探析隧道施工初期支护防护技术

余从烽

摘要：依据隧道设计理念，二次衬砌是为了进行安全储备，起到主要承力作用的是永久性支护。但是，在一些特殊环境下，例如寒冷地区，初期支护经常会出现损伤劣化现象，二次衬砌会承担隧道的全部荷载。在强荷载作用下，二次衬砌可能会出现冻害现象，并且产生开裂，隧道安全将受到威胁。所以，对隧道初期支护进行研究和分析非常有必要。本文旨在对初期支护混凝土破坏以及季节性冻土隧道温度场分布规律进行分析，并对寒区隧道初期支护防护技术进行总结。

关键词：隧道；初期支护；防护技术

1初期支护混凝土破坏机理分析

当前，虽然已有很多人对混凝土抗冻耐久性进行了研究，但是研究成果相对较少。在对喷射混凝土的冻融损伤问题进行研究时，应借鉴混凝土的冻融损伤机理分析成果。

导致混凝土冻融损伤需要具备三方方面因素。首先，是环境温度的正负变换；其次是水的作用，水在三个因素中占有重要地位，混凝土内部含有一定数量的水分；再者，混凝土的冻融损伤与混凝土本身内部空隙结构有关。要使混凝土的冻融损傷最终形成需要这三个因素共同作用。关于混凝土的冻融损伤机理即使各国学者对其进行了很多的研究，但其结果仍很不理想，直到现在，关于混凝土的冻融损伤机理的研究成果并不是很明确。其中主要研究成果有：吸附水理论、临界饱和理论、静水压理论、渗透压理论等。也有部分学者提出混凝土的冻融损伤机理是几个机理共同作用的结果。

2季节性冻土隧道温度场分布规律调查分析

2.1温度场分布规律的影响因素

影响季节性冻土隧道温度场分布规律的因素多种多样，主要概括为以下六点：（1）受隧址区环境温度对洞内温度变化规律的影响，即洞外气温。一般来说，洞外气温与洞内气温一致，洞外气温高则洞内气温高，反之洞外与洞内气温都低。（2）洞内气温的高低变化，其产生的影响因素有隧道进出口洞门的高低、日照条件、主导风向的不同。一般情况下，高洞口的气温高于低洞口的气温，朝阳洞口气温高于朝阴洞口，北风洞口气温高于向分洞口。（3）隧道长短的影响。（4）隧道内空气的流通速度的影响。（5）对保温层的设置。为避免不必要的麻烦，要阻止寒冷空气的入侵，这就要发挥保温层对围岩和隧道内空气之间的热交换的限制作用，使得保温层内侧温度变化梯度大于外侧，且两侧存在较大温差。而防寒门则改变了洞内外的交换条件，使得进洞后的负温段显著缩短。（6）地温、围岩的岩性、含水量的大小、断面形式、剖面形式、设计和施工方法、支护形式等都对隧道内温度分布具有重要影响。

2.2季节性冻土隧道温度沿隧道纵向的分布规律

许多学者采用在隧道洞内边墙上按一定间隔布设温度元器件，并定时对数据进行观测和分析的方法对温度沿隧道纵向的分布规律进行了研究和分析，为的是更好的观测洞内外气温的动态。初次测试并没有得出温度沿纵向的分布规律，往往是由于初期测试的隧道长度短于1km或由于测试的时间不够长，正是因为如此，学者们得出的结论是距离洞口越远，围岩温度越高，隧道洞内气温也相应升高。

2.3季节性冻土隧道围岩沿径向和纵向的分布规律

（1）统一断面不同部位围岩温度分布规律

不同隧道处拱顶、边墙、拱腰的温度分布规律不同是由于受到不同地质条件和隧道埋深的影响。但是各部位出现负温的时间由于不同的埋深又有一定的规律而言。对于隧道浅埋段，围岩不仅受到外界环境温度的作用，还受到隧道内空气的作用，以至于各部位出现负温和正温的时间是同步的。但是对于深埋段，外界环境温度对隧道内温度分布规律的影响几乎是可以忽略不计的。所以，在温暖季节时，拱顶因聚集在隧道上方的热空气会率先融化，在寒冷季节时地面最后出现冻结现象。

