京張高鐵隧道襯砌混凝土智能式養(yǎng)護成套技術(shù)實踐

王 楊,呂 剛,劉建友

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

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)護措施不到位，會使隧道襯砌開裂，嚴(yán)重影響襯砌質(zhì)量和使用壽命。

混凝土澆筑后，如不及時進行養(yǎng)護，混凝土中水分會蒸發(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，會因產(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度時，水分過早的蒸發(fā)會產(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)護不及時，保濕措施不到位，會導(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)強度。

混凝土養(yǎng)護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，如不及時進行養(yǎng)護，會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。

國內(nèi)外工程界對山嶺寒區(qū)隧道混凝土養(yǎng)護機理、方法及設(shè)備進行了大量研究工作。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強度達到9 MPa方可拆模的混凝土養(yǎng)護技術(shù)指標(biāo)。董謙等[3]研究了青藏鐵路多年凍土工程的幾個關(guān)鍵施工技術(shù)問題，特別是隧道進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)涵洞施工時混凝土養(yǎng)護困難，施工時應(yīng)盡量采用預(yù)制工藝。

劉緒彬[5]總結(jié)了國內(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)，改進積雪控制方法是高海拔高寒地區(qū)隧道養(yǎng)護的首要問題。汪雙杰等[6]通過對青藏公路、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)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了多年凍土隧道設(shè)計應(yīng)遵循“保護凍土”的原則，設(shè)計和施工措施應(yīng)有利于凍土圍巖的熱穩(wěn)定，盡量減少對多年凍土的擾動和破壞。

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)護對隧道耐久性的影響。Sangpil Lee等[10]通過凍融循環(huán)試驗，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。

徐國生[11]介紹了使用移動臺架進行鐵路客運專線隧道二次襯砌養(yǎng)護的經(jīng)驗。王軍慶[12]結(jié)合昌贛鐵路客運專線工程，介紹了隧道二襯自制養(yǎng)護臺架的設(shè)計和使用。

1 混凝土養(yǎng)護期裂縫形成機理及控制要素

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)護時間、堿骨料反應(yīng)、鋼筋銹脹以及受力等，其中與混凝土養(yǎng)護直接相關(guān)的是干燥收縮、溫降收縮和養(yǎng)護時間。

1.1 混凝土干燥收縮

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，混凝土內(nèi)部孔隙濕度可達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，因此世界各國大都采用經(jīng)驗公式來描述混凝土干縮應(yīng)變[13]。

歐洲混凝土委員會CEB (Comité Européen du Beton)和國際預(yù)應(yīng)力混凝土聯(lián)合會FIP (Federation international de la Precontrainte)提出的混凝土在材齡為t天的干縮應(yīng)變εs，t的經(jīng)驗公式為

εs，t=εs，oβs(t-t′)

(1)

式中t′——混凝土保濕養(yǎng)護結(jié)束時的材齡，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)——混凝土強度對干縮的影響系數(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，快硬高強水泥取8。

βRH——環(huán)境相對濕度RH(%)對干縮影響系數(shù)。

(5)

美國混凝土學(xué)會ACI (American Concrete Institute)提出的混凝土在材齡為t的干縮應(yīng)變εs，t的經(jīng)驗公式為

(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)計和混凝土澆筑施工階段就已經(jīng)確定。養(yǎng)護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)境相對濕度。

1.2 混凝土溫度升降變形

溫度升降會使混凝土產(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。

1.3 混凝土養(yǎng)護期裂縫控制要素

通過對養(yǎng)護期混凝土裂縫形成機理的分析，可以得出結(jié)論：隧道襯砌混凝土養(yǎng)護期可以控制裂縫產(chǎn)生的要素有3個：濕養(yǎng)天數(shù)、環(huán)境相對濕度、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)護期裂縫的產(chǎn)生。

2 襯砌養(yǎng)護要求

通過對隧道襯砌養(yǎng)護期混凝土裂縫形成機理及控制要素的分析可以看出，隧道襯砌混凝土養(yǎng)護期可以控制裂縫產(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)這個結(jié)論和現(xiàn)澆混凝土隧道襯砌混凝土養(yǎng)護條件，并結(jié)合工程經(jīng)驗，對高速鐵路現(xiàn)澆混凝土隧道襯砌的養(yǎng)護提出如下要求。

