高原严寒地区隧道冬期混凝土施工工法

1、高原严寒地区隧道冬期混凝土施工工法中铁隧道集团有限公司第一工程处：王兴彬 曹红彬 韩敬忠 裴志民一、前言“高原严寒地区隧道混凝土施工工法” ，是在海拔 3400 米、每年冬期长达 8 个月、长度 4446 米的鹧鸪山隧道施工中创立的一种高原严寒地区隧道混凝土冬期施工方法。该工法在充分调研我国 北方地区冬季混凝土施工经验的基础上，对混凝土配合比和外加剂的种类及掺量进行多次比选，优 化防寒保温措施和养护期间防冻措施而形成。该工法在鹧鸪山隧道取得了较好效果。建设工期提前6 个月，混凝土质量达到优良，抗冻融指标符合国家标准，也降低了成本。运用本工法进行的鹧鸪山隧道混凝土冬期施工抗防冻QC 成果获得中铁

2、隧道集团 2003 年度 QC成果一等奖。二、工法特点本工法针对高原严寒地区隧道冬期二次衬砌混凝土和喷射混凝土施工抗冻研发，它具有以下特 点。1、加快施工进度在洞内温度不低于-20 C、洞外温度不低于-30C的条件下，衬砌混凝土和喷射混凝土可不间 断施工，从而加快进度、缩短工期。2、降低喷射混凝土的回弹量 在负温条件下，缩短初终凝时间、提高早期强度、喷射混凝土快速凝结硬化，降低回弹量。3、提高衬砌混凝土抗冻融性能在不增加水泥用量的情况下， 保证混凝土 200次冻融循环的强度损失值不大于 15。4、节约能耗和材料在-15C条件下，无需蒸汽养护而可在 36小时拆模，降低能耗；负温条件下不需增加水泥

3、用量， 从而节约材料和降低成本。5、现场可操作性强 加热保温设施一次安装到位，养护保温材料及设施轻便易移动，操作技术简便、操作人员易懂易掌握。三、适用范围本工法适用于海拔 3000米以上，冬期温度不低于 30C（洞内温度不低于20C）的隧道衬砌 混凝土和喷射混凝土施工，也可用于低海拔地区冬季隧道混凝土施工。四、工法原理及关键技术（一）、工法原理 隧道衬砌混凝土冻伤机理主要有两种：施工过程、终凝前冻伤和养护期间冻伤，它们都是由于 水分的迁移并导致水分重分布和冰晶造成。后者破坏程度更大，且解冻后基本无恢复性；前者解冻 后强度虽有一定的恢复，但损失仍很大。喷射混凝土在低温条件下除可能发生类似衬砌混凝

4、土冻伤外，由于凝结硬化速度慢，还将大大 增加回弹量。根据破坏机理确定本工法原理：1 、选用水化热较高（增加蓄热量） 、具有早强性能、标号不低于 32.5R 的普通硅酸盐水泥，以 提高早期强度。2、掺加外加剂，改善混凝土（含喷混凝土）性能。衬砌混凝土选择防冻性能好（降低水分冰点 温度能力强） 、减水率高（减少拌和用水量，从而减少混凝土中的游离水分迁移）、早强效果好（短时间内使混凝土达到抗冻临界强度5Mpa以上），可以有效防止混凝土冻伤。喷射混凝土掺加 STC 超早强抗冻粘稠剂，可在 20 C下510分钟凝结硬化，快速达到抗冻 临界强度（5Mpa以上）。3、预热拌和用水，提高混凝土的入模温度，加快

5、砼入模后水泥水化放热反应，促进混凝土的凝结硬化速度，尽快达到抗冻临界强度（5Mpa以上）。4、预热集料，防止集料夹裹冰膜雪块，提高混凝土熟料温度。5、密封混凝土运输容器并包裹保温垫，防止熟料在运输过程中热量散失而降低入模温度。6、模板表面敷设石棉电热毡，保证混凝土凝结硬化温度，防止水结晶冻伤混凝土。7、适当延长模养时间。（二）、关键技术1、原材料的选取及其防寒保温措施的确定。2、D200抗冻混凝土及负温条件下喷射混凝土的配合比设计。3、衬砌混凝土复合防冻剂和喷射混凝土粘稠剂的种类选择和掺量研究。4、冬期施工防寒防冻技术（包括材料加热保温、施工方法、运输方法、施工过程的防寒保温技 术和养护期间的

6、防冻技术）。五、施工工艺（一）、喷射混凝土冬期施工工艺流程框图见图1喷射混凝土冬期施工工艺流程框图 图1（二）、衬砌混凝土冬期施工工艺流程框图见图2（二）、衬砌混凝土冬期施工工艺流程框图见图2衬砌混凝土冬期施工工艺流程框图 图2（三）、拌和站加热保温措施（如图3）砂料棚碎石料棚（12 cm）碎石料棚（24cm）粘稠剂及速凝剂库热风机热风机热风机临时 水泥 库碎石（12cm）预热仓储量80m3/n中（粗）砂 预热仓储量80m3水泥库碎石（24cm）预热仓储量150m3防冻剂库（三）、拌和站加热保温措施（如图3）膨胀剂库减水剂库JS500强制式搅拌机生产喷砼JS1000强制式搅拌机生产衬砌砼操作台

