高原严寒地区隧道冬期混凝土施工工法

高原严寒地区隧道冬期混凝土施工工法

中铁隧道集团有限公司第一工程处：王兴彬曹红彬韩敬忠裴志民

一、前言

“高原严寒地区隧道混凝土施工工法”，是在海拔3400米、每年冬期长达8个月、长度4446米的鹧鸪山隧道施工中创立的一种高原严寒地区隧道混凝土冬期施工方法。该工法在充分调研我国北方地区冬季混凝土施工经验的基础上，对混凝土配合比和外加剂的种类及掺量进行多次比选，优化防寒保温措施和养护期间防冻措施而形成。

该工法在鹧鸪山隧道取得了较好效果。建设工期提前6个月，混凝土质量达到优良，抗冻融指标符合国家标准，也降低了成本。

运用本工法进行的鹧鸪山隧道混凝土冬期施工抗防冻QC成果获得中铁隧道集团2003年度QC 成果一等奖。

二、工法特点

本工法针对高原严寒地区隧道冬期二次衬砌混凝土和喷射混凝土施工抗冻研发，它具有以下特点。

1、加快施工进度

在洞内温度不低于－20℃、洞外温度不低于－30℃的条件下，衬砌混凝土和喷射混凝土可不间断施工，从而加快进度、缩短工期。

2、降低喷射混凝土的回弹量

在负温条件下，缩短初终凝时间、提高早期强度、喷射混凝土快速凝结硬化，降低回弹量。

3、提高衬砌混凝土抗冻融性能

在不增加水泥用量的情况下，保证混凝土200次冻融循环的强度损失值不大于15％。

4、节约能耗和材料

在－15℃条件下，无需蒸汽养护而可在36小时拆模，降低能耗；负温条件下不需增加水泥用量，从而节约材料和降低成本。

5、现场可操作性强

加热保温设施一次安装到位，养护保温材料及设施轻便易移动，操作技术简便、操作人员易懂易掌握。

三、适用范围

本工法适用于海拔3000米以上，冬期温度不低于－30℃（洞内温度不低于－20℃）的隧道衬砌混凝土和喷射混凝土施工，也可用于低海拔地区冬季隧道混凝土施工。

四、工法原理及关键技术

（一）、工法原理

隧道衬砌混凝土冻伤机理主要有两种：施工过程、终凝前冻伤和养护期间冻伤，它们都是由于水分的迁移并导致水分重分布和冰晶造成。后者破坏程度更大，且解冻后基本无恢复性；前者解冻后强度虽有一定的恢复，但损失仍很大。

喷射混凝土在低温条件下除可能发生类似衬砌混凝土冻伤外，由于凝结硬化速度慢，还将大大增加回弹量。

根据破坏机理确定本工法原理：

1、选用水化热较高（增加蓄热量）、具有早强性能、标号不低于32.5R的普通硅酸盐水泥，以提高早期强度。

2、掺加外加剂，改善混凝土（含喷混凝土）性能。衬砌混凝土选择防冻性能好（降低水分冰点温度能力强）、减水率高（减少拌和用水量，从而减少混凝土中的游离水分迁移）、早强效果好（短

