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)，材料特性會在寒冷條件下轉(zhuǎn)變，凍土施工尤為棘手，同時設(shè)備的使用也受到嚴寒環(huán)境的嚴重影響。針對低溫地帶隧道施工，本文著力探索核心技術(shù)的突破，以提升冬季作業(yè)效率。通過增強材料抗寒性、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踐中展現(xiàn)出顯著的實用性和高效性。

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

0"引言

寒冷地區(qū)開挖隧道，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)鍵點的全方位施工計劃，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)達標，進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)境對施工材料的影響

在寒冷地區(qū)進行隧道的冬季施工時會遭遇寒冷天氣的限制，尤其是對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，混凝土強度提升。水泥與水反應(yīng)是決定混凝土硬化的速度和強度的大小，反應(yīng)速率主要受水泥內(nèi)部溫度波動的制約。根據(jù)化學(xué)動力學(xué)該類反應(yīng)速率可以通過Arrhenius方程進行量化描述，該方程表達了反應(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，表示在無能量障礙情況下反應(yīng)的最大速率；Ea是活化能，即啟動反應(yīng)所需要的能量；R是氣體常數(shù)；T是絕對溫度。在低溫條件下絕對溫度T的降低導(dǎo)致指數(shù)項中的-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，從而對其初始強度增長產(chǎn)生影響，拖延了建設(shè)進度，提高了建造成本，并極有可能對工程品質(zhì)帶來不利后果。因此，在嚴寒地帶進行隧道冬季施工時，需通過優(yōu)化施工方法與調(diào)整原料配比，來克服低溫對混凝土水化反應(yīng)速度的減緩問題，讓混凝土在寒冷環(huán)境中也能正常凝固，達到設(shè)計規(guī)定的強度與耐久性需求，這是保證工程按期完工和品質(zhì)合格的難點所在［1］。

1.2"凍土、多年凍土的施工難點

寒冷地區(qū)隧道冬季施工時，凍土和長期凍土障礙，給施工帶來了較多考驗。鉆探爆破凍土層的難題增大，并且對設(shè)備的磨損也遠大于在非凍土條件下的作業(yè)。在凍土層的施工中，其多變性和堅硬的凍結(jié)層厚度常常帶來諸多挑戰(zhàn)。永凍土地質(zhì)因其長期處于凍結(jié)狀態(tài)而具備出色的堅固性和承重能力，但一旦被摧毀，修復(fù)和恢復(fù)將會變得十分困難［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，延長了混凝土強度的增長周期，進而阻礙了工程進度，并會導(dǎo)致后續(xù)工作受阻。針對該類挑戰(zhàn)，在施工過程中可以應(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加速熱量散失來升溫混凝土內(nèi)部，從而加強水泥的水化反應(yīng)，促進混凝土凝固速度［3］。水泥水化反應(yīng)的熱量釋放可以通過以下公式表示：

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)境下實現(xiàn)更快的硬化速度和強度發(fā)展。普通硅酸鹽水泥在剛開始凝結(jié)的時候吸熱約為260 J/kg·K，而某些特殊類型水泥的比熱容甚至可達350 J/kg·K或更高。該情況表明當?shù)戎亓康乃嘣馐芡鹊臏囟壬仙龝r，高水化熱水泥可以比普通水泥釋放出更多的熱量。在實際施工環(huán)境中，如一個摻有400kg水泥的混凝土構(gòu)件，24h內(nèi)可能會經(jīng)歷10℃的溫度上升。當使用水化反應(yīng)強烈的水泥時，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)，解決在低溫時混凝土凝固延緩的問題［4］。

2.1.2"骨料預(yù)熱技術(shù)

冬季隧道施工時，骨料預(yù)熱技術(shù)手段至關(guān)重要。該技術(shù)是通過對骨料加熱來提升混凝土的初溫，從而加快水化反應(yīng)的速度，縮短水泥達到預(yù)設(shè)強度所需的周期。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)速度會大大減慢，導(dǎo)致混凝土硬化和強度增長的速度變慢，從而影響到整個工程的進度和質(zhì)量。實施骨料預(yù)熱技術(shù)時，通過對建材原料進行升溫至規(guī)定溫度并融合多元因素，可顯著提升混凝土的初始溫度，增強其耐寒性能，并加速水泥硬化，從而促進初期強度的提升［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)被實踐證明為有效的技術(shù)方法。通過混入防凍劑使得混凝土的凝固點降至-5℃甚至更低溫，對于確?；炷猎谌艊篮鞖庀抡ＤY(jié)硬化具有決定性因素。在施工階段為了保證混凝土的長期性能不受影響，防凍液的比例通常不超過混凝土配比中2%以下。加入促硬成分可以明顯增強混凝土的初步強度，在施工后24h內(nèi)其承受力能增加20%～30%，可增強混凝土早期荷載適應(yīng)性，從而加快施工速度。早強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伍的作業(yè)條件和整個工程的安全保障。在隧道內(nèi)部進行混凝土鋪設(shè)時，為確?；炷猎谶m宜溫度下硬化且避免低溫干擾，建筑隊一般會采取燒煤取暖的方式，并部署兩個高效取暖裝置。該方案可保證洞內(nèi)的氣候穩(wěn)定適宜，并通過控制暖風(fēng)爐火力的輸出，嚴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混凝土硬化過程中理想溫度條件的科學(xué)分析和實踐經(jīng)驗中得出，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的鋼管腳手架進行加固，以此構(gòu)建一個密不透風(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，并能進一步增強洞內(nèi)保溫的效果［6］。