(1)混凝土振搗完畢，即開始采取適當(dāng)?shù)谋?、保濕措施，對混凝土進行養(yǎng)護。

(2)當(dāng)混凝土采用帶模養(yǎng)護方式養(yǎng)護時，應(yīng)保證模板接縫處混凝土不失水干燥。

(3)當(dāng)混凝土強度滿足拆模要求，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，方可拆模。

(4)拆模后，及時采取噴霧灑水或貼養(yǎng)護膜、調(diào)節(jié)噴灑水溫以及送熱風(fēng)或氣囊保溫等措施，對混凝土進行保溫、保濕養(yǎng)護14 d以上，直至下道施工工序為止。

(5)新澆筑的混凝土與流動的地表水直接接觸前，應(yīng)采取臨時保護措施，對混凝土進行保溫、保濕養(yǎng)護，保證混凝土獲得75%以上的設(shè)計強度為止。

3 襯砌養(yǎng)護設(shè)備

隧道混凝土襯砌可采用智能式養(yǎng)護設(shè)備或粘貼養(yǎng)護膜等方式進行養(yǎng)護，必要時可采用充氣式帆布?xì)饽颐苜N的方式進行保溫。

2016年開工建設(shè)的京張高鐵八達嶺隧道，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)護使用了養(yǎng)護臺車結(jié)合自粘式節(jié)水養(yǎng)護膜進行養(yǎng)護，同時采用充氣式帆布?xì)饽覍︷B(yǎng)護中的隧道襯砌進行保溫，取得了良好效果。

3.1 智能式養(yǎng)護設(shè)備

智能式養(yǎng)護設(shè)備是一個可以自動或人工操控行走的，集成噴水、探測、調(diào)節(jié)、通信等各種功能的綜合性平臺，包括養(yǎng)護臺架、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)護臺架(圖1)下部安裝行走系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)，養(yǎng)護臺架上部設(shè)置噴水系統(tǒng)和監(jiān)測設(shè)備。

噴水系統(tǒng)由增壓泵、自動控制調(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)護工作。

圖1 養(yǎng)護臺架

智能式養(yǎng)護設(shè)備配置有供水管和灑水噴頭，供應(yīng)混凝土養(yǎng)護用水。必要時，養(yǎng)護臺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現(xiàn)無死角噴灑養(yǎng)護。

可調(diào)節(jié)式噴頭對隧道壁面進行柔和噴灑，避免水流對隧道壁面產(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)護效果。

隧道混凝土襯砌智能式養(yǎng)護設(shè)備可以實現(xiàn)養(yǎng)護的信息化、智能化，能夠自動行走、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控制行走速度及噴頭的噴灑位置，保證養(yǎng)護效果，提高混凝土襯砌強度和耐久性。

在臺架上設(shè)置襯砌表面溫濕度探測裝置，通過探測結(jié)果自動調(diào)節(jié)噴灑位置、水溫和噴灑時間，提高自動化、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、操作簡單靈活、噴霧效果好、適應(yīng)性較強等特點，可降低混凝土養(yǎng)護成本，改善混凝土外觀質(zhì)量，凈化洞內(nèi)空氣，減少通風(fēng)時間，具有結(jié)構(gòu)簡潔緊湊和使用簡便等優(yōu)勢。

3.2 自粘式節(jié)水養(yǎng)護膜

針對現(xiàn)有噴淋養(yǎng)護方式的缺點，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)護膜(圖2)進行保濕養(yǎng)護。

自粘式節(jié)水養(yǎng)護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)護膜可蓄水0.5 kg。

養(yǎng)護膜所含的水分通過毛細(xì)管的作用向混凝土養(yǎng)護面滲透，同時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)護期內(nèi)一直保持混凝土表面濕潤。

養(yǎng)護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，不會影響混凝土質(zhì)量。

養(yǎng)護膜每平方米不足2 kg，可實現(xiàn)高效節(jié)水，用水量是常規(guī)養(yǎng)護的1/(50～100)，若覆蓋及時，在養(yǎng)護期間可以不灑水。

