薛飛宇，趙賽輝，劉均利

（1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶市 400067；2.重慶建工市政交通工程有限責(zé)任公司，重慶市 400021；3.桂林理工大學(xué)，廣西　桂林 541004）

0　引言

隨著我國西部基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，西藏高寒地區(qū)公路也高速發(fā)展。截至2016年底，西藏地區(qū)公路總里程達到82 096 km，等級公路里程達71 992 km，占全區(qū)公路總里程的88%，比2011年等級公路38 910 km增長了85%；鋪裝路面里程18 378 km，比2011年8 723 km增長了近111%。青藏、川藏、滇藏、新藏四條主要進藏通道將全部實現(xiàn)黑色化，均達到三級及以上等級水平，國道109線青藏公路全線已達到二級公路水平。根據(jù)已經(jīng)實施的《國家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013—2030年）》和《西藏自治區(qū)省道網(wǎng)規(guī)劃（2016—2030年）》，西藏境內(nèi)的普通國道由5條增加至17條，總里程由5 618 km調(diào)增至1.46萬km；新的省道布局方案由8條快速路、9條北南縱線、3條東西橫線和20條聯(lián)絡(luò)線組成，規(guī)劃里程約18 018 km，比原省道6 332 km增加11 686 km。國省干線里程均增長了近3倍。

2017年5月，西藏自治區(qū)政府發(fā)布發(fā)展規(guī)劃[1]，明確要將國道公路高等級化，形成互聯(lián)互通的區(qū)內(nèi)和進出藏大通道，全面實施農(nóng)村公路精準(zhǔn)扶貧攻堅工程，加快邊防公路及邊境地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進程，構(gòu)建“多點鏈接、沿邊貫通”的邊防公路網(wǎng)絡(luò)。

西藏地區(qū)地處高原，受到藏中地震帶和喜馬拉雅地震帶的影響，造山運動[2]劇烈，由于第四紀冰川及地表徑流[3]沖刷嚴重，西藏大部分地區(qū)溝壑叢生、地形復(fù)雜，勢必需要大力發(fā)展橋梁。由于西藏高原水量豐富，地表層含水較多，加上高原特有的晝夜溫差大及季節(jié)溫差大，形成冬天的凍土層以及季節(jié)交替及晝夜交替的凍融循環(huán)現(xiàn)象。根據(jù)以往公路的建設(shè)經(jīng)驗及研究結(jié)果，橋梁凍融循環(huán)破壞問題是影響橋梁建設(shè)的重要影響因素。

1　混凝土凍融循環(huán)破壞機理

混凝土侵蝕破壞機理一般有凍融循環(huán)侵蝕、硫酸鹽侵蝕、氯鹽侵蝕等[4]。硫酸鹽侵蝕主要是高鹽地區(qū)硫酸鹽和混凝土反應(yīng)造成強度降低，氯鹽侵蝕一般發(fā)生在高氯鹽的海洋環(huán)境或鹽湖環(huán)境，而凍融循環(huán)侵蝕則發(fā)生在溫差較大、發(fā)生水環(huán)境結(jié)冰與融化交替的地區(qū)。西藏高原地區(qū)季節(jié)溫差大、晝夜溫差大，甚至在晝夜交替時也會發(fā)生水環(huán)境結(jié)冰與融化交替現(xiàn)象，加上西藏高原礦產(chǎn)豐富、鹽湖眾多，在高鹽區(qū)凍融循環(huán)侵蝕一般會伴隨硫酸鹽侵蝕和氯鹽侵蝕加劇現(xiàn)象。凍融循環(huán)對混凝土結(jié)構(gòu)帶來的損傷是不可逆的。侵蝕過程如下：

