解析寒區(qū)隧道二襯混凝土冬季施工溫控技術(shù)

陳志軍

摘 要：寒區(qū)隧道二襯混凝土在冬季施工時，如果沒有采取有效的溫控措施，存在低溫水泥水分不均勻、不充分的情況，則容易導(dǎo)致表面出現(xiàn)貫穿性裂縫、強度不達標等問題，嚴重情況下，還會影響隧道施工的質(zhì)量和安全。以某隧道工程為例，研究了寒氣隧道二襯混凝土冬季施工溫控技術(shù)，以期為類似工程的提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：寒區(qū)隧道二襯混凝土；冬季施工；溫控技術(shù)；質(zhì)量監(jiān)督

中圖分類號：U451+.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.138

1 工程概況

1.1 施工環(huán)境

以某隧道為例，該隧道為一座左右線分離的四車道高速公路隧道，右線起止里程為K65+930～K67+335，總長度為1 406 m；左線起止里程為ZK65+940～ZK67+335，總長度為1 396 m。隧道的長度較長，途經(jīng)的地形非常復(fù)雜，山脈交錯，且隧道區(qū)域的地下水類型為裂隙水和潛水。

1.2 氣候因素和隧道的施工特點

氣候為半干旱半濕潤大陸季風(fēng)地氣候，冬季時間較長，最低氣溫為-31 ℃，最大凍結(jié)深度達1.3 m。由于該隧道工程的施工工期相對較短，加之該地區(qū)的冬季長達5個月。為了滿足工期要求，必須在冬季施工。但冬季是工程質(zhì)量事故和安全事故的多發(fā)時間段，尤其是混凝土工程的質(zhì)量問題出現(xiàn)較多。在隧道二襯混凝土施工時，必須保證施工現(xiàn)場的晝夜平均氣溫連續(xù)3天≥5 ℃。而冬季施工并不能夠始終保證處于允許的施工溫度范圍內(nèi)。因此，必須采取有效的溫控技術(shù)措施，以保證隧道二次混凝土施工順利進行，從而確保整個隧道工程的施工質(zhì)量。

2 混凝土冬季施工溫控技術(shù)

2.1 圍巖與襯砌的熱傳導(dǎo)機制

寒區(qū)隧道的圍巖通常由空氣、冰、孔隙水和巖石骨顆粒等組成，假設(shè)圍巖為飽和狀態(tài)，不考慮水分的蒸發(fā)作用，在凍融環(huán)境中，低溫巖土介質(zhì)熱傳導(dǎo)問題的控制方程為：

式（1）中：QT為混凝土水化熱、外部熱源；λef為巖體等效導(dǎo)熱系數(shù)；θL為液態(tài)水的體積含量；L為單位質(zhì)量的水變成冰時釋放的潛熱值；ρL為液態(tài)水的密度；T為溫度；Cef為等效比熱容。

圍巖的孔隙率是恒定值，不隨空間、時間和溫度等的變化而變化；圍巖由冰、水和骨架組成，且為均質(zhì)，符合混合物理論的基本要求。

2.2 有限元計算

由于受到山體地?zé)岬缺姸嘁蛩氐挠绊?，隧道圍巖受環(huán)境溫度影響的區(qū)域通常集中在隧道口。因此，有限元計算選擇距洞口10 m左右的位置，同時，由于隧道溫度場主要受壁面溫度的影響較大，所以，選用平面二維模型代替三維模型。

2.3 邊界條件和計算參數(shù)