2.2.2"洞外保溫技術(shù)研究

在冬季嚴寒地區(qū)的隧道施工項目中，為應(yīng)對嚴寒對工程進度和建筑材料穩(wěn)定性帶來的挑戰(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拌合站運行的干擾。保暖措施一般是利用堅固的鐵管作為框架，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，從而營造出一個舒適穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境。然后以現(xiàn)有被動保溫系統(tǒng)為基礎(chǔ)，整合地?zé)豳Y源循環(huán)利用，再通過主動調(diào)節(jié)手段，以保障攪拌站溫度恒定。具體措施是在倉庫底部澆筑一層15cm厚的混凝土基礎(chǔ)，并安裝一個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內(nèi)部的溫度，還能確保儲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)（見圖1）。

2.2.3"料倉加熱保溫

料倉內(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)定運行和溫度均衡散布，機械設(shè)備在倉儲原料的根基層面鋪設(shè)了一層固態(tài)材料作為基礎(chǔ)?；炷聊坛尚秃螅o跟著進行精密鋼筋網(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。料倉空間容量影響升溫效率時，可調(diào)節(jié)管道內(nèi)水流，利用預(yù)熱水進行熱交換，從而有效傳遞熱量至料倉內(nèi)部，實現(xiàn)材料預(yù)熱目標［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)量與維護工程標準相輔相成，同時也是提升建設(shè)效率的關(guān)鍵。經(jīng)過深入研究和反復(fù)實踐，專家們基于溫度波動，創(chuàng)新研發(fā)出耐低溫的混凝土配比。這種配比不僅能確?；炷猎?20～-30℃的嚴寒條件下順利硬化，而且品質(zhì)經(jīng)久不衰，同時也兼顧了成本效益。針對極端低溫環(huán)境，對混凝土的配方進行了專項優(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行。

優(yōu)化后的配比不僅是基于理論計算，更是根據(jù)大量實驗和現(xiàn)場應(yīng)用的經(jīng)驗總結(jié)得出。選擇42.5R級硅酸鹽水泥進行混凝土配制，以優(yōu)化其初期強度增長、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，確保施工過程中的穩(wěn)定性，以及混凝土后期強度的持久性［8］。

2.4"溫度控制與澆筑操作

在低溫地區(qū)開展隧道工程，施工隊伍應(yīng)隨氣候變化而靈活變動混凝土配比，并采取必要的升溫保溫措施，以保證混凝土在嚴寒環(huán)境中仍能達到既定的強度與耐久性標準。當天氣變冷到-5℃時，為了加強混凝土的初期硬度，需要提高水泥的用量，并采取加熱和保溫措施。如使用保暖工具對混凝土施工區(qū)域進行升溫處理，需保持混凝土溫度在5℃以上，從而保證水分子的活動能正常進行。為確保溫度管理的有效性，必須實時監(jiān)控氣溫的波動和混凝土溫度變化。通過在關(guān)鍵節(jié)點部署溫度監(jiān)測設(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，需要增添取暖設(shè)備或提高供暖功率，以維護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，以保證項目按期進行。

3"結(jié)語

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)手段并付諸實踐，可有力保障工程質(zhì)量和工地安全。針對寒冷地區(qū)的氣候特點，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，采用高效的保溫措施，結(jié)合先進的施工與維護技術(shù)，形成綜合策略，可有效應(yīng)對低溫挑戰(zhàn)，從而顯著提升隧道冬期施工能力。

參考文獻：

［1］劉賡.嚴寒地區(qū)隧道防水保溫層施工應(yīng)用研究［J］.工程建設(shè)與設(shè)計，2023（23）：201-203.

［2］陳建勛，趙鵬宇，羅彥斌，等.寒冷地區(qū)隧道傳熱特征及溫度場演化規(guī)律現(xiàn)場試驗［J］.中國公路學(xué)報，2023，36（8）：190-203.

［3］趙鵬宇，黃解放，陳建勛，等.寒冷地區(qū)隧道防凍保溫層等效厚度計算方法誤差分析［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2023，40（4）：135-143.

［4］劉冠.寒冷地區(qū)鐵路隧道冬季施工保溫輔助技術(shù)［J］.工程機械與維修，2023（3）：246-248.

［5］秦明成.寒冷地區(qū)高鐵隧道冬期襯砌施工智能臺車技術(shù)［J］.國防交通工程與技術(shù)，2019，17（1）：78-80，73.

［6］孫國鵬，王彪，肖澤天.寒冷地區(qū)隧道冬期施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2016，45（24）：97-100.

［7］陳智坤.隧道混凝土冬期施工技術(shù)［J］.西部探礦工程，2005（11）：143-144.

［8］楊宏華.高寒地區(qū)隧道冬期施工防寒保溫技術(shù)措施［J］.山西建筑，2002（5）：59-61.