當(dāng)氣溫下降時，混凝土中的游離水及縫隙中的滲透水受凍結(jié)冰，由于水結(jié)冰的特性——體積膨脹，加上材料的約束作用，冰晶造成的壓力加大，材料細微縫隙被冰晶脹大；當(dāng)溫度上升時，冰晶融化，冰晶壓力消失，材料細微裂縫縮小。由于混凝土抗拉性差，加上材料劈裂的尖端效應(yīng)，溫度升高后混凝土裂縫不一定能恢復(fù)到原始狀態(tài)。經(jīng)過多次循環(huán)升溫—結(jié)冰—降溫—融化的凍融循環(huán)后，由于混凝土材料疲勞，材料內(nèi)部裂縫繼續(xù)發(fā)育，加上混凝土材料的親水性，裂縫擴大后滲透更多的外部水進入結(jié)構(gòu)體，再繼續(xù)凍融循環(huán)過程，裂縫繼續(xù)發(fā)育，并由表層向深層發(fā)展，引起混凝土結(jié)構(gòu)強度降低、耐久性下降，最后發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。部分高鹽地區(qū)地下水含有大量的硫酸鹽和氯鹽，通過裂縫加大和混凝土的接觸面，加劇了結(jié)構(gòu)材料劣化的速度。在結(jié)構(gòu)強度和耐久性下降到一定程度后，在外力和自身破壞的雙重作用下，構(gòu)件失效，造成重大安全事故。

2　凍融循環(huán)作用對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響

高原山區(qū)交通建設(shè)不但地處凍融循環(huán)地區(qū)，而且會穿越礦區(qū)及鹽湖，加劇混凝土凍融循環(huán)破壞作用，由此可知，凍融循環(huán)作用對高原山區(qū)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響顯著。

許玉琢等研究[5]表明，混凝土凍融循環(huán)累積損傷的損傷度是凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)，凍融循環(huán)次數(shù)增加，混凝土的相對動彈性模量損失率增加，C30相對C40和C50增加得快，指數(shù)模型與乘冪模型的選取根據(jù)擬合曲線的相關(guān)系數(shù)大的精度高，如圖1所示。研究表明凍融循環(huán)作用后混凝土力學(xué)性能衰減較快。

圖1　混凝土損傷度模型曲線

混凝土材料劣化及損傷是一個復(fù)雜而緩慢的化學(xué)和物理過程，影響高原山區(qū)混凝土橋梁耐久性的各因素是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的。凍融循環(huán)破壞造成高原山區(qū)混凝土橋梁耐久性失效的主要類型為混凝土裂縫破壞，裂縫破壞加劇了混凝土鹽類劣化程度，并把鋼筋等主要構(gòu)件暴露在外部腐蝕環(huán)境之中。循環(huán)往復(fù)，加速了結(jié)構(gòu)破壞的進程。

凍融循環(huán)破壞對高原山區(qū)混凝土橋梁耐久性的影響主要為對下部結(jié)構(gòu)的影響（見圖2）。橋梁的混凝土橋墩和樁基部分位置處于地表水或地下水結(jié)冰范圍，由于溫度變化，水面不斷往復(fù)發(fā)生結(jié)冰—融化的過程，造成混凝土凍融循環(huán)破壞。在西藏高原橋梁普查中，大部分處于凍融循環(huán)破壞區(qū)域的橋梁混凝土下部結(jié)構(gòu)，運營10年左右都會出現(xiàn)凍融循環(huán)破壞現(xiàn)象。

圖2　橋梁下部結(jié)構(gòu)凍融破壞圖

高原山區(qū)橋梁混凝土下部結(jié)構(gòu)的凍融循環(huán)破壞表現(xiàn)為裂縫加寬，表層混凝土脫落，鋼筋外露并銹蝕，結(jié)構(gòu)有效受力面積減小?；炷翗蚨占盎A(chǔ)的凍融循環(huán)破壞現(xiàn)象輕則降低承載力，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)隱患，重則構(gòu)件失效，達到屈服狀態(tài)，造成安全事故。

