高寒公路隧道施工技術(shù)研究

李鵬，包永超，惠亞強(qiáng)

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

季節(jié)性凍土地區(qū)約占中國(guó)領(lǐng)土的53.5%，主要分布在中國(guó)東北、西北和北部及西南部的高海拔山區(qū)[1]。隨著世界范圍內(nèi)軌道交通的蓬勃發(fā)展，寒冷地區(qū)不斷修建隧道。然而，寒冷地區(qū)隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，病害不斷出現(xiàn)，破壞程度逐漸加大，嚴(yán)重影響了鐵路隧道運(yùn)營(yíng)的安全。因此，有效控制隧道凍害的發(fā)生，減少凍害引起的次生災(zāi)害，確保鐵路隧道全壽命周期運(yùn)營(yíng)的安全，已成為必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。目前運(yùn)營(yíng)中的鐵路隧道凍害的主要形式包括隧道底部結(jié)冰、側(cè)壁掛冰、路面積水結(jié)冰及襯砌開(kāi)裂和剝落。針對(duì)這些凍害問(wèn)題，許多學(xué)者研究了凍害機(jī)理和溫度變化對(duì)隧道的影響。

1 工程概況

本文以甘肅省S10 鳳縣（陜西）至合作（甘肅）高速公路卓尼至合作段公路工程ZH12 中俄和代隧道為依托項(xiàng)目。隧址區(qū)極端最高氣溫為28 ℃，極端最低氣溫為-23 ℃。降水量具有年內(nèi)、年際分配不均，區(qū)域差異性較大的特征，其多年平均降水量為580 mm，蒸發(fā)量小，氣候濕潤(rùn)，且集中在5—9 月，占年降水量的83%～88%。大雨和暴雨一般出現(xiàn)在4—10 月，且集中于6—8 月，全年日照時(shí)數(shù)為2 186 h，無(wú)霜期為90～119 d。

2 高寒地區(qū)隧道施工的影響分析

2.1 高寒地區(qū)隧道施工難點(diǎn)分析

施工區(qū)域位于高海拔位置，整體落差不大但是其平均高程在3 150 m 左右，地質(zhì)情況復(fù)雜，施工區(qū)域圍巖受到大量構(gòu)造作用的影響，會(huì)在施工區(qū)域中產(chǎn)生較高的地應(yīng)力，而較高的地應(yīng)力情況會(huì)使整個(gè)隧道施工難度增加[2]。這樣的復(fù)雜地質(zhì)情況使現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸條件較差，施工機(jī)械與施工材料運(yùn)輸出現(xiàn)困難，運(yùn)輸周期較長(zhǎng)。此外由于現(xiàn)場(chǎng)海拔較高，氧氣稀薄對(duì)施工人員的體力消耗較大，施工效率降低。這些不利因素都會(huì)降低整個(gè)施工過(guò)程的安全性。

2.2 高寒地區(qū)混凝土性能影響分析

分析發(fā)現(xiàn)，在高寒地區(qū)影響混凝土性能的主控因素為水灰比、密實(shí)度、粗骨料的配比、水泥品種等。

高寒地區(qū)出現(xiàn)的主要問(wèn)題為混凝土凍脹破壞，而凍脹破壞的本質(zhì)為水在低溫轉(zhuǎn)化為冰后，體積發(fā)生膨脹。因此，混凝土中骨料的吸水率與骨料的尺寸是影響其抗凍能力的關(guān)鍵因素。骨料的吸水率越大，在骨料中水分子越多，在高寒地區(qū)越容易發(fā)生凍脹破壞。骨料的尺寸越大，骨料之間咬合不夠緊密，同時(shí)會(huì)有更多的水存在于骨料之間的縫隙里。同時(shí)，若骨料的力學(xué)性質(zhì)越好，能夠抵抗的壓力越強(qiáng)，使得它在發(fā)生凍脹時(shí)能夠承擔(dān)更大的凍脹力，即混凝土的抗凍能力就越強(qiáng)[3]。

