解析寒区隧道二衬混凝土冬季施工温控技术

陈志军

摘 要：寒区隧道二衬混凝土在冬季施工时，如果没有采取有效的温控措施，存在低温水泥水分不均匀、不充分的情况，则容易导致表面出现贯穿性裂缝、强度不达标等问题，严重情况下，还会影响隧道施工的质量和安全。以某隧道工程为例，研究了寒气隧道二衬混凝土冬季施工温控技术，以期为类似工程的提供一定的参考。

关键词：寒区隧道二衬混凝土；冬季施工；温控技术；质量监督

中图分类号：U451+.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.138

1 工程概况

1.1 施工环境

以某隧道为例，该隧道为一座左右线分离的四车道高速公路隧道，右线起止里程为K65+930～K67+335，总长度为1 406 m；左线起止里程为ZK65+940～ZK67+335，总长度为1 396 m。隧道的长度较长，途经的地形非常复杂，山脉交错，且隧道区域的地下水类型为裂隙水和潜水。

1.2 气候因素和隧道的施工特点

气候为半干旱半湿润大陆季风地气候，冬季时间较长，最低气温为-31 ℃，最大冻结深度达1.3 m。由于该隧道工程的施工工期相对较短，加之该地区的冬季长达5个月。为了满足工期要求，必须在冬季施工。但冬季是工程质量事故和安全事故的多发时间段，尤其是混凝土工程的质量问题出现较多。在隧道二衬混凝土施工时，必须保证施工现场的昼夜平均气温连续3天≥5 ℃。而冬季施工并不能够始终保证处于允许的施工温度范围内。因此，必须采取有效的温控技术措施，以保证隧道二次混凝土施工顺利进行，从而确保整个隧道工程的施工质量。

2 混凝土冬季施工温控技术

2.1 围岩与衬砌的热传导机制

寒区隧道的围岩通常由空气、冰、孔隙水和岩石骨颗粒等组成，假设围岩为饱和状态，不考虑水分的蒸发作用，在冻融环境中，低温岩土介质热传导问题的控制方程为：

式（1）中：QT为混凝土水化热、外部热源；λef为岩体等效导热系数；θL为液态水的体积含量；L为单位质量的水变成冰时释放的潜热值；ρL为液态水的密度；T为温度；Cef为等效比热容。

围岩的孔隙率是恒定值，不随空间、时间和温度等的变化而变化；围岩由冰、水和骨架组成，且为均质，符合混合物理论的基本要求。

2.2 有限元计算

由于受到山体地热等众多因素的影响，隧道围岩受环境温度影响的区域通常集中在隧道口。因此，有限元计算选择距洞口10 m左右的位置，同时，由于隧道温度场主要受壁面温度的影响较大，所以，选用平面二维模型代替三维模型。

2.3 边界条件和计算参数

隧道二衬混凝土施工时，隧道并没有贯通，隧道内的空气流动主要依靠射流风机，由于该风机的风力较小，所有，不考虑气体流速、糙率、流程和气量对流换热系数的影响。岩石与空气的对流换热系数为15.0 W/m2·K，按照中交第二公路设计研究院提供的工程勘察报告，围岩骨架、混凝土、冰和水的密度分别为2 300 kg/m3、2 500 kg/m3、917 kg/m3、1 000 kg/m3；围岩骨架、混凝土、冰和水的比热容分别为850 J/（m3·K）、950 J/（m3·K）、2 090 J/（m3·K）、4 180 J/（m3·K）；围岩骨架、混凝土、冰、水的导热系数分别为3.00 W/（m·K）、2.33 W/（m·K）、2.24 W/（m·K）、0.56 W/（m·K）；温度垂直变化规律表现为每升高100 m，温度降低0.74 ℃。

混凝土放热的持续时间相对较长，但大部分热量集中在早期，尤其是在最初的3 d内放出，因此，以混凝土绝热温升的温度为混凝土的初始温度。根据施工现场的具体状况，混凝土入膜温度为5 ℃，水泥的发热量Q为330 kJ/kg，边界条件为隧道施工时洞内的温度为-10 ℃。

2.4 计算结果

计算结果包括以下3方面：①环境温度对加温时间的影响。当环境温度为-20 ℃时，加温20 h能够满足二衬混凝土的养护要求；当环境温度为-15 ℃时，加温15 h能够满足二衬混凝土的养护要求；当环境温度为-10 ℃时，加温10 h能够满足二衬混凝土的养护要求；当环境温度为-5 ℃时，加温5 h能够满足二衬混凝土的养护要求。②加温时间对围岩温度变化的影响。隧道在-10 ℃的条件下开挖、暴露1个月后，围岩表面的温度发生了很大的变化，因此，在隧道二衬混凝土浇筑施工前，必须对围岩进行加热处理。如果混凝土浇筑施工时的温度低于5 ℃，则会影响施工质量。当围岩被加温一段时间后，围岩表面和内部的温度会升高，但在中间位置会形成低温层，这是因为对隧道表面加热后，热量迅速向围岩深处传递，形成“中间冷、两端热”的状况。③确定合理的加温时间。建筑混凝土前，对围岩加温的时间越长，围岩与二衬混凝土在施工后1个月内的最高温度也相对较高。经实践证明，在混凝土浇筑施工前，对隧道表面加温10 h，能保证混凝土在24 h内的最低温度保持在5.3 ℃左右，这表明对隧道表面加温10 h就可满足混凝土浇筑施工的相关要求。通过计算，该隧道二衬混凝土冬季施工的最佳施工温度为10 ℃，加温时间为10 h，能满足二衬混凝土现场施工的相关要求。

3 结束语

综上所述，寒区隧道二衬混凝土施工是一项复杂的系统工程，尤其是在冬季施工时，如果不能采取有效的温控措施，势必会影响二衬混凝土的施工质量，进而影响整个隧道工程的质量和使用寿命。本文对开挖时间对围岩温度的影响进行了研究，分析了寒区隧道二衬混凝土浇筑过程中围岩与衬砌的热传导机制，系统研究了隧道环境温度、加温时间对二衬混凝土施工温度的影响，希望能为寒区隧道二衬混凝土的冬季施工人员提供一定的参考。

参考文献

[1]谭贤君，陈卫忠，王辉，等.寒区隧道二衬混凝土冬季施工温控技术研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32（1）：150-155.

〔编辑：张思楠〕