高寒地区隧道施工混凝土抗冻融技术研究

高寒地区隧道施工混凝土抗冻融技术研究

程东风

中铁二十四局集团南昌铁路工程有限公司 江西南昌 330002

摘要：我国基建工程快速发展过程中，已经掌握在各种环境中进行工程建设的较为成熟的技术，如在高寒地区进行隧道施工，高铁隧道、高速公路隧道等，上述隧道工程在低温环境中进行，为提升隧道的安全性和稳定性，使用混凝土抗冻融技术，可以满足工程的建设要求。深入分析高寒地区隧道施工中，应用混凝土抗冻融技术的要点，为隧道工程建设提供参考依据。

关键词：高寒地区；隧道施工；混凝土抗冻

引言：

本文以高寒地区进行隧道工程施工为例，在施工过程中，由于隧道长时间处于低温环境中，在低温冻融破坏机理的影响下，会使混凝土施工出现质量问题，影响隧道的稳定性。针对低温环境中施工出现的问题，施工单位应了解引发冻害损伤的原因，采用抗冻融技术保证混凝土质量符合建设标准。

1. 施工原则

高寒地区隧道混凝土施工过程中，施工单位应遵循以下原则：第一，尽量使用先进的机械设备代替人工作业。在低温环境中施工人员的操作效率会不断降低，并且会出现冻伤的情况，使用设备在提升施工效率降低人工劳动强度的同时，还能使施工更加安全；第二，在低温环境中进行混凝土施工，要求施工单位必须保证混凝土的质量符合建设标准；第三，在施工中会出现低温冻伤的情况，尤其会广泛出现冻融和冻结等情况，施工单位应采用科学合理的方法，一方面加强施工环境的保温管理，另一方面合理调配人员和设备，使整个施工处于正常运转状态，有效降低施工成本；第四，低温环境进行混凝土施工，施工期间会产生热量，在冷热交替的环境中，冻结会反复出现，在实施抗冻措施的同时，还应在温度升高时，快速排出产生的水体，使隧道内部减少水体对质量产生的破坏。

2. 引发冻害损伤的因素

   1. 施工因素

在施工的初期，进行隧道支护施工、钢架安装以及混凝土初喷等操作，上述操作会出现冻结情况，尤其是在初喷环节，衬砌上冻结情况较为明显。衬砌出现冻结情况，与初喷的混凝土存在关系，混凝土初喷时强度较低，并且内部含有较多的水分，再加上存在较多的空隙，水分在空隙位置形成冰晶，此时混凝土出现冻结情况。在冰晶形成过程中，液体向固体转换过程中，体积会不断增加，混凝土受到固体产生膨胀力，内部结构无法承受膨胀力，超过混凝土的抗拉强度后，会使混凝土出现裂缝。此外混凝土浇筑期间，内部出现的水化反应，产生的热量与外部低温形成温度差，温度应力作用在混凝土上，会产生较大的拉应力，并且冻结情况比内部冻结情况更加严重。

1. 2. 运营因素

完成隧道的施工进入到运营环节，衬砌结构受到外部应力的作用，以及周围变形产生的应力，会使隧道衬砌产生变形。在低温的环境中，周围结构中的水分，在低温作用下形成固体，会进一步加强对衬砌产生的破坏，产生的应力超过衬砌的荷载，不仅使衬砌出现裂缝、掉块等质量问题，还会在衬砌表面出现冻结情况，主要是水分进入到衬砌中，在低温环境中冻结现象较为明显，导致混凝土的使用寿命不断缩短。

3. 隧道冻害破坏原理

隧道进行施工中，混凝土施工分为两个部分，一是初支混凝土，二是衬砌混凝土。混凝土在制作、运输以及浇筑等环节，在低温环境中均会出现冻结情况，冻结出现时，混凝土内部产生较多的冰晶。在进行初喷时，整个初喷需要时间，再加上混凝土到达强度时仍需要时间，施工时间较长，混凝土内部出现冻结情况，使混凝土在水分冻结的作用下，整体性和强度受到破坏。混凝土浇筑时产生的热量，会经历一段时间后不断减少，减少的过程，混凝土内外部温度达到平衡，但是平衡状态下混凝土冻结区域不断扩大。混凝土在上述操作过程中，由于无法达到初始强度，内外部出现的冻结情况相似，在自然环境温度升高过程中，冻结情况得到缓解，但是会破坏混凝土的强度。在常温和低温反复作用下，混凝土的强度会不断降低。