混凝土的水灰比越大，水在混凝土漿中所占比例越大，導(dǎo)致在混凝土漿液中自由水越多，可凍水的含量就相對(duì)較高。在高寒環(huán)境下，混凝土的結(jié)冰速度更快，發(fā)生凍壞的可能性越大，即抗凍能力較弱。

混凝土的密實(shí)度越大，所存在的毛細(xì)孔就越小，存在于毛細(xì)孔中的自由水就越少，能夠很好地防止在高寒環(huán)境下水侵入混凝土中，從而導(dǎo)致混凝土凍脹破壞。水泥中的混合材料不同，其性能也有所區(qū)別。而在水泥中摻入一些混合料反而會(huì)降低混凝土的抗凍性能，因此在高寒地區(qū)中，首要選擇普通的硅酸鹽水泥[4]。

2.3 保溫襯里結(jié)構(gòu)形式分析

為了避免在施工與運(yùn)行中出現(xiàn)凍害問(wèn)題，在隧道中設(shè)置保溫襯砌以保護(hù)在高寒地區(qū)施工與運(yùn)營(yíng)的隧道免受凍害威脅。

保溫襯里應(yīng)該滿足保溫隔熱與耐用等要求，因此選擇材料時(shí)選擇聚氨酯泡沫材料和波紋鋼，同時(shí)在里面設(shè)置防水層。聚氨酯泡沫材料具有保溫、阻燃的特性，可以很好地保溫，防止熱量傳播；同時(shí)設(shè)置防水層，防止在運(yùn)營(yíng)時(shí)期中水侵入聚氨酯泡沫材料中影響其保溫能力；最后在外圍布置波紋鋼，波紋鋼具有較強(qiáng)的剛度與韌性，能夠產(chǎn)生一定程度的屈曲，能很好地契合隧道內(nèi)部形狀，并保護(hù)隔熱材料。如此設(shè)置，可保證保溫襯里的保溫性，同時(shí)具有良好的耐用性。

3 施工技術(shù)

3.1 主要的施工原則

在高海拔、高寒的施工位置，施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)大且多、氧氣質(zhì)量濃度較低、氣壓較低且寒冷，因此在施工現(xiàn)場(chǎng)使用內(nèi)燃機(jī)的防凍措施設(shè)置比較麻煩而且效果不易保證，致使內(nèi)燃機(jī)機(jī)械功率損失較大，效果達(dá)不到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，因此在施工現(xiàn)場(chǎng)盡量使用電動(dòng)機(jī)械與風(fēng)動(dòng)機(jī)械代替內(nèi)燃機(jī)械設(shè)備[5]。

高原地區(qū)氧氣質(zhì)量濃度較低，對(duì)人工影響較大。因此在施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)減少人力施工，提高機(jī)械施工的比例，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。

適量增加通風(fēng)設(shè)備的配置數(shù)量，將高海拔地區(qū)氧氣質(zhì)量濃度較低的情況考慮在施工設(shè)計(jì)中。要充分利用施工現(xiàn)場(chǎng)已有的通風(fēng)通道，例如隧道下方的泄水洞，同時(shí)在選擇通風(fēng)設(shè)備時(shí)，選擇對(duì)溫度適應(yīng)性強(qiáng)的大功率通風(fēng)設(shè)備，從通風(fēng)通道與機(jī)械效率這2 個(gè)方面提高通風(fēng)能力、洞內(nèi)空氣的交換效率，在相同的時(shí)間內(nèi)提供更多的新鮮氧氣，以改善隧道工作區(qū)的工作環(huán)境。

在高寒地區(qū)持續(xù)低溫情況下，施工材料會(huì)不同程度受到影響，混凝土在持續(xù)低溫情況下會(huì)出現(xiàn)低溫凍脹破壞現(xiàn)象。因此在整個(gè)施工過(guò)程中，為了保證施工質(zhì)量，需要采取一定的保溫措施，防止在施工過(guò)程中出現(xiàn)由于低溫危害所導(dǎo)致施工質(zhì)量大大降低的現(xiàn)象。

為了解決施工中出現(xiàn)的凍害等問(wèn)題，在施工現(xiàn)場(chǎng)需建立完善、全面的供暖、保溫等設(shè)施，確保人員與施工機(jī)械在正常工作環(huán)境中工作。

