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

检查净空 集料预热 安装电热水箱

给 水 清洁受喷面 拌和干料 埋设厚度标志 砼喷射机准备 给 风 预热水

否 给料、粘稠剂 否 检查效果 是 施工作业 调整风压、水量、粘稠剂掺量

是否正常 是 结 束 喷 射 混 凝 土 冬 期 施 工 工 艺 流 程 框 图 图1

（二）、《衬砌混凝土冬期施工工艺流程框图》见图2

配合比设计 集料预热 加集料 水预热 防水板铺设

衬 砌 混 凝 土 冬 期 施 工 工 艺 流 程 框 图 图2 质量检查 是 结 束 否 分析原因 处 治 振 捣 电热养护 拆模 自然养护 强度大于抗冻临界强度 制作试件 现场养护 试 压 标 养 装车运输 否 检查砼温是 混凝土泵送入模 废 弃 输送泵准备 结构物报废 否 加水 台车定位 加水泥、加防冻剂 分析原因 搅 拌 否 测试熟料温度 模板表面敷设电热毡 检查中线、水平、净空 龄期强度试验否 抗冻融试验 抗渗试验 是 正常施工

(三)、拌和站加热保温措施（如图3）

砂料棚 碎石料棚（1～2cm） 碎石料棚（2～4cm）

热风机 热风机 热风机 临时 水泥 库 水泥 锅 炉 房 碎石（1～2cm）预热仓储量80m3 中（粗）砂预热仓 储量80m3 碎石（2～4cm）预热仓储量150m3 水泥、外加剂 粘稠剂及 速凝剂库 水泥库 防冻剂库 膨胀剂库 减水剂库

JS500强制式搅拌机 生产喷砼 JS1000强制式搅拌机 生产衬砌砼 储水箱 操作台 说明：1、加热保温仓和拌和机房均采用密封结构，墙体及屋面设泡沫保温层，保温仓采用卷帘门。 2 、砂、碎石风干存入料棚。 3、采用燃油型热风机提前预热料仓中的砂、碎石（数量以本次需用量为准）。 4、采用蒸汽锅炉预热水，并保持一定储量。 5、水泥存入库房，并用热风机保持正温，但不高于25℃。 拌 和 站 平 面 布 置 示 意 图 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。

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

温 度 组 成 材 料 －20～－15℃ －15～－10℃ －10～－5℃ －5~0℃ C：W：S：G:F C：W：S:G：F C：W：S:G：F C:W:S：G：F 1：0。5： 2.730：1：0.53：0。952：1：0。51：3.208：5。1：0。55：3。208：C10模注砼 4。653:0。045 5。03：0。04 46：0.035 5.46：0.02 1:0。5:1。974：3。1：0.56：2。261：1:0。56:2。287:3。1:0。 6:2.417：C20模注砼 比365:0。045 3。855：0。04 3：0.035 4.121:0。02 1：0。54:2。036：1:0。52:2。069：3。1：0.50：2。305：1：0.53：C25泵送砼 例 3.038：0。045 103:0。04 3.460： 0.035 2.435:3.634：0.02 1：0.4:1.71：1.71：1：0。45：2.00：2。1:0.45:2.051：1：0。 5：C20喷砼 0。09 00：0。08 2.051:0。06 2.216:2.216:0。04 271:136：740:1261：253：134：747： 235:120：754：235:129:754：1283：C10模注砼 12。2 1272:10。1 1283：8.2 4。7 31m348：174：310：174：701：310:174：709:1207：290： 174：7 01： C20模注砼 687:1171：15.7 1195：12。4 10。9 1195：5.8 用360：187:745：360:196：733：328：1:756：1135： 301：159：733：C25泵送砼 1094:16.2 1117： 14.4 11.5 1094:6。02 量 194：882：882：388: 194： 860：485：194：831：430：194：860:860：430：C20喷砼 831:43.7 34.4 25。8 860:15.5 C——32。5R普通硅酸盐水泥；W—-洁净水；S——中（粗）砂;G——碎石（或米石）；F—-HZ—6防冻剂（衬砌砼）或STC粘稠剂（喷砼）。 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。

六、机具配备

1、喷射混凝土机具配备（参见表2）

表2 喷 射 混 凝 土 机 具 配 备 表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 设备名称 空压机 混凝土喷射机 混凝土搅拌机 热风机 电热水器 管道增压泵 翻斗车 试验设备 温度计 规格型号 L—22/7-X PZ—5 JS500 天津蓝通 自制 ZL—50—L CA3102—4 单位 台 台 台 台 套 台 台 套 只 数量 3 3 1 3 1 3 1 1 3 备注

2、衬砌混凝土机具配备（参见表3）

表3 衬 砌 混 凝 土 机 具 配 备 表

序号 1 2 3 4 5 6 设备名称 衬砌台车 混凝土输送泵 混凝土搅拌机 插入式振捣器 附着式振捣器 蒸汽锅炉 规格型号 自制 HBT60 JS1000 50型 50型 LSC0。5-0。39—AⅢ 7 8 9 10 11 热风机 装载机 试验设备 混凝土输送车 温度计 天津蓝通 ZL50—C 6m3 WA380—3 台 台 套 台 只 3 1 1 3 3 单位 台 台 台 台 套 台 数量 1 1 2 3 8 2 备注