3　橋梁針對凍融的保護措施

針對凍融對結(jié)構(gòu)的破壞機理，西藏高原混凝土橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)做好應(yīng)對措施。目前應(yīng)對凍融現(xiàn)象一般采取以下幾種手段：

（1）優(yōu)化混凝土材料。這種方法主要通過提高混凝土標(biāo)號，采用優(yōu)質(zhì)骨料、優(yōu)質(zhì)粉煤灰，采用較小水灰比來降低毛細孔率[6-7]，以及添加抗鹽腐蝕添加劑等方法，改善混凝土特性以應(yīng)對凍融現(xiàn)象。

（2）鋼護筒保護法。此方法多適用于圓形結(jié)構(gòu)物，例如圓形橋墩和樁基。在溫度降低或升高時，鋼護筒能提供額外的約束作用，并在一定程度上把混凝土和外部水環(huán)境隔絕，減少混凝土外部滲透水，降低混凝土內(nèi)冰晶數(shù)量，減小裂縫的擴展和產(chǎn)生。

（3）增大額外消耗法。增大額外消耗一般指處于凍融循環(huán)區(qū)域的混凝土橋墩和樁基增加混凝土保護層，或增設(shè)素混凝土保護層，延長凍融破壞作用蔓延到核心部位的過程。通過消耗保護層的方法，延緩凍融造成構(gòu)件失效的時間。通過定期對消耗層的補充，可有效保護主要構(gòu)件不受凍融影響。

（4）熱力管法。此方法一般采用增加熱力管融冰和隔熱層的方式應(yīng)對凍融現(xiàn)象。張登春等人[8]通過建立數(shù)值模型對比分析了不同間距熱力管融冰熱量傳遞規(guī)律和增加隔熱層后熱力管所能達到的融冰能力，認為增加熱力管融冰和隔熱層有利于緩解凍融現(xiàn)象造成的破壞情況。

4　工程實例

4.1　工程背景

西藏拉薩某快速通道項目線路全長約50.366 km，起點位于拉薩市達孜縣德慶鎮(zhèn)，設(shè)置達孜樞紐互通與林拉公路工程相銜接，利用拉薩至山南地區(qū)的古道為走廊帶，沿多雄朗溝道經(jīng)念喀、新倉、仲莎、拿嘎穿過圭嘎拉山，經(jīng)過聶果村、前達村，終點止于山南地區(qū)扎囊縣桑耶鎮(zhèn)，與即將實施的曲乃公路工程相銜接。該項目采用一級公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，分別采用60 km/h、80 km/h兩種設(shè)計速度，路基寬度23.5 m。

4.2　工程環(huán)境分析

該項目線路區(qū)主要地貌以中高山、山麓坡積洪積扇群為主，其中坡積洪積扇區(qū)域地表溝谷發(fā)育，含水介質(zhì)類型多，路基段和橋梁段內(nèi)廣泛分布的片巖等相對隔水層，控制了區(qū)域的地下水分布，使區(qū)內(nèi)含水類型少，主要分布于地表淺部的基本特征。根據(jù)區(qū)內(nèi)地層巖性組合及地下水賦存條件，路線走廊帶內(nèi)地下水含水介質(zhì)類型可分為松散巖類孔隙水含水巖組、基巖裂隙孔隙水含水巖組兩種類型。

線路區(qū)地下水主要接受大氣降水及冰雪融化的補給，地下水的補給條件受季節(jié)影響較大。線路區(qū)大部分位于中高山，地勢較陡，地形坡度較大，侵蝕基準(zhǔn)面低，有利于地下水的徑流和排泄。地下水在接受補給后，經(jīng)短距離運移，一部分在斜坡中下部地形低洼處以泉點的形式排泄掉；而另一部分由于線路與構(gòu)造跡線大角度或正交，地層中巖性復(fù)雜（含水層與隔水層相間），形成相對的貧富含水層，深部地下水受地層巖性夾持而沿構(gòu)造跡線方向運移，并在橫切地質(zhì)構(gòu)造的溪溝處以泉等進行排泄。地表水、地下水水化學(xué)類型一般為Ca（Na）型水，對混凝土及混凝土中的鋼筋具微腐蝕性。