為防止凍害情況出現(xiàn)，除了控制現(xiàn)場(chǎng)溫度，還需要同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置完善的排水設(shè)施，將施工現(xiàn)場(chǎng)的水合理有效地排出場(chǎng)地，減少產(chǎn)生凍害的可能性。

3.2 高寒地區(qū)混凝土施工技術(shù)

3.2.1 材料抗凍施工措施

為施工現(xiàn)場(chǎng)的混凝土設(shè)計(jì)配合比時(shí)，需要考慮高寒地區(qū)的特殊性，無(wú)論是在噴射中的混凝土還是在襯砌中的混凝土，都需要提高對(duì)應(yīng)的減水劑比例，或使用更高效的減水劑，同時(shí)降低水灰比，使配比中只有水能夠充分產(chǎn)生水化作用，減少自由水的含量，通過(guò)這樣的方式可得到含可凍水少甚至沒(méi)有可凍水的構(gòu)件。

選用吸水能力弱的粗骨料，減少由于粗骨料吸水所帶來(lái)的可凍水，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)粗骨料的篩選，提高混凝土的抗凍能力。

3.2.2 混凝土冬季施工技術(shù)措施

對(duì)混凝土的原料及時(shí)進(jìn)行保溫處理，原料運(yùn)輸?shù)绞┕^(qū)域就需要進(jìn)行保溫[6]。對(duì)施工中所需要的砂石、碎石等粗骨料進(jìn)行封閉存儲(chǔ)處理，防止外部冷空氣侵入。為滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與耐用性的需求，存儲(chǔ)棚使用鋼結(jié)構(gòu)屋頂，使用保溫材料對(duì)封閉門進(jìn)行處理。同時(shí)在拌合過(guò)程中要防止冰雪等物質(zhì)落入拌合機(jī)中影響工程質(zhì)量[7]。

在運(yùn)輸軌道上建設(shè)暖棚，對(duì)混合料進(jìn)行預(yù)熱處理，使混合料在運(yùn)輸過(guò)程中具有一定的初始溫度，而初始的預(yù)熱溫度需要結(jié)合當(dāng)?shù)貧鉁嘏c材料傳熱系數(shù)確定。冬季施工時(shí)，水的加熱與混合料的加熱情況類似，也需要結(jié)合混合料的情況具體決定，但一般不超過(guò)80 ℃，同時(shí)由于水泥不能直接和高溫水接觸，會(huì)破壞其一定性能指標(biāo)，因此在高寒地區(qū)攪拌混凝土過(guò)程中，需要對(duì)混合料的填入順序進(jìn)行一定的調(diào)整，將水泥的投放順序移到最后，此時(shí)混合料的溫度已經(jīng)在拌合過(guò)程中得到降低，同時(shí)整體的拌合時(shí)間需要延長(zhǎng)50%，使混合料得到充分?jǐn)嚢琛?/p>

在高寒地區(qū)運(yùn)輸混凝土?xí)r也需要進(jìn)行預(yù)熱處理，在運(yùn)輸開(kāi)始前需對(duì)運(yùn)輸車內(nèi)部進(jìn)行加熱，同時(shí)對(duì)外部進(jìn)行隔熱處理。具體的施工方式為在罐中灌入熱水，通過(guò)熱水對(duì)罐的內(nèi)壁加熱，在罐外裝隔熱材料，一般為保證經(jīng)濟(jì)性選擇用棉氈包裹。此外，在運(yùn)輸過(guò)程中需要對(duì)運(yùn)輸路徑進(jìn)行規(guī)劃，提高整個(gè)運(yùn)輸?shù)牧鲿承?，降低運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生堵塞的可能性，提高運(yùn)輸效率，防止溫度降低[8]。

施工過(guò)程中要保證施工現(xiàn)場(chǎng)的溫度，在隧道內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的加溫爐進(jìn)行加溫，通常每40 m 設(shè)置1 個(gè)加溫爐。同時(shí)需在洞口設(shè)置門簾，阻止洞外的冷風(fēng)進(jìn)入影響洞內(nèi)溫度，降低加熱效率。

