凝土的常規(guī)硬化情況，并且還直接影響到施工隊(duì)伍的作業(yè)條件和整個(gè)工程的安全保障。在隧道內(nèi)部進(jìn)行混凝土鋪設(shè)時(shí)，為確保混凝土在適宜溫度下硬化且避免低溫干擾，建筑隊(duì)一般會(huì)采取燒煤取暖的方式，并部署兩個(gè)高效取暖裝置。該方案可保證洞內(nèi)的氣候穩(wěn)定適宜，并通過(guò)控制暖風(fēng)爐火力的輸出，嚴(yán)格控制地下溫度在最低溫度限制內(nèi)，一般需確保溫度不低于5℃。該溫度閾值是基于對(duì)混凝土硬化過(guò)程中理想溫度條件的科學(xué)分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中得出，其足以保證混凝土硬化期間溫度適宜、化學(xué)反應(yīng)順暢進(jìn)行，從而防止低溫造成的性能衰減和質(zhì)量故障。為保持洞內(nèi)溫度恒定，隧道洞口處要裝置防寒保溫門簾，并采用直徑48mm的鋼管腳手架進(jìn)行加固，以此構(gòu)建一個(gè)密不透風(fēng)的工作環(huán)境。防寒保溫門簾可有效隔絕外界冷空氣的侵入，減少熱量的流失，并能進(jìn)一步增強(qiáng)洞內(nèi)保溫的效果［6］。

2.2.2"洞外保溫技術(shù)研究

在冬季嚴(yán)寒地區(qū)的隧道施工項(xiàng)目中，為應(yīng)對(duì)嚴(yán)寒對(duì)工程進(jìn)度和建筑材料穩(wěn)定性帶來(lái)的挑戰(zhàn)，采取有效保暖措施已成為保障工程質(zhì)量、提升施工效率的有效手段。確保拌合站生產(chǎn)免受外界環(huán)境影響的關(guān)鍵在于全面保溫處理，構(gòu)建完備的保溫結(jié)構(gòu)，并選用優(yōu)質(zhì)保溫材料，可有效降低冬季低溫對(duì)拌合站運(yùn)行的干擾。保暖措施一般是利用堅(jiān)固的鐵管作為框架，并在頂部和四周加裝隔寒層，外面再貼上特制的遮蓋材料，可確保棚內(nèi)不受外界冷風(fēng)侵襲，從而營(yíng)造出一個(gè)舒適穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境。然后以現(xiàn)有被動(dòng)保溫系統(tǒng)為基礎(chǔ)，整合地?zé)豳Y源循環(huán)利用，再通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)手段，以保障攪拌站溫度恒定。具體措施是在倉(cāng)庫(kù)底部澆筑一層15cm厚的混凝土基礎(chǔ)，并安裝一個(gè)20cm×20cm的鐵絲網(wǎng)用以加固管道，要保證管道之間的距離在1～2m之間，并且管道的直徑是20mm。用管道傳送熱水不僅可提高料倉(cāng)內(nèi)部的溫度，還能確保儲(chǔ)存的砂石料溫度維持在10℃以上，從而保障混凝土的生產(chǎn)和品質(zhì)（見(jiàn)圖1）。

2.2.3"料倉(cāng)加熱保溫

料倉(cāng)內(nèi)物料保暖技術(shù)中，地面采暖水循環(huán)系統(tǒng)表現(xiàn)出色，通過(guò)底部加熱管道及熱水循環(huán)方式，可穩(wěn)定提升內(nèi)部溫度，確保冬季低溫下混凝土原料（如砂、石）維持適宜溫度狀態(tài)。為了確保熱處理設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和溫度均衡散布，機(jī)械設(shè)備在倉(cāng)儲(chǔ)原料的根基層面鋪設(shè)了一層固態(tài)材料作為基礎(chǔ)。混凝土凝固成型后，緊跟著進(jìn)行精密鋼筋網(wǎng)格組裝，構(gòu)建加固熱管架構(gòu)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，以確保熱能全面均衡分布。料倉(cāng)空間容量影響升溫效率時(shí)，可調(diào)節(jié)管道內(nèi)水流，利用預(yù)熱水進(jìn)行熱交換，從而有效傳遞熱量至料倉(cāng)內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)材料預(yù)熱目標(biāo)［7］。

