寒区隧道施工初期支护防护技术

寒区隧道施工初期支护防护技术

王建平

中铁十二局集团第一工程有限公司西安710038

摘要：在岩土工程和地下工程中，喷射混凝土在掘进和开挖过程中不仅被作为辅助支护手段，而且被作为结构的主要支护手段，成为工程中的永久性支护，发挥着极其重要的作用。然而，在寒冷地区，喷射混凝土会在冻融循环作用下产生损伤劣化，对其结构的耐久性产生影响。本文从寒区隧道初期支护混凝土破坏机理、结合季节性冻土地区隧道温度场分步规律的调查分析，提出了寒区隧道喷射混凝土初期支护在施工期的防冻保护措施，为今后类似地区隧道工程施工提供一点借鉴。

关键词：寒区隧道；初期支护；防护技术

1引言

在寒冷地区，随着气温的正负交替变化，会在岩土结构一定范围内出现反复冻融循环的情况，影响范围最深可达到3m。尤其在季节性冻土地区，气温的正负交替现象非常频繁，有些地区的岩土冻融循环次数甚至每年就要达到上百次。因此，直接暴露在自然环境中的喷射混凝土，或者一定深度范围内的喷射混凝土，会受到寒冷气温的影响。喷射混凝土中赋存的孔隙水会在气温正负交替变化下冻结、融化，从而引起喷射混凝土微观损伤、冻胀碎裂以及破坏失稳。

2初支混凝土破坏机理分析

目前，国内外对于喷射混凝土抗冻耐久性研究成果甚少[1-5]，主要是由于喷射混凝土起步较晚，而且人们对其抗冻耐久性的重视不够。人们经常将混凝土的抗冻性应用到喷射混凝土当中，用混凝土的冻融损伤机理解释喷射混凝土的冻融损伤问题。

2.1混凝土冻害分类

混凝土是以水泥为胶结材料，以天然砂、石为骨料，加水拌合，经浇筑成型、凝结硬化形成的固体材料。从加水搅拌时起，水泥便开始进行水化反应，随着水化反应的发展，结晶产物逐渐形成，混凝土从塑性状态向刚性状态转化。从初凝开始到终凝结束，是水化反应的主要阶段，终凝以前的混凝土称为新拌混凝土，终凝以后的混凝土称为硬化混凝土。水泥的充分水化是一个漫长的过程，随着时间的推移，反应速度逐渐减慢。

2.1.4施工及养护措施等其他因素

施工及养护阶段的保温措施对混凝土的冻害也有很大的影响。采取有效措施保证混凝土的水化在正温下进行，防止新拌混凝土以及硬化后混凝土受冻，便能有效防止或减轻冻害的产生。

2.2隧道混凝土冻害产生的基本因素

隧道混凝土冻害的产生是多种因素的单独或共同作用的结果，其基本因素归结起来主要有以下几个方面[9]：

2.2.1温度因素

温度因素是寒区隧道混凝土冻害产生的基本因素之一。在寒冷地区，特别是高纬度或高海拔地区，其冬季期长，极端最低气温可达零下四五十度，年温差及日温差均很大。在高纬度或高海拔地区进行隧道混凝土工程的建设时，混凝土除了可能在施工期间受冻形成冻害外，还可能会在冬冻春融的冻融循环作用下遭受进一步的冻害。

2.2.3混凝土内部孔隙结构因素

混凝土是一种多孔性材料，它在硬化中和硬化后会形成许多大小和形状均不相同的孔隙以及相互连通的毛细通道。孔隙的大小以及孔隙的分布情况给混凝土造成的冻害也是不一样的，大孔隙中的水最先冻结，水变成冰体积膨胀产生膨胀压力，小孔隙的水不易冻结，造成水分的迁移而产生渗透压力。因此，在混凝土中形成均匀分布且互不连通的微小孔隙有利于混凝土的抗冻。