為了最大程度降低混凝土的空隙率，需在混凝土施工中提高混凝土的密實(shí)度。因此在施工過(guò)程中需要加強(qiáng)振搗，使用功率更大的振搗器械或提高振搗的時(shí)間，提高密實(shí)度的目的在于減少毛細(xì)孔的聚集，使混凝土具有更好的耐久性與抗凍性[9]。

除了對(duì)混凝土的整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行保溫處理，還要對(duì)混凝土溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查，按照規(guī)范要求，建立更加完善的測(cè)溫制度，通過(guò)實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)能夠更加直觀地觀察出整個(gè)保溫加溫系統(tǒng)運(yùn)行效果是否與預(yù)期相符。若出現(xiàn)與預(yù)期不符的情況，也可根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)?shù)貐^(qū)溫度超出施工機(jī)械的正常施工溫度時(shí)，需對(duì)施工機(jī)械進(jìn)行保溫處理；由于空壓機(jī)中存在循環(huán)系統(tǒng)，若循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)水在低溫環(huán)境下結(jié)冰，會(huì)使施工機(jī)械無(wú)法正常工作，從而影響整個(gè)施工進(jìn)程。因此需要為空壓機(jī)設(shè)置專用的保溫棚，保證空壓機(jī)閑置時(shí)溫度保持在0 ℃以上。

隧道施工時(shí)會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生一定的水壓差，導(dǎo)致隧道在施工過(guò)程中出現(xiàn)滲水等情況。而在高寒地區(qū)，滲水破壞會(huì)進(jìn)一步發(fā)展為凍害，因此在隧道的施工過(guò)程中做好防水工作是非常有必要的。防水設(shè)施需要嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證它能夠滿足施工要求。

3.3 墊層施工

施工前將墊層施工所需要的電路、運(yùn)輸軌道等布置完成。電路與運(yùn)輸軌道布置要細(xì)致、完善，按照規(guī)范要求進(jìn)行。

使用電力驅(qū)動(dòng)的車輛沿施工前期準(zhǔn)備好的運(yùn)輸?shù)缆穼⑹┕げ牧线\(yùn)輸?shù)街付ù鎯?chǔ)位置。存儲(chǔ)位置要選擇周圍環(huán)境穩(wěn)定的區(qū)域，遠(yuǎn)離排水溝等設(shè)備，保證材料的穩(wěn)定性。

根據(jù)工作面的尺寸選擇建設(shè)施工中需要的腳手架與滑道等。加強(qiáng)整個(gè)施工平臺(tái)的安全設(shè)施設(shè)置，在工作臺(tái)上裝置防護(hù)網(wǎng)，防止在施工過(guò)程中出現(xiàn)失足跌落的情況。為保證整個(gè)施工高效進(jìn)行，需要嚴(yán)格控制腳手架、滑道等施工設(shè)施的安裝時(shí)間，一般控制在1.5 h 內(nèi)。

在鋼板組裝的施工中采取由兩側(cè)向中間進(jìn)行的順序，形成整個(gè)環(huán)形布置。先將波紋鋼放置在隧道的側(cè)壁上，使用化學(xué)錨栓進(jìn)行錨定，然后重復(fù)上述工作，將整個(gè)墊層的鋼板層組裝完成。將事先準(zhǔn)備好的隔熱材料裝配到高壓澆注機(jī)中，并移動(dòng)到隧道一側(cè)底部，將澆筑管放置在事先預(yù)留的間隙中，依次對(duì)間隙進(jìn)行填充。

4 結(jié)束語(yǔ)

以H12 中俄和代隧道為項(xiàng)目依托，對(duì)高寒地區(qū)的隧道施工建設(shè)進(jìn)行研究，探究隧道施工在高寒地區(qū)的難點(diǎn)，同時(shí)對(duì)混凝土凍害形成的原理進(jìn)行分析，指出影響凍害問(wèn)題的關(guān)鍵因素，表明在施工過(guò)程中減少凍害的關(guān)鍵措施。根據(jù)研究結(jié)果，對(duì)混凝土施工與墊層施工提出具體的工程措施，為類似的施工情況提供一定的參考價(jià)值。