高性能混凝土在公路隧道工程中应用的探讨

张双茁 赵彦钵

(河北省交通规划设计研究院桥隧处，河北石家庄 050011)

普通混凝土是目前土木工程界用量最多的人造材料，其本身具有原料丰富，成本低廉、操作简便、耐久性较好等优点，为现代人类文明做出了巨大贡献。但是，普通混凝土结构也暴露出了一系列问题，尤其在耐久性方面问题较为突出，相关资料显示，在正常使用情况下，普通混凝土的使用期限为50年，而在极端情况下经10年～20年混凝土主体结构就会遭到较大破坏，轻则需补强、修理，重则需重建。

在山区公路中，隧道一般是重要结构物，甚至为控制性工程。其工程规模大，施工期长，一旦遭到破坏，对公路正常运营影响巨大，因此现行规范要求二级以上公路隧道的主要结构的设计基准期为100年，同时对防水等级等指标都有严格规定。然而，隧道施工及运营期间水文地质条件、围岩蠕变、周边围岩应力场复杂多变，同时特殊地区还存在冻融、氯化物、化学腐蚀等不良环境作用。采用普通混凝土往往难以满足规范要求，尤其是在地下水、冻融作用明显的隧道内更为明显。

下面结合影响公路隧道耐久性及运营安全的几个方面对采用高性能混凝土的意义进行简要介绍。

1 高性能混凝土简介

高性能混凝土(High Performance Concrete，简称HPC)的概念是20世纪90年代由美国首先提出的，其基本要求是混凝土应具有良好的耐久性、工作性和强度。国内工程界较为普遍的观点认为:高性能混凝土不是单纯追求高强度，其应具备高施工性、高抗渗性、高体积稳定性(硬化过程中不开裂，收缩徐变小)、较高强度(C30级以上)，并保持其强度持续增长，最终获得高耐久性能(耐久性提高至200年以上)。

2 高性能混凝土对主体结构安全的影响

新奥法是当今公路隧道结构设计中的主流方法，其精髓就是要求充分发挥围岩的自承能力，初期支护采用柔性结构，允许结构有适当变形，同时根据现场监控量测结果确定二次衬砌施作时机，根据不同的情况，二次衬砌分别作为安全储备、承载结构和特殊承载结构进行设计。二次衬砌弯矩图见图1。

图1 二次衬砌弯矩图

通过添加适当外加剂制成的高性能混凝土与普通混凝土相比，大大改善了混凝土的微观结构，从而使得混凝土后期强度持续增长更快，这对作为特殊承载结构的二衬就显得尤为重要。由于隧址区水文地质条件复杂，隧道在受到地震力、膨胀性围岩持续膨胀压力、受地下水影响围岩松散压力增大、山体后期变形等不利工况时，由于其良好的强度增长性能，也可提高隧道主体结构的安全储备，为隧道正常运营提供一定的保障。震后二衬开裂见图2。

3 高性能混凝土对隧道防水及冻胀的影响

混凝土的抗渗性和抗冻性是衡量其耐久性的重要指标，而抗渗性是混凝土耐久性的第一道防线，公路隧道内机电设备繁多，主体结构要求不低于二级防水，结构表面不允许漏水。而国内隧道公路隧道普遍存在渗漏水问题，其中有一部分是混凝土抗渗性能较低所致。隧道漏水结冰见图3。混凝土的渗透性取决于结构中大孔及毛细孔所占体积及分布状况，当混凝土的水胶比大于0.4时，水泥石中除了凝胶水外，还存在毛细水，毛细管是水扩散和渗漏的通道。高性能混凝土的水胶比在0.38以下时，其连续的毛细孔可以尽早得到封闭;另外高性能混凝土中微集料与骨料周边水化Ca(OH)2作用，改善了界面结构以及水泥石结构，极好的提高了混凝土的抗渗性，并有资料显示，当水胶比在0.38以下时，高性能混凝土的抗渗系数比花岗岩渗透系数要低很多，比不上不透水。

图2 震后二衬开裂

图3 隧道漏水结冰

在抗冻胀方面，高性能混凝土也有很大优势。众所周知，对要求抗冻的普通混凝土必须加引气剂，而高性能混凝土抗渗性能好，孔径小且分布均匀。当孔径小于5 μm～10 μm的微孔其冰点很低，很小凝胶孔的水冰点最低可达－70℃。由于高性能混凝土孔结构和界面结构得到改善，使水不易渗入其内部，因此抗冻性较普通混凝土有很大提高。

4 高性能混凝土对瓦斯及有害气体地层隧道的影响

隧道穿越煤层时常常伴随有瓦斯等有毒气体外溢，瓦斯内含有甲烷、硫化氢、二氧化氮、二氧化硫、氨气、氢气等多种有害气体。在一、二级瓦斯地段，初期支护及二次衬砌均应采用带仰拱的全封闭设计断面来封堵气体，同时衬砌结构还应采取防瓦斯措施以防止瓦斯侵入隧道净空内。规范要求模筑混凝土的透气系数不应小于10－11cm/s，采用普通混凝土很难满足上述要求，而高性能混凝土以其优异的抗渗性能可以更好地对有害气体进行封堵。

5 结语

高性能混凝土的应用不仅是为了满足公路隧道耐久性及运营安全的要求，也是坚持可持续发展，节约天然资源、降低劳力成本、减少建筑垃圾、保护自然环境的需要。由于高性能混凝土大量采用了粉煤灰等矿物掺合料，既改善了混凝土性能又利用了工业废料，并减少了水泥生产能耗和二氧化碳排放，形成良性生产循环，符合我国节能减排的基本国策，也必将为人类文明发展做出不可估量的贡献。

［1］JTG D70-2004，公路隧道设计规范［S］.

［2］JTG H12-2003，公路隧道养护技术规范［S］.

［3］JTG/T D70-2010，公路隧道设计细则［S］.

［4］GBJ 82-85，普通混凝土长期性能及耐久性能试验方法［S］.

［5］TB 10120-2002，铁路瓦斯隧道技术规范［S］.

［6］GB/T 50476-2008，混凝土结构耐久性设计规范［S］.

［7］GB 50108-2008，地下工程防水技术规范［S］.

［8］洪开荣.山区高速公路隧道施工关键技术［M］.北京:人民交通出版社，2008.