4. 高寒地区隧道混凝土抗冻施工技术要点

   1. 测量冻结区域

在高寒地区进行隧道施工时，施工单位应测量冻结区域，使用型号为WD-A热敏电阻温度计，并且配合使用型号为WSS金属温度测量设备，上述设备测量施工衬砌外部冻结范围，一般将测量范围限定在5米以内，测量该区域内的温度后，将隧道设定为轴线，按照轴线绘制温度曲线，一般会掌握衬砌外部3--50公分内的冻结范围。如果隧道工程规模较大，采用深度回归分析计算方式，将最大冻土深度扩大至90-110公分范围，该范围会为隧道的出入口800米距离范围内冻结情况。在使用上述设备进行温度测量过程中，衬砌里温度和环境温度，会处于相同的状态，在隧道深度不断增加时，温度会不断降低，在测量衬砌里温度时，如果衬砌里温度为0摄氏度，在隧道深度增加过程中，衬砌里温度会呈现出反线性的变化特点。

1. 2. 确定影响抗冻性能的原因

混凝土的抗冻性能，与多种因素有关，一是碎石的破碎值、二是含泥量、三是混凝土水胶比、四是混凝土密度。如果降低砂石的破碎值，混凝土的坚固性会不断提升，此时混凝土的抗冻性能会不断提升。但是应控制好混凝土中的砂砾石的含量，如果过多或者过少，均会影响混凝土的抗冻性能。降低混凝土的水胶比，水胶比不断降低，混凝土内部空隙会不断减少，内部产生的游离水会得到有效地控制，有助于提升混凝土的抗冻性能。提升混凝土的密度，会提升防水性能，主要是混凝土内部毛细管较少，会获得良好的防冻效果。在混凝土施工过程中，应做好各项保温措施，防止在施工中出现冻伤情况。

1. 3. 制定抗冻施工计划

施工单位进行现场冻结范围测量后，获得的测量结果，应作为制定防冻施工计划的参考依据。在制定抗冻施工计划时，应按照避免出现冻伤情况为标准，制定详细的抗冻施工计划。在计划内标注抗冻融循环次数，一般进行200次的冻融循环实验后，经过实验混凝土的强度在出现损失时，产生的损失会控制在15%以内，质量损失控制在5%以内。在采用保温措施过程中，主要用于保护衬砌，避免衬砌出现冻伤情况。混凝土在制拌过程中，应严格设定配合比，要求配合比必须满足设计标准，具体标准如下：第一，水泥用量控制在450公斤以内；第二，水胶比小于0.05；第三，混凝土坍落度控制在14-16公分范围内；第四，混凝土强度必须达到设计标准的5%；第五，混凝土内的掺合物符合防冻要求。上述设计标准，需要施工单位严格执行，并配合使用防冻措施。在混凝土的拌和环节，使用热风机对集料进行加温处理，同时在搅拌中使用蒸汽锅炉，使搅拌温度处于稳定状态，在混凝土运输过程中，应在运输设备中使用保温罐衣，包裹运输设备用于保温，避免在运输中混凝土热量出现损失的情况。在混凝土浇筑环节，对使用的模板进行加热处理，提升模具的温度，可以防止在浇筑环节受到低温的影响出现冻结情况。

1. 4. 抗冻施工技术应用要点

施工环节应用抗冻融施工技术，需要施工企业选择合适的混合料，对使用的混合料的数量进行控制，用于提升混凝土的抗冻性能的同时，还能降低施工成本。在高寒地区进行衬砌混凝土施工，可以在混凝土内加入复合防冻剂，复合防冻剂具有减水性能，使混凝土在短时间内达到设定的强度。施工单位应测量环境温度，根据环境温度调整防冻剂的用量。在放入防冻剂过程中，应在混凝土搅拌过程中，根据搅拌情况加入防冻剂。此外在混凝土运输以及浇筑等环节，应在上述设备使用保温材料进行包裹，用于保存设备温度。如果在施工中混凝土出现冻结情况，并且混凝土的强度已经无法改变，施工单位应在调整环境温度的同时，还应在混凝土的外部设置棉被等保温材料覆盖，用于提升混凝土的温度，在提升混凝土温度过程中，不可以拆除混凝土用于保温的材料。