2.3"冬期施工混凝土配合比優(yōu)化

在寒冷地區(qū)隧道施工中，確保工程質(zhì)量與維護(hù)工程標(biāo)準(zhǔn)相輔相成，同時(shí)也是提升建設(shè)效率的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)深入研究和反復(fù)實(shí)踐，專家們基于溫度波動(dòng)，創(chuàng)新研發(fā)出耐低溫的混凝土配比。這種配比不僅能確保混凝土在-20～-30℃的嚴(yán)寒條件下順利硬化，而且品質(zhì)經(jīng)久不衰，同時(shí)也兼顧了成本效益。針對(duì)極端低溫環(huán)境，對(duì)混凝土的配方進(jìn)行了專項(xiàng)優(yōu)化，水、砂、碎石和外加劑的比例得到了精心調(diào)整，旨在保障施工質(zhì)量與耐寒性，以確保隧道建設(shè)在惡劣氣候下依然順利進(jìn)行。

優(yōu)化后的配比不僅是基于理論計(jì)算，更是根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出。選擇42.5R級(jí)硅酸鹽水泥進(jìn)行混凝土配制，以優(yōu)化其初期強(qiáng)度增長(zhǎng)、水化反應(yīng)的熱效應(yīng)和耐寒能力。優(yōu)化水泥與水的配比，精選砂石配比，并添加JZ-1型加強(qiáng)型防水減水劑或快速凝固劑等，旨在顯著提升水泥的耐低溫性能，確保施工過(guò)程中的穩(wěn)定性，以及混凝土后期強(qiáng)度的持久性［8］。

2.4"溫度控制與澆筑操作

在低溫地區(qū)開(kāi)展隧道工程，施工隊(duì)伍應(yīng)隨氣候變化而靈活變動(dòng)混凝土配比，并采取必要的升溫保溫措施，以保證混凝土在嚴(yán)寒環(huán)境中仍能達(dá)到既定的強(qiáng)度與耐久性標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)天氣變冷到-5℃時(shí)，為了加強(qiáng)混凝土的初期硬度，需要提高水泥的用量，并采取加熱和保溫措施。如使用保暖工具對(duì)混凝土施工區(qū)域進(jìn)行升溫處理，需保持混凝土溫度在5℃以上，從而保證水分子的活動(dòng)能正常進(jìn)行。為確保溫度管理的有效性，必須實(shí)時(shí)監(jiān)控氣溫的波動(dòng)和混凝土溫度變化。通過(guò)在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部署溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備，以獲取數(shù)據(jù)支持，并據(jù)此優(yōu)化施工技術(shù)。溫度迅猛下降至-10℃以下時(shí)，需要增添取暖設(shè)備或提高供暖功率，以維護(hù)混凝土不因外界溫度猛烈降低而遭受不利影響。采用靈活的溫度調(diào)節(jié)和變化多樣的施工技巧，可保障混凝土建設(shè)品質(zhì)，在極端天氣下避免天氣影響導(dǎo)致工期延誤，以保證項(xiàng)目按期進(jìn)行。

3"結(jié)語(yǔ)

解決寒冷地區(qū)隧道在冬季施工所遭遇的諸多挑戰(zhàn)，研發(fā)新的技術(shù)手段并付諸實(shí)踐，可有力保障工程質(zhì)量和工地安全。針對(duì)寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)，精心選取匹配的建筑材料，并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)分析優(yōu)化混凝土配比。同時(shí)，采用高效的保溫措施，結(jié)合先進(jìn)的施工與維護(hù)技術(shù)，形成綜合策略，可有效應(yīng)對(duì)低溫挑戰(zhàn)，從而顯著提升隧道冬期施工能力。

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