7、储水箱说明：1、加热保温仓和拌和机房均采用密封结构，墙体及屋面设泡沫保温层，保温仓采用卷帘门。2、砂、碎石风干存入料棚。3、 采用燃油型热风机提前预热料仓中的砂、碎石（数量以本次需用量为准）。4、采用蒸汽锅炉预热水，并保持一定储量。5、 水泥存入库房，并用热风机保持正温，但不高于25Co拌和站平面布置示意图 图3（四）、工艺特点1、合理选择外加剂种类和掺量外加剂的种类和掺量对 工程监理质量、工程进度和本工法的实施效果都起决定性作用，是本工 法的关键。监理工程师论坛 衬砌混凝土：必须选择减水率高、早强效果好、降低冰点能力强的复合防冻剂，同时根据不同 时段的温度确定不同的掺量。掺量不大于说明书和试

8、验值。一般采用：负温防冻剂一I型、JA 1型复合防冻剂、GM型防冻剂、HZ 6型防冻剂，它们的最大掺量不大于水泥量的5%。喷射混凝土：选择超早强抗冻型 STC粘稠剂，在喷嘴处加入，严禁提前掺加在混凝土混合料中。2、原材料必须预热保温采用燃油型热风机提前预热砂、碎石，预热温度由设计熟料出机温度（不小于+7C）经热功计算确定，但不宜低于+5C,也不宜高于+40C。水预热是混凝土冬期施工的关键工序。衬砌混凝土采用蒸汽锅炉预热，温度由热功计算确定，但不宜高于+ 60C。喷砼用水采用 10KW左右的电热水器现场预热，温度控制在+30C左右。3、加强施工过程和预养期间的防冻提高混凝土出机温度、运输容器敷设

9、保温材料、浇注现场防风、混凝土熟料尽快入模，防止热 量散失，保证入模温度不低于+5 C。养护期间防冻非常关键，若混凝土受冻，解冻后混凝土强度基本无恢复性。主要措施：尽可能 提高环境温度、模板外敷设石棉电热毡、延长模养时间、混凝土未达到抗冻临界强度（5Mpa以上）前不得拆模。4、严格控制水灰比水灰比不宜大于0.5，最高不超过0.55，防止过多游离水结冰膨胀破坏混凝土。5、增加密实度加强捣固（二次衬砌采用附着式振捣器和插入式振捣器捣固），必要时掺加混凝土密实剂，从而增加混凝土的密实度，减少毛细孔，防止毛细孔积水、透水结冰膨胀破坏混凝土。6、做好衬砌防排水工作根据地下水出露情况，设置排水盲沟；衬砌背

10、后设置防水板；衬砌混凝土防渗标号wS6,必要时掺加防水剂；防止地下水渗入而结冰膨胀破坏混凝土。7、外加剂性能必须满足下列要求：防冻剂：020C能防冻；减水率8%; 3天强度提高20%以上；含气量13%;泌水率w 95% ;对钢筋无锈蚀；掺量w 5%。粘稠剂：020C能防冻；粘稠成分13%;速凝成分25 %;早强成分14%;掺量w 10 %； R1d> 5Mpa ;初凝时间 w 4min。8、精心选择配合比混凝土的配合比直接影响混凝土抗冻性能和质量，也影响工程成本。经现场实验，建议采用表 1所列的配合比。表1 高寒地区冬期混凝土配合比参数表温度20 一15 C15 10 °C10

11、 一5C5 0C组成材料C: W: S： G： FC: W: S: G: FC : W : S :G : FC :W : S : G : FC10模注砼1: 0.5：2.730：1: 0.53: 0.952:1 : 0.51 : 3.208 : 5.46 :1 :0.55 : 3.208 :4.653： 0.0455.03: 0.040.0355.46 : 0.02比C20模注砼1: 0.5： 1.974：1: 0.56: 2.261 :1 : 0.56 :2.287 :1 :0. 6 : 2.417 :3.365: 0.0453.855: 0.043.893 :0.0354.121 : 0.

12、02例C25泵送砼1: 0.54: 2.036:1: 0.52 : 2.069 :1 : 0.50 :2.305 :1 :0.53 : 2.435 :3.038: 0.0453.103 : 0.043.460 :0.0353.634 : 0.02C20喷砼1 : 0.4: 1.71: 1.71 :1 : 0.45 : 2.00 : 2.00 :1 : 0.45 :2.051 :1 :0. 5 : 2.216 :0.090.082.051 :0.062.216 : 0.04C10模注砼271: 136: 740:253: 134: 747 :235 : 12C:754 :235:129 : 75

13、4 :1261: 12.21272 : 10.11283 :8.21283 : 4.71m3C20模注砼348: 174: 687:310: 174: 701:310: 174:709 :290:174: 7 01 :用1171: 15.71195 : 12.41207 :10.91195 : 5.8C25泵送砼360: 196: 733:360: 187: 745 :328: 164:756 :30:159: 733:曰1094: 16.21117 :14.41135 :11.51094 : 6.02量C20喷砼485:194:831:831:430:194:860:860:430:194