5. 工程案例

以新兴隧道为例，在该隧道工程进行施工中，要求在距离洞口1000米范围内设置的衬砌，使用强度为C40的钢筋混凝土，由于低温环境会使衬砌出现变形情况，应在衬砌中设置温度变形缝，每间隔60米设置变形缝，以便控制隧道出入口衬砌的变形情况。在全隧道施工期间，会采用暗挖法，在暗挖的区域内设置支护，同时配合进行二次衬砌，在二次衬砌与初支之间使用保温夹层，每个位置设置的保温材料，是由双层防水板夹保温板组成，保温层全部由5cm厚聚氨酯保温板填充。此外在全隧道范围内，进行温度测量，设置深埋中心水沟，隧道两侧设保温边沟，保温边沟采用双层盖板，盖板采用6cm厚钢筋混凝土盖板，盖板四周粘贴3mm厚橡胶条密封，在双层盖板之间放置聚氨酯绝缘材料，防止水沟出现冻结情况，影响衬砌中水分的排出。该隧道工程在洞外位置施工期间，按照保温防寒设计要求，会在洞外排水口处设置保温出水口，保温出水口应面向南侧（背风侧），保温出水口采用端墙式，可以防止排水口出现冻结情况。该工程在洞口的1000米范围内，为提升隧道在施工期间的防寒抗冻能力，会在1000米的范围内，在围岩处使用拱墙作为防寒设置，采用径向注浆的方式，用于提升拱墙的防寒能力。

基于上述施工要求，该工程在地处海拔3300米的位置进行施工，最低气温会达到零下31摄氏度，并且每年冬季时间长达8个月，隧道工程施工位置的气压为69kPa。在高海拔低温的环境中进行施工，隧道施工中防冻、防寒以及抗裂等工作尤为重要。在进行混凝土施工过程中，施工期间喷射在衬砌上的混凝土会出现较为明显的回弹情况，证明混凝土的回弹率较高，会严重影响混凝土的强度，并且在混凝土到达相应的强度过程中，混凝土出现明显的裂缝，同时出现严重的渗漏情况。此外在施工中养护时间较长，未能有效控制混凝土出现的冻融破坏情况。

结合混凝土受冻破坏机理以及引发冻融情况的原因，施工单位对隧道衬砌进行温度测量，在掌握冻结范围以及影响混凝土抗冻防冻性能因素后，施工单位制定抗防冻施工控制方案。在方案内会设有以下标准：第一，施工单位使用的混凝土，会进行超过2000次的冻融循环，目的是将混凝土的损失值控制在15%以内，质量损失控制在5%以内；第二，在衬砌施工中，采用防寒保温措施，要求混凝土中使用的水泥量，控制在每立方米450公斤以内，同时在混凝土中加入外加剂，用于提升混凝土的防冻性能；第三，在衬砌施工过程中，使用硅酸盐水泥，要求混凝土的强度为C40，泵送混凝土量控制在每立方米300-360公斤范围内；第四，在初喷混凝土过程中，要求初喷量控制在每立方米390-485公斤范围内；第五，在配置混凝土过程中，混凝土内部使用粒径为20-40毫米的砂砾石，使用pH为8.3的纯净水，水灰比控制在0.50-0.55范围内；第六，使用型号为RB-1的高效减水剂，使用型号为AEA的膨胀剂，使用型号为JA-1的复合防冻剂，使用型号为GM的防冻剂，上述添加剂与施工环境的温度有关，根据温度变化调整添加剂；第七，在施工期间，衬砌混凝土的强度，应在零下20摄氏度及以上时，应在5-10分钟内，可以使混凝土快速出现凝结硬化的状态，此时混凝土的强度应超过5MPa。在施工的同时，施工单位应做好原材料预热保温工作，保温工作主要涉及砂砾石、碎石以及模板等，要求上述温度最低应为零上5摄氏度，在预热过程中，使用蒸汽锅炉，在预热过程中应控制好温度，在控制温度的同时，计算预热设备的功率，有助于提升设备的产出比。

结语：

综上所述，在高寒地区进行隧道工程混凝土施工过程中，做好混凝土抗冻施工尤为重要，施工企业掌握抗冻融技术，一方面加强混凝土材料温度的控制，另一方面加强冻结范围控制，可以避免隧道混凝土出现冻结情况。

参考文献：

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