隧道二襯混凝土施工時，隧道并沒有貫通，隧道內(nèi)的空氣流動主要依靠射流風(fēng)機，由于該風(fēng)機的風(fēng)力較小，所有，不考慮氣體流速、糙率、流程和氣量對流換熱系數(shù)的影響。巖石與空氣的對流換熱系數(shù)為15.0 W/m2·K，按照中交第二公路設(shè)計研究院提供的工程勘察報告，圍巖骨架、混凝土、冰和水的密度分別為2 300 kg/m3、2 500 kg/m3、917 kg/m3、1 000 kg/m3；圍巖骨架、混凝土、冰和水的比熱容分別為850 J/（m3·K）、950 J/（m3·K）、2 090 J/（m3·K）、4 180 J/（m3·K）；圍巖骨架、混凝土、冰、水的導(dǎo)熱系數(shù)分別為3.00 W/（m·K）、2.33 W/（m·K）、2.24 W/（m·K）、0.56 W/（m·K）；溫度垂直變化規(guī)律表現(xiàn)為每升高100 m，溫度降低0.74 ℃。

混凝土放熱的持續(xù)時間相對較長，但大部分熱量集中在早期，尤其是在最初的3 d內(nèi)放出，因此，以混凝土絕熱溫升的溫度為混凝土的初始溫度。根據(jù)施工現(xiàn)場的具體狀況，混凝土入膜溫度為5 ℃，水泥的發(fā)熱量Q為330 kJ/kg，邊界條件為隧道施工時洞內(nèi)的溫度為-10 ℃。

2.4 計算結(jié)果

計算結(jié)果包括以下3方面：①環(huán)境溫度對加溫時間的影響。當(dāng)環(huán)境溫度為-20 ℃時，加溫20 h能夠滿足二襯混凝土的養(yǎng)護要求；當(dāng)環(huán)境溫度為-15 ℃時，加溫15 h能夠滿足二襯混凝土的養(yǎng)護要求；當(dāng)環(huán)境溫度為-10 ℃時，加溫10 h能夠滿足二襯混凝土的養(yǎng)護要求；當(dāng)環(huán)境溫度為-5 ℃時，加溫5 h能夠滿足二襯混凝土的養(yǎng)護要求。②加溫時間對圍巖溫度變化的影響。隧道在-10 ℃的條件下開挖、暴露1個月后，圍巖表面的溫度發(fā)生了很大的變化，因此，在隧道二襯混凝土澆筑施工前，必須對圍巖進行加熱處理。如果混凝土澆筑施工時的溫度低于5 ℃，則會影響施工質(zhì)量。當(dāng)圍巖被加溫一段時間后，圍巖表面和內(nèi)部的溫度會升高，但在中間位置會形成低溫層，這是因為對隧道表面加熱后，熱量迅速向圍巖深處傳遞，形成“中間冷、兩端熱”的狀況。③確定合理的加溫時間。建筑混凝土前，對圍巖加溫的時間越長，圍巖與二襯混凝土在施工后1個月內(nèi)的最高溫度也相對較高。經(jīng)實踐證明，在混凝土澆筑施工前，對隧道表面加溫10 h，能保證混凝土在24 h內(nèi)的最低溫度保持在5.3 ℃左右，這表明對隧道表面加溫10 h就可滿足混凝土澆筑施工的相關(guān)要求。通過計算，該隧道二襯混凝土冬季施工的最佳施工溫度為10 ℃，加溫時間為10 h，能滿足二襯混凝土現(xiàn)場施工的相關(guān)要求。

3 結(jié)束語

綜上所述，寒區(qū)隧道二襯混凝土施工是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，尤其是在冬季施工時，如果不能采取有效的溫控措施，勢必會影響二襯混凝土的施工質(zhì)量，進而影響整個隧道工程的質(zhì)量和使用壽命。本文對開挖時間對圍巖溫度的影響進行了研究，分析了寒區(qū)隧道二襯混凝土澆筑過程中圍巖與襯砌的熱傳導(dǎo)機制，系統(tǒng)研究了隧道環(huán)境溫度、加溫時間對二襯混凝土施工溫度的影響，希望能為寒區(qū)隧道二襯混凝土的冬季施工人員提供一定的參考。

參考文獻

[1]譚賢君，陳衛(wèi)忠，王輝，等.寒區(qū)隧道二襯混凝土冬季施工溫控技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32（1）：150-155.

〔編輯：張思楠〕