張乾

摘 要：在隧道工程中，根據當前的設計理念，噴射混凝土是一種永久性支護措施，而二次襯砌只是安全儲備。然而，在寒冷地區(qū)，在反復凍融作用下，初期支護會出現(xiàn)損傷劣化現(xiàn)象，隧道的全部荷載將會轉移到二次襯砌上。二次襯砌結構在荷載作用下會產生開裂，甚至失穩(wěn)，造成更嚴重的凍害現(xiàn)象，隧道工程的安全將受到嚴重威脅。因此，有必要對噴射混凝土初期支護在施工期的防凍保護措施進行分析和研究。

關鍵詞：鐵路隧道；初期支護；防護技術

1.初期支護混凝土破壞機理分析

目前，關于噴射混凝土抗凍耐久性研究成果較少口，而關于混凝土的抗凍耐久性已有很多人研究。因此，在研究噴射混凝土的凍融損傷問題時常常借鑒混凝土的凍融損傷機理。

混凝土的凍融損傷必須具有三個因素：一是環(huán)境溫度有正負變換；二是混凝土內部含有一定數量的水；三是混凝土內部孔隙結構?；炷恋膬鋈趽p傷是這三種因素共同作用的結果。關于混凝土的凍融損傷機理，研究成果概括起來主要有吸附水理論、臨界飽和理論、靜水壓理論、滲透壓理論等。雖然各國學者對混凝土的凍融損傷機理進行了很多研究，可是一直到現(xiàn)在，還不是很明確。因此，也有學者提出混凝土的凍融損傷機理是幾個機理的共同作用結果。

2.季節(jié)性凍土隧道溫度場分布規(guī)律調查分析

2.1溫度場分布規(guī)律的影響因素

影響季節(jié)性凍土隧道溫度場分布規(guī)律的因素很多，主要可以概括為6點：（1）洞外氣溫即隧址區(qū)環(huán)境溫度對洞內溫度變化規(guī)律的影響。一般洞外氣溫高，洞內氣溫則高，反之則低。（2）隧道進出口洞門的高低、日照條件、主導風向的不同都會對洞內氣溫產生影響。一般高洞口比低洞口氣溫高，朝陽洞口比朝陰洞口氣溫高，向風洞口比被風洞口氣溫低。（3）隧道的長短。（4）隧道內空氣流速的影響。（5）設置保溫層、防寒門等防寒措施的影響。保溫層對圍巖和隧道內空氣之間的熱交換進行限制，阻止寒冷空氣的入侵，使保溫層內側溫度變化梯度大于外側，且兩側存在較大溫差。防寒門改變了洞內外的氣流交換條件，使進洞后的負溫段顯著縮短。（6）隧道內溫度分布還與地溫、圍巖的巖性、含水量的大小、斷面形式、剖面形式、設計和施工方法、支護形式等有關。

2.2季節(jié)性凍土隧道溫度沿隧道縱向的分布規(guī)律

為了觀測洞內外氣溫動態(tài)，許多學者對溫度沿隧道縱向的分布規(guī)律進行了研究，方法通常是在隧道洞內邊墻上按一定間隔布設溫度元器件，并定時對數據進行觀測和分析。初期由于測試的隧道長度短于1km或由于測試時間過短，并沒有準確得出溫度沿縱向的分布規(guī)律，往往得出距離洞口越遠，圍巖溫度越高，隧道洞內氣溫也相應提高的結論，并沒有考慮氣溫分布在長短隧道、暖季和寒季時的區(qū)別。因此此次選取典型隧道對溫度場的分布規(guī)律進行總結分析。通過對多座寒區(qū)隧道的氣溫變化規(guī)律進行調查分析，歸納出季節(jié)性凍土隧道的縱向溫度一般變化規(guī)律。

2.3季節(jié)性凍土隧道圍巖沿徑向和縱向的分布規(guī)律

（1）同一斷面不同部位圍巖溫度分布規(guī)律

由于不同地質條件和隧道埋深的影響，不同隧道處拱頂、邊墻、拱腰的溫度分布規(guī)律不同。但是對于不同埋深，各部位出現(xiàn)負溫的時間有一定規(guī)律而言。對于隧道淺埋段，由于圍巖既受到外界環(huán)境溫度的作用，又受到隧道內空氣的作用，因此各部位出現(xiàn)負溫和正溫的時間是同步的。而對于深埋段，外界環(huán)境溫度對隧道內溫度分布規(guī)律幾乎可以忽略。因此，暖季時，聚集在隧道上方的熱空氣使拱頂先融化，寒季時地面最后出現(xiàn)凍結現(xiàn)象。

（2）不同斷面圍巖溫度分布規(guī)律

二次襯砌內溫度值變化較大，圍巖內的溫度變化相對平緩。圍巖溫度在徑向一定范圍內，沿深度的變化基本呈線型變化趨勢。在不同季節(jié)時，圍巖溫度沿埋深的變化規(guī)律不同，在寒季時，圍巖溫度逐漸上升，在暖季時則相反。圍巖溫度的變化隨時間呈正弦函數分布，其中年平均溫度和溫度振幅沿徑向隨深度的變化可以擬合呈指數函數。圍巖溫度是和季節(jié)同步變化的。圍巖和襯砌表面溫度沿隧道縱向近似呈拋物線分布。