14、: 882:882:388:194:860 :43.734.425.8860 : 15.5C 32.5R普通硅酸盐水泥； W洁净水；S中（粗）砂； G碎石（或米石）；F HZ 6防 冻剂（衬砌砼）或 STC粘稠剂（喷砼）。9、混凝土搅拌延长拌合时间，强制式搅拌机拌合不少于2.0分钟。10、混凝土浇筑混凝土在灌注中分层（分层厚度控制在20cm ）连续浇筑，每层的振捣至无气泡，表面冒浆不下沉为止。六、机具配备1、喷射混凝土机具配备（参见表 2）表2喷射混凝土机具配备表序号设备名称规格型号单位数量备注1空压机L-22/7-X台32混凝土喷射机PZ-5台33混凝土搅拌机JS500台14热风机天津蓝通台

15、35电热水器自制套16管道增压泵ZL-50-L台37翻斗车CA3102-4台18试验设备套19温度计只32、衬砌混凝土机具配备（参见表3）表3 衬砌混凝土机具配备表序号设备名称规格型号单位数量备注1衬砌台车自制台12混凝土输送泵HBT60台13混凝土搅拌机JS1000台24插入式振捣器50型台35附着式振捣器50型套86蒸汽锅炉LSC0.5-0.39-A 川台27热风机天津蓝通台38装载机ZL50-C台19试验设备套110混凝土输送车小 36m台311温度计WA380-3只3七、劳力组织1、喷射混凝土劳力组织（参见表 4）表4 喷射混凝土劳力组织表序号工种人数序号工种人数1班长16修理工12喷

16、砼工37运输司机13喷砼司机28拌和司机14空压司机39普工65电工1合计192、衬砌混凝土劳力组织（参见表5）表5 衬砌混凝土劳力组织表序号工种人数序号工种人数1班长1X 37混凝土工6X 32台车司机1X 38防水工4X 33输送泵司机1X 39司炉工1X 34拌和司机1X 310电工1X 35输送车司机3X 311修理工1X 36木工4X 312普工6X 3合计90人八、质量控制（一）、质量目标混凝土质量合格率100%，无冻伤，200次冻融循环强度损失值仝15 %， 20 C条件下能正常生 产而不发生混凝土冻伤事故。（二）、原材料1、水泥品种、规格、型号符合设计要求，严格按水泥储存和使用

17、规则办理。入库防潮、防冰雪 浸蚀和冻结。2、 碎石压碎指标 8以内，级配良好，无杂质，泵送砼粒径v4cm，喷砼粒径v 2cm,风干入库 保存，防冰雪浸蚀，无冰膜雪块。3、 砂压碎指标8以内的中（粗）砂，细度模数253.2，无杂质，含泥量v 1%。4、采用洁净中性水，PH值大于8。5、防冻剂、粘稠剂性能、组分符合要求。（三）、配合比混凝土（喷混凝土）配合比必须进行多次试配，选择最佳配合比。要求：水泥量v450kg/m3;水灰比不宜大于 0.5，最大不超过0.55;泵送混凝土坍落度 1416cm ;强度满足设计值+ 5Mpa ;防 水等级满足设计值且 S6; 200次冻融循环强度损失值w 15%

18、;外加剂掺量满足防冻要求。（四）、防冻保温措施1、所有材料必须入库、入棚，防止冰雪浸蚀。2、设置加热仓，使用前对集料预热，融化冰膜雪块。3、安装锅炉预热拌和用水。4、 拌和站采取措施加热保温，保证混凝土生产场所温度W+5C。5、混凝土熟料运输必须采取保温措施。6、混凝土浇注和养护过程采取措施保证混凝土工作温度。7、设备和人员采取措施防寒，保证混凝土连续正常生产。（五）、施工过程质量控制要点1、密切与气象部门联系，预测施工期间的气温。2、加强作用环境温度检测，便于采取措施。3、砂、碎石水的预热温度必须根据作业环境温度和混凝土入模温度进行热功计算确定。4、 注意材料的预热温度控制，砂、碎石不大于+40C，水不大于+ 60C，严禁直接加热水泥。5、严格投料顺序和搅拌时间。按照石子砂水泥外加剂水顺序投料，开盘前用热水冲洗 拌和机；搅拌时间不小于 3min 。6、 严格控制熟料出机和入模温度，均不小于+5C。7、 入模前必须检测混凝土温度（应不小于+5C）,检查是否有结冰或冻凝现象。8、混凝土熟料出机后尽快浇注入模，防止热量散失。9、混凝土未达到抗冻临界强度严禁拆模。10、 混凝土应进行抗压、抗渗、抗冻融试验，其中抗压应做R3、 R7、 R28 三种试验。11、若初凝前冻伤，应采取措施迅速解冻，降低标号使用；若初凝后冻伤，只能废弃。九、安全