七、劳力组织

1、 喷射混凝土劳力组织（参见表4）

表4 喷 射 混 凝 土 劳 力 组 织 表 序号 1 2 3 4 5 工种 班长 喷砼工 喷砼司机 空压司机 电工 人数 1 3 2 3 1 序号 6 7 8 9 合计 工种 修理工 运输司机 拌和司机 普工 人数 1 1 1 6 19 2、衬砌混凝土劳力组织（参见表5）

表5 衬 砌 混 凝 土 劳 力 组 织 表

序号 1 2 3 4 5 6 工种 班长 台车司机 输送泵司机 拌和司机 输送车司机 木工 合 计 人数 1×3 1×3 1×3 1×3 3×3 4×3 序号 工种 7 8 9 10 11 12 混凝土工 防水工 司炉工 电工 修理工 普工 90人 人数 6×3 4×3 1×3 1×3 1×3 6×3 八、质量控制

(一)、质量目标

混凝土质量合格率100%，无冻伤,200次冻融循环强度损失值≯15％，－20℃条件下能正常生产而不发生混凝土冻伤事故.

（二）、原材料

1、水泥品种、规格、型号符合设计要求，严格按水泥储存和使用规则办理.入库防潮、防冰雪浸蚀和冻结.

2、碎石压碎指标8以内，级配良好，无杂质,泵送砼粒径＜4cm，喷砼粒径＜2cm，风干入库保存，防冰雪浸蚀，无冰膜雪块.

3、砂压碎指标8以内的中（粗）砂，细度模数25～3。2，无杂质，含泥量＜1%. 4、采用洁净中性水，PH值大于8.

5、防冻剂、粘稠剂性能、组分符合要求. (三)、配合比

混凝土（喷混凝土）配合比必须进行多次试配，选择最佳配合比。要求:水泥量＜450kg/m3；水灰比不宜大于0。5，最大不超过0。55;泵送混凝土坍落度14～16cm;强度满足设计值＋5Mpa；防水等级满足设计值且≥S6；200次冻融循环强度损失值≤15%;外加剂掺量满足防冻要求。

（四)、防冻保温措施

1、所有材料必须入库、入棚,防止冰雪浸蚀。

2、设置加热仓，使用前对集料预热,融化冰膜雪块。 3、安装锅炉预热拌和用水.

4、拌和站采取措施加热保温，保证混凝土生产场所温度≮＋5℃。

5、混凝土熟料运输必须采取保温措施.

6、混凝土浇注和养护过程采取措施保证混凝土工作温度。 7、设备和人员采取措施防寒，保证混凝土连续正常生产。 （五）、施工过程质量控制要点

1、密切与气象部门联系，预测施工期间的气温。 2、加强作用环境温度检测，便于采取措施。

3、砂、碎石水的预热温度必须根据作业环境温度和混凝土入模温度进行热功计算确定。 4、注意材料的预热温度控制,砂、碎石不大于＋40℃，水不大于＋60℃，严禁直接加热水泥. 5、严格投料顺序和搅拌时间。按照石子—砂—水泥—外加剂—水顺序投料，开盘前用热水冲洗拌和机;搅拌时间不小于3min。

6、严格控制熟料出机和入模温度，均不小于＋5℃. 7、入模前必须检测混凝土温度（应不小于＋5℃），检查是否有结冰或冻凝现象. 8、混凝土熟料出机后尽快浇注入模，防止热量散失。 9、混凝土未达到抗冻临界强度严禁拆模.

10、混凝土应进行抗压、抗渗、抗冻融试验，其中抗压应做R3、R7、R28三种试验. 11、若初凝前冻伤,应采取措施迅速解冻，降低标号使用；若初凝后冻伤，只能废弃。

九、安全措施

1、制定设备和施工工艺操作细则，按细则操作，坚持“三工”制（工前安全讲话、工中检查、工后总结）。

2、冬期寒冷，作业人员操作必须到位。

3、喷混凝土人员应佩戴防护面罩和防护塑胶手套. 4、蒸汽锅炉严格按压力容器管理和操作。

5、加强用电管理，防止触电，特别对电热管、电热毡要经常检查其绝缘性能。

十、经济技术分析

社会效益

本工法解决了严寒地区隧道冬期混凝土施工问题.在－30℃以内的高原严寒环境下，实现混凝土不间断施工，保证了进度和质量。本工法填补了高原严寒地区隧道冬期混凝土施工方法的空白.

经济效益

本工法简便易行,成本投入小，缩短工期，减少管理费，鹧鸪山隧道采用本工法比其他施工方法节约成本50万元。

十一、工程实例

国道317线鹧鸪山隧道地处川西高原，每年9月～次年4月为冬期，最低温度－31。1℃，最冷月平均温度－18℃，隧道长4446m,施工跨3个冬期。采用本工法使冬期施工正常进行，最冷月衬砌进度达120m/月，喷混凝土达130m/月。经试验，200次冻融循环强度损失值13.8％，最早衬砌的洞口混凝土已经历时2个冬期，未出现开裂、渗水等病害现象。

本工法在鹧鸪山应用,实现了开挖、喷混凝土、衬砌混凝土同步进行，冬期施工无间断,大大缩短了工期(其他严寒地区隧道在－15℃时，基本处于半停工状态,即只开挖)，共计缩短工期6个月。

实践证明,本工法是符合我国国情，既简便易行,又节省工期、节约成本的高原严寒地区隧道冬期施工的新工艺，具有很好的推广价值。