隧道內各斷面的凍結深度可以表示為隨縱向長度變化的拋物線，圍巖的洞外凍深大于洞內凍深。在進出口洞門附近，圍巖的凍結深度變化幅度較大，洞中段則相反。這主要由于洞門段隧道埋深較淺，不僅受到隧道內空氣的作用，還受到隧道上邊界空氣氣溫的影響。并且季節(jié)性隧道的凍結深度均大于襯砌厚度，即對二襯和初襯研究其抗凍措施是必要的。

3.寒區(qū)隧道初期支護防護技術總結

3.1采用耐低溫噴射混凝土技術

原材料加溫：水泥和外加劑不可放在室外，應儲存在保溫庫房內；平時對砂石用棉被進行覆蓋，攪拌前利用蒸汽或地爐對砂石進行加熱，加熱溫度控制在16～30℃；施工用水用鍋爐加熱到50～70℃。原材料的選擇：選用抗凍性較好的硅酸鹽水泥或者普通硅酸鹽水泥，并且強度高于32.5Mpa。骨料選用級配良好、質地堅硬的砂石，砂采用中砂或粗砂。外加劑：混凝土在低溫環(huán)境下施工，面臨的主要問題就是水的凍結，導致混凝土內部產生裂縫，達不到設計強度，因此在施工時采取的主要措施就是防止混凝土中的水凍結。在實際中采取的主要措施就是在混凝土中添加外加劑，使混凝土中水的冰點降低。外加劑主要有防凍劑、減水劑、早強劑。防凍劑比如大坂山隧道中采用的MNC-C型混凝土防凍劑，該防凍劑有幾種組分復合而成，抗凍害能力強，對混凝土的施工性能改善明顯?；炷恋倪\輸：混凝土運輸車在運輸過程中，為了減少熱量損失，在運輸車上鋪設一定厚度保溫層并在表面覆蓋一層篷布?；炷恋膰娚浜捅ｐB(yǎng)：噴射混凝土的強度等級不小于C25，為了使材料的抗凍耐久性達到要求，必須采用濕噴工藝?；炷羾娚鋾r采取分段噴射、分塊噴射的原則。噴射時采取先噴射邊墻，噴射完成后再噴射拱腳和拱腰，最后噴射拱頂部位的方法。噴射距離不宜過遠或過近，根據濕噴機性能和噴射部位確定合理距離。噴射平整面時，噴嘴與平整面垂直。噴射面不平整時，先找平，以保持噴射混凝土的均勻性。

3.2設置防寒保溫門、空氣幕

防寒門防凍效果明顯，在多座隧道中采用，但是對于車流量比較大的隧道，頻繁地開啟防寒門必然影響其保溫效果，其技術需要繼續(xù)改進?？諝饽槐胤ㄔ眍愃朴诒馗魺釋印？諝饽恢饕抢每諝獾牡蛯嵝阅?，阻止外界冷氣流進入洞內，減少隧道內溫度與外界溫度的熱交換，使洞內保持較高溫度，從而緩解圍巖的凍脹作用?？諝饽慌c防寒保溫門相比，不影響車輛的運行，管理工作簡單，安裝維修簡單?？諝饽患夹g已經相當成熟，在車站、廠房、賓館等地方廣泛使用，但是在隧道中并沒有先例，需要在實踐中繼續(xù)考驗其可行性。

3.3圍巖注漿堵水

圍巖注漿是從洞內向圍巖內注入漿液以填充圍巖之間的裂隙，封堵水流通道，在初期支護外形成一道防水墻，防止地下水流向隧道的一種防凍措施。圍巖注漿可增強圍巖的穩(wěn)定性，防止圍巖發(fā)生滲漏作用，增大圍巖的強度，減小圍巖的凍脹性。同時圍巖經過注漿相當形成了一道拱圈，承受隧道上部的荷載，防止初期支護因受力過大而發(fā)生開裂等現(xiàn)象。注漿材料的選擇主要是選擇流動性好、可注性強、耐低溫、不污染環(huán)境、凝結時間容易控制的材料。但注漿堵水的缺點是耐久性效果不是很理想，注漿材料的選擇需要做比較深入的研究。

3.4火爐加熱、電加熱法

在初期支護施工過程中，為了防止混凝土發(fā)生凍結，在隧道內容易發(fā)生凍害的部位可以安放火爐加熱或采取電加熱法。火爐和電加熱法加熱防凍效果明顯，使洞內溫度保持在凍結溫度之上，避免噴錨混凝土在終凝之前或硬化后遭受凍結，同時也保障了隧道內停放機械的正常運行。在鐵路隧道施工過程中，采取了局部火爐加熱措施，起到了很好的防寒效果。（作者單位：中鐵十九局集團有限公司一公司）

參考文獻：

[1] 李占奎.寒區(qū)隧道拱墻鋪設防水保溫層施工方法.隧道建設，2012.