时间内使混凝土达到抗冻临界强度5Mpa以上），可以有效防止混凝土冻伤。

喷射混凝土掺加STC—超早强抗冻粘稠剂，可在－20℃下5～10分钟凝结硬化，快速达到抗冻临界强度（5Mpa以上）。

3、预热拌和用水，提高混凝土的入模温度，加快砼入模后水泥水化放热反应，促进混凝土的凝结硬化速度，尽快达到抗冻临界强度（5Mpa以上）。

4、预热集料，防止集料夹裹冰膜雪块，提高混凝土熟料温度。

5、密封混凝土运输容器并包裹保温垫，防止熟料在运输过程中热量散失而降低入模温度。

6、模板表面敷设石棉电热毡，保证混凝土凝结硬化温度，防止水结晶冻伤混凝土。

7、适当延长模养时间。

（二）、关键技术

1、原材料的选取及其防寒保温措施的确定。

2、D200抗冻混凝土及负温条件下喷射混凝土的配合比设计。

3、衬砌混凝土复合防冻剂和喷射混凝土粘稠剂的种类选择和掺量研究。

4、冬期施工防寒防冻技术（包括材料加热保温、施工方法、运输方法、施工过程的防寒保温技术和养护期间的防冻技术）。

五、施工工艺

（一）、《喷射混凝土冬期施工工艺流程框图》见图1

（二）、《衬砌混凝土冬期施工工艺流程框图》见图2

（三）、拌和站加热保温措施（如图3）

（四）、工艺特点

1、合理选择外加剂种类和掺量

外加剂的种类和掺量对工程监理质量、工程进度和本工法的实施效果都起决定性作用，是本工法的关键。监理工程师论坛/

衬砌混凝土：必须选择减水率高、早强效果好、降低冰点能力强的复合防冻剂，同时根据不同时段的温度确定不同的掺量。掺量不大于说明书和试验值。一般采用：负温防冻剂—I型、JA—1型复合防冻剂、GM型防冻剂、HZ—6型防冻剂，它们的最大掺量不大于水泥量的5％。

喷射混凝土：选择超早强抗冻型STC粘稠剂，在喷嘴处加入，严禁提前掺加在混凝土混合料中。

2、原材料必须预热保温

采用燃油型热风机提前预热砂、碎石，预热温度由设计熟料出机温度（不小于＋7℃）经热功计算确定，但不宜低于＋5℃，也不宜高于＋40℃。

水预热是混凝土冬期施工的关键工序。衬砌混凝土采用蒸汽锅炉预热，温度由热功计算确定，

但不宜高于＋60℃。喷砼用水采用10KW左右的电热水器现场预热，温度控制在＋30℃左右。

3、加强施工过程和预养期间的防冻

提高混凝土出机温度、运输容器敷设保温材料、浇注现场防风、混凝土熟料尽快入模，防止热量散失，保证入模温度不低于＋5℃。

养护期间防冻非常关键，若混凝土受冻，解冻后混凝土强度基本无恢复性。主要措施：尽可能提高环境温度、模板外敷设石棉电热毡、延长模养时间、混凝土未达到抗冻临界强度（5Mpa以上）前不得拆模。

4、严格控制水灰比

水灰比不宜大于0.5，最高不超过0.55，防止过多游离水结冰膨胀破坏混凝土。

5、增加密实度

加强捣固（二次衬砌采用附着式振捣器和插入式振捣器捣固），必要时掺加混凝土密实剂，从而增加混凝土的密实度，减少毛细孔，防止毛细孔积水、透水结冰膨胀破坏混凝土。

6、做好衬砌防排水工作

根据地下水出露情况，设置排水盲沟；衬砌背后设置防水板；衬砌混凝土防渗标号≦S6，必要时掺加防水剂；防止地下水渗入而结冰膨胀破坏混凝土。

7、外加剂性能必须满足下列要求：

防冻剂：0～－20℃能防冻；减水率≥8％；3天强度提高20％以上；含气量1～3％；泌水率≤95％；对钢筋无锈蚀；掺量≤5％。

粘稠剂：0～－20℃能防冻；粘稠成分1～3％；速凝成分2～5％；早强成分1～4％；掺量≤10％；R1d≥5Mpa；初凝时间≤4min。

8、精心选择配合比

混凝土的配合比直接影响混凝土抗冻性能和质量，也影响工程成本。经现场实验，建议采用表1所列的配合比。

表1 高寒地区冬期混凝土配合比参数表

9、混凝土搅拌

延长拌合时间，强制式搅拌机拌合不少于2.0分钟。

10、混凝土浇筑

混凝土在灌注中分层（分层厚度控制在20cm）连续浇筑，每层的振捣至无气泡，表面冒浆不下沉为止。