養(yǎng)護膜每平方米最少可固定0.8 kg水分，膜內(nèi)相對濕度達80%以上，可實現(xiàn)養(yǎng)護期的持續(xù)保濕。養(yǎng)護期間膜內(nèi)溫度比外界高4～15 ℃，保溫性能良好。

圖2 用于京張高鐵八達嶺隧道的自粘式節(jié)水養(yǎng)護膜

由于養(yǎng)護膜內(nèi)已儲存充足水分，且附帶少量可降解生物膠，養(yǎng)護膜覆于襯砌表面時，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)護膜養(yǎng)護的混凝土20 d后表面仍然保持潮濕狀態(tài)。

自粘式節(jié)水養(yǎng)護膜不僅可節(jié)約用水，而且可簡化養(yǎng)護工藝、延長養(yǎng)護時間。養(yǎng)護膜可與智能式養(yǎng)護設(shè)備配合使用，通過養(yǎng)護設(shè)備上配置的傳感器自動探測濕度和溫度，隨時對溫、濕度進行調(diào)節(jié)，保證養(yǎng)護質(zhì)量。

3.3 充氣式帆布?xì)饽?/h3>

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，維護保養(yǎng)簡單，非常適合在隧道施工現(xiàn)場使用。

圖3 用于京張高鐵八達嶺隧道的充氣式帆布?xì)饽?/p>

通過預(yù)先埋設(shè)的傳感器，可以實時監(jiān)測襯砌內(nèi)部及表面溫度，根據(jù)混凝土養(yǎng)護要求，確定充氣式帆布?xì)饽业牟鸪龝r間。

4 襯砌養(yǎng)護工藝

襯砌混凝土拆模后，即將智能式養(yǎng)護設(shè)備開行至剛拆模的襯砌段，開始進行養(yǎng)護(圖4)。

圖4 現(xiàn)澆襯砌混凝土養(yǎng)護流程

智能式養(yǎng)護臺架在隧道中應(yīng)行走自如，養(yǎng)護臺架結(jié)構(gòu)設(shè)計必須保證不影響隧道內(nèi)施工車輛的正常通行。養(yǎng)護臺架行走速度控制應(yīng)以保證所有養(yǎng)護面能夠被均勻噴灑為準(zhǔn)，一般為5～6 m/min。

養(yǎng)護灑水時，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。噴灑水霧間隔時間不宜大于2 h，以確保襯砌混凝土一直處于濕潤狀態(tài)為準(zhǔn)。

隧道襯砌混凝土保溫、保濕養(yǎng)護期應(yīng)大于或等于14 d。養(yǎng)護期間，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，必須采取通風(fēng)加熱等輔助措施，以保證混凝土養(yǎng)護的正常進行。

養(yǎng)護用水應(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)護用水溫度與混凝土表面溫度之差不得大于15 ℃。

5 總結(jié)與展望

通過分析高速鐵路隧道襯砌養(yǎng)護期裂縫的形成機理，找到養(yǎng)護期襯砌裂縫控制的3個要素：濕養(yǎng)天數(shù)、環(huán)境相對濕度、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，進而提出混凝土養(yǎng)護期控制要求，包括養(yǎng)護時間、養(yǎng)護濕度控制方法、養(yǎng)護期溫度控制要求及強度要求等。

結(jié)合京張高鐵八達嶺隧道襯砌養(yǎng)護經(jīng)驗，介紹了智能式養(yǎng)護設(shè)備、自粘式節(jié)水養(yǎng)護膜及充氣式帆布?xì)饽蚁嘟Y(jié)合的新型成套養(yǎng)護設(shè)備的使用情況。

此成套技術(shù)在國內(nèi)首次使用，在施工環(huán)境相對惡劣的八達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)護質(zhì)量，可作為今后高速鐵路隧道施工的借鑒。

隨著我國高速鐵路建設(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)逐步由機械化向智能化過渡。智能化養(yǎng)護設(shè)備和其它新技術(shù)、新工藝、新裝備的應(yīng)用，必將進一步提高我國高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量和效率，為我國交通強國戰(zhàn)略提供有力保障。