（2）不同断面围岩温度分布规律

采用二次衬砌的方法，会使内温值变化较大，而围岩内的温度变化相对平缓。在径向一定范围内，围岩温度沿深度的变化基本呈线性变化趋势。但是在不同的季节围岩温度变化规律会有所不同，在寒冷季节时，围岩温度会逐渐上升，在温暖季节温度则逐渐下降。随着时间的变化，围岩温度的变化呈正弦函数分布，而随着深度的变化，其中年平均温度和温度振幅径向可以拟合呈指数函数。围岩温度和季节是同步变化的。沿隧道纵向，围岩和衬砌表面温度近似呈抛物线分布。

3寒区隧道初期支护防护技术分析

（1）采用耐低温喷射混凝土技术

原材料加温：水泥和外加剂应储存在保温库房内，切记不可放在室外；在平时就应用棉被将砂石进行覆盖，使其保持在适宜的温度，搅拌前利用蒸汽或地炉将温度控制在16～30℃对砂石进行加热；施工用水则用锅炉将温度加热到50～70℃。原材料的选择：应当选用强度高于32.5Mpa的抗冻性较好的硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥。选用级配良好、质地坚硬的砂石作为骨料，砂则采用中砂或粗砂。外加剂：混凝土在低温环境下会因水的冻结而导致混凝土内部产生裂缝，这样一来，混凝土在低温环境下施工很难达到设计强度，因此，防止混凝土中水的冻结是在施工时采取的主要措施。外加剂的涵盖内容非常广，例如防冻剂、减水剂、早强剂。例如大坂山隧道中采用的MNC-C型混凝土防冻剂的这类防冻剂有几种组分复合而成，其抗冻能力强，大大改善混凝土的施工性能。混凝土的运输：为了减少热量损失，混凝土运输车在运输过程中一般在运输车上铺设一定厚度的保温层并在其表面覆盖一层篷布。混凝土的喷射和保养：喷射混凝土的强度等级大于等于C25，而且必须采用湿喷工艺，才能使材料的抗冻耐久性达到要求。混凝土喷射原则：采取分段喷射和分块喷射；喷射顺序，要先喷射边墙，其次是喷射拱脚和拱腰，最后喷射拱顶部位。喷射距离要适宜，既不能过远也不能过近，要根据湿喷机性能和喷射部位确定合理距离。

（2）设置防寒保温门、空气幕

在车流量相对较少的隧道多采用防寒门进行防冻，其效果明显。若频繁地开启防寒门必然影响其保温效果，因此在车流量比较大的隧道其防寒门防冻的技术需要继续改进。空气幕保温法原理参照保温隔热层。空气幕主要是使洞内保持较高温度，从而缓解围岩的冻胀，这就要空气幕利用空气的地导热性能，从而阻止外界冷气流进入洞内，减少隧道内温度与外界问的的热交换。与防寒门相比，空气幕对车辆的运行较小，管理工作简单，安装维修简单。

（3）围岩注浆堵水

围岩注浆是一种防止地下水流向隧道的防冻措施，为填充围岩之间的裂缝一般都采用围岩注浆，从洞内向围岩内注入浆液，封堵水流通道，在初期支护外形成一道防水墙。要使围岩的稳定性增强，防止围岩发生渗漏作用，增大围岩的强度，减少围岩的冻胀性，都可采用围岩注浆。初期支护会应受力过大而发生开裂的现象，为避免这类现象的发生可采用围岩注浆，经过注浆的围岩相当形成了一道拱圈，足以承受隧道上部的荷载。注浆材料首选流动性好、耐低温、可注性强、不污染环境、凝结时间容易控制的材料。但注浆堵水的缺点就是其耐久性效果不理想，因此，在选择注浆材料时需要做更深一步的研究。

（4）火炉加热、电加热法

为了防止混凝土发生冻结，在初期支护施工过程中，往往在隧道内安放火炉或采取电加热法。采用火炉和电加热法使洞内温度保持在冻结温度之上，避免喷锚混凝土在终凝之前或硬化后遭受冻结，同时也保障了隧道内停放机械的正常运行，其防冻效果明显。将局部用火炉加热这一措施应用在隧道施工过程中，其防寒效果极其明显。

参考文献

[1]李占奎.寒区隧道拱墙铺设防水保温层施工方法.隧道建设，2014.