線路區(qū)氣候以干燥、缺氧、溫差大、日照充足為特征，屬高原溫帶半干旱氣候區(qū)，干濕季分明，高原氣候特征明顯。全年平均相對濕度45%，年平均氣溫10.6℃，年降水量453.9 mm。11月到次年1月為冬季，氣候干燥寒冷，多積雪和冰凍，最大凍土深度0.19 m，平均相對濕度28%。年均水面蒸發(fā)量1 369.2 mm，極端最高氣溫29.5℃，月極端最低氣溫-17℃。

4.3　凍融作用分析

該地地表水位變化大，地表層含水量豐富、溫差大，并有凍土層，對混凝土結(jié)構(gòu)有凍融破壞作用。周圍環(huán)境及地下水化學(xué)物質(zhì)屬于低鹽屬性，對混凝土及混凝土中的鋼筋具微腐蝕性，可不把混凝土鹽反應(yīng)劣化作為重點考慮對象。

該項目有大橋、特大橋10座，共計16.597 km，橋梁結(jié)構(gòu)為混凝土結(jié)構(gòu)，鉆孔灌注樁，部分橋梁處于河道中間，地下水與地表水豐富，受氣候影響會在水表面形成較強凍融反應(yīng)，應(yīng)對該項目橋梁進行凍融破壞防護處理。

4.4　橋梁防凍融措施

設(shè)計組根據(jù)西藏高原凍融特點，對項目中橋梁樁基和橋墩進行抗凍融循環(huán)破壞處理：

（1）提高樁基和橋墩的設(shè)計富裕度，減小凍融破壞對結(jié)構(gòu)承載力的危害。

（2）利用高標(biāo)號混凝土對凍融循環(huán)破壞的損失率低的特性，提高下部結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)號，達到結(jié)構(gòu)抵抗凍融循環(huán)的目的。

（3）為延緩凍融對受力結(jié)構(gòu)的影響，加大樁基及橋墩底部的鋼筋保護層厚度。

（4）在凍融區(qū)采用外包10～20 cm素混凝土結(jié)構(gòu)形式，加大凍融破壞的消耗量，以延緩凍融對主要構(gòu)件的破壞作用。

（5）保留樁基施工時的鋼護筒，隔絕外部水源滲透入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的路徑，減少凍融破壞。

（6）為保證混凝土樁基施工質(zhì)量，采用水下混凝土，但普通水下混凝土要求塌落度大、水灰比大，為控制凍融區(qū)混凝土毛細孔率較小，在混凝土樁頭5 m范圍要求使用減水劑。

（7）采用優(yōu)質(zhì)骨料和優(yōu)質(zhì)混凝土，并加強對骨料大小的控制，嚴格水灰比，控制混凝土表面裂縫初步發(fā)育。

（8）加強后期巡檢和維護，對凍融消耗層應(yīng)及時清表和補充，保證運行安全。

5　結(jié)語

通過對凍融機理的分析，以及凍融發(fā)生環(huán)境的論述，針對處于凍融循環(huán)區(qū)的高原山區(qū)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，采用合理的方式進行結(jié)構(gòu)處理可有效隔斷和減少產(chǎn)生凍融的外部滲水，以及降低內(nèi)部孔隙率和游離水含量，減少凍融破壞的發(fā)生及凍融作用對結(jié)構(gòu)的影響。目前項目運行兩年，通過凍融循環(huán)破壞測點，未發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)破壞造成的裂縫擴張現(xiàn)象，隨著時間的推移，項目組計劃加強對凍融循環(huán)破壞測點的觀測，進一步驗證防護措施的可行性。