造成混凝土冻融破坏的三个要素有：水、环境温度和刚性骨架对水结冰后的约束，三者缺一不可。非饱水状态下的混凝土，毛细孔中的水结冰并不至于使混凝土内部结构遭到严重破坏，因为混凝土中除了毛细孔之外，还有一些水泥水化后形成的胶凝孔和其他原因形成的非毛细孔，这些孔隙中常混有空气。因此，当毛细孔中的水结冰膨胀时，将一部分未结冰的水挤入胶凝孔中，对混凝土的冻融破坏起缓冲作用，从而减小膨胀压力，避免混凝土内部结构破坏。处于饱水状态的混凝土，毛细孔中的水结冰时，胶凝孔中的水处于过冷状态，因为混凝土孔隙中水的冰点随孔径的减小而降低，胶凝孔中形成冰核的温度在-78℃以下，胶凝孔中处于过冷状态的水分子因其蒸汽压高于同温度下冰的蒸汽压而向压力毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。此外胶凝水向毛细孔渗透的结果必然使毛细孔中的冰体积进一步膨胀。由此可见，处于饱水状态的混凝土受冻时，其毛细孔壁同时承受膨胀压和渗透压两种压力，当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时混凝土就会开裂。在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝会互相贯通，其强度也会逐渐降低，最后甚至完全丧失，使混凝土由表及里遭受破坏。

3寒区隧道初期支护防护技术措施

初期支护是永久性支护结构，承载了隧道的全部荷载，然而在寒冷地区常常会出现初期支护损坏劣化，导致二次衬砌出现开裂、破损，甚至使整个隧道面临重新整修的现象。如何在寒冷地区进行初期支护施工，如何保证初期支护不出现损伤劣化是一个值得商榷的问题。然而到目前为止，并没有文献明确指出如何对初期支护进行防护。因此，结合部分寒区隧道初期支护的防护措施和其它已建隧道的成功经验，对喷射混凝土初期支护在施工期的防冻保护措施进行总结和分析。

3.1采用耐低温喷射混凝土技术

原材料加温：水泥和外加剂储存在保温库房内，平时对砂石用棉被进行覆盖，搅拌前利用蒸汽或地炉对砂石进行加热，加热温度控制在16~30℃；施工用水用锅炉加热到50~70℃。

原材料的选择：水泥采用不低于32.5MPa的硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥。骨料选用级配良好、清洁、非碱活性、质地坚硬的砂石，砂选用中砂或粗砂。

外加剂：混凝土在低温环境下施工，面临的主要问题就是水冻结成冰，导致混凝土的强度下降，因此在施工时采取的主要措施就是防止混凝土中的水冻结。在实际中采取的主要措施就是在混凝土中添加外加剂，使混凝土中水的冰点降低。外加剂主要有防冻剂、减水剂、早强剂。防冻剂比如大坂山隧道中采用的MNC-C型混凝土防冻剂[10]，该防冻剂由减水、早强、引气、防冻等组分复合而成，抗冻害能力强，对混凝土的施工性能改善明显。

在混凝土搅拌时加入一定量的UEA型混凝土膨胀剂，从而提高混凝土的密实性，减少混凝土干缩裂缝，提高抗裂性和抗渗性。

混凝土的搅拌：在搅拌站处修建保温棚，搅拌站尽量设在洞口附近，以减少运输车在运输过程中的热量损失，当洞内开挖一定距离后，可以将搅拌站移入洞内，从而保证混凝土的入模温度。搅拌前，进行反复试验，确定混凝土的最佳水灰比，以保证坍落度、保水性、泌水性、抗渗性等都符合要求。一般水泥用量为380~470Kg/m3，砂率为45%~55%。混凝土搅拌时，先对加热的骨料和水泥进行搅拌均匀，然后再加水搅拌，以减少热量损失。搅拌时间可以适当加长，一般控制在3min。

混凝土的运输：混凝土运输车在运输过程中，车上设置厚5cm的木板保温层，表面覆盖篷布，保证混凝土在运输过程中热量损失较少。

混凝土的喷射和保养：喷射混凝土的强度等级不小于C25，为了保障材料的抗冻耐久性，必须采用湿喷工艺。混凝土喷射时采取分段、分块喷射，先喷射边墙，后拱脚和拱腰，最后喷射拱顶的原则进行喷射。喷射距离不宜过远或过近，以距喷射面0.6~0.9m为宜。喷射平整面时，喷嘴与平整面垂直。喷射面不平整时，先找平，以保持喷射混凝土的均匀性。

4结束语

寒区隧道喷射混凝土容易在冻融循环作用下产生损伤劣化，对其结构的耐久性产生严重的影响，通过采用耐低温喷射混凝土技术、设置防寒保温门和空气幕、对隧道围岩注浆堵水、火炉加热或电加热法等措施，可以取得很好的效果。

参考文献：

[1]程良奎，李象范.岩土锚固•土钉•喷射混凝土—原理、设计与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2008：595-641.

[2]罗彦斌.寒区隧道冻害等级划分及防治技术研究[D].北京：北京交通大学博士论文，2010