高原多年冻土区隧道衬砌混凝土泵送施工技术论文

1、高原多年冻土区隧道衬砌混凝土泵送施工技术摘 要 本文就昆仑山隧道低温早强耐久衬砌混凝土泵送施工的主要技术难点以及施工注意事项进行了论述，通过试验研究，提出可行的泵送施工工艺。关键词 衬砌混凝土 泵送施工 质量控制1 概述青藏铁路昆仑山隧道起止里程dk976+250dk977+936，全长1686m，海拔4600m4800m，是目前世界上高原多年冻土区第一长隧。它地处青藏高原连续多年冻土区，地质极为复杂，穿越多条断裂带，进口处有厚层地下冰，出口段为乱石堆积体，石质破碎，中间有裂隙水和融冻泥流，施工难度在我国铁路建设史上史无前例。昆仑山隧道采用曲墙带仰拱整体式模筑钢筋混凝土衬砌，模筑混凝土支护。模

2、筑混凝土支护为隧道结构的组成部分，其拱部背后进行回填压浆。模筑支护与模筑衬砌之间设5cm厚的隔热保温层，以减少气温与地层热交换。全断面设复合防水板，拱墙施工缝设环向盲沟，与衬砌墙脚纵向盲沟连接。防水及隔热保温层按“防水板+隔热层+防水保护层”的结构形式，沿隧道全断面铺设，形成隧道二次模筑衬砌完全和地层隔离。其中，模筑支护用c25低温早强耐久混凝土20680m3，模筑衬砌用c30低温早强耐久钢筋混凝土38914m3。昆仑山隧道于2001年9月7日开工，2002年9月贯通，2003年2月主体工程完成，并达到铺轨条件。由于工期紧，混凝土数量大，再加之未在高原多年冻土区施工过混凝土工程，同时在模筑支护

3、与模筑衬砌之间还要施作隔热保温层和防水层，因此给衬砌混凝土施工带来了极大的困难。为此，我们作了大量的试验研究工作，优选了施工配合比，制订了切实可行的施工工艺，保证了施工工期和工程质量。昆仑山隧道采用先施做仰拱，再施做拱墙的顺序进行衬砌施工，衬砌作业采用混凝土搅拌站-混凝土输送车（有轨、无轨）混凝土输送泵衬砌模板台车的设备配套模式。这给混凝土施工提出了更高的要求，不仅要满足低温、早强、耐久的需要，同时还必须要满足泵送施工的要求。设计要求：混凝土强度等级 c25、c30 抗渗等级 s12 抗冻指标 d300施工要求：满足泵送施工需要，坍落度173cm 1h坍落度损失 2cm施工时既要保证混凝土浇筑

4、所带入的热量最小，使水化热温升不致对冻土结构产生破坏，又要保证混凝土浇筑后能在规定时间内达到抗冻临界强度和拆模强度。要求混凝土入模温度为102；拆模强度：模筑支护17.5mpa，模筑衬砌9mpa。2 衬砌混凝土施工工艺流程衬砌混凝土施工工艺流程见图1。铺设衬砌台车轨道拆堵头板，收拢模板，台车就位喷刷脱模剂安挡头板，布设输送管浇注混凝土混凝土养护拆挡头板、脱模、台车移至下一循环位置图1 砌衬混凝土施工工艺流程图3 衬砌混凝土施工3.1 原材料的选择3.1.1 水泥 水泥的选择主要是两方面，一是品种与强度等级，另一方面是用量。为了保证混凝土获取足够的早期强度，同时使混凝土具有较好的可泵性，应优先选

5、用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，强度等级32.5mpa。通过试验选用昆仑山牌32.5r普通硅酸盐水泥，其用量范围为400kg/m3500kg/m3，主要性能指标见表1。表1 昆仑山牌32.5r普通硅酸盐水泥主要性能指标物理力学性能项 目标准实测细度筛余（%）10.06.1凝结时间（h：min）初凝0：451：43终凝10：002：40安定性沸煮合格合格强度mpa3天抗折3.54.4抗压16.020.428天抗折5.57.5抗压32.541.2化学成份（%）项 目标准实测mgo5.02.10so33.51.94烧失量5.02.67混合材（火山灰）12.73碱含量0.583.1.2 骨料 骨料在混凝

6、土中起骨架的作用，粒径在0.155mm之间的称为细骨料；粒径大于5mm的称为粗骨料。骨料的选择要考虑高寒地区施工特点和泵送施工特点两方面的因素。细骨料选用中砂，含泥量小于3%，粗骨料选用经15次冻融循环试验合格（总质量损失小于5%）的坚实且级配良好的碎石或卵石，不应有风化的颗粒，含泥量小于1%，最大粒径40mm。经试验选用三岔河河砂，西大滩碎石场花岗岩碎石，其主要性能指标均满足要求。3.1.3 防冻剂低温情况下，由于水泥水化反应慢，妨碍混凝土强度的增长。新浇筑的混凝土如强度过低和过早遭受冻结，将大大降低其最终强度（强度损失率可达到设计强度等级的50%），甚至引起整体结构破坏。如果混凝土达到临界

7、强度后遭受冻结，混凝土的终期强度损失较小，不会发生整体结构破坏。因此，必须掺用适宜的防冻剂，使其在负温下保持足够的液相，让水泥的水化作用得以继续进行，转入正温后，混凝土强度能进一步增长，并达到或超过设计强度等级。经过试验选用mnf-1高效防冻剂和dz系列低温早强耐久耐侵蚀混凝土外加剂。其主要性能指标见表2、表3。表2 mnf1高效防冻剂基本性能指标试验项目性能指标标准要求试验结果减水率（%），不小于81018泌水率比（%），不大于10090含气量（%），不小于2.544.5凝结时间差（min）初凝-120+120-50+50终凝-30+70抗压强度比（%），不小于温度范围（）-5-20-5-2

8、0r289585110100r-7+289580115100r-7+5610010812390d收缩率比（%），不大于1207598渗水高度比（%），不大于1003048300次冻融耐久性指标（%），不大于1007592耐so42-侵蚀能力（mg/l）4000极限可达5000对钢筋锈蚀作用无无cl渗透性能，不大于（库仑）10007501000抗风蚀性能，不大于（kg/m2）0.51.20.33与水泥适应性可与鸳鸯、大通河、祁连山、昆仑山牌42.5r、32.5r普通硅酸盐水泥匹配3.1.4 早强剂 掺用早强剂是提高混凝土早期强度，缩短养护时间最简单、最有效的方法之一。选用适宜的早强剂与防冻剂复合

9、使用，可以确保混凝土在规定的时间内获得足够的抗冻临界强度和规定的拆模强度。经过试验选用mnf-9早强剂，其基本性能见表4。3.2 施工配合比的确定 配合比选定的好坏不仅影响施工质量，而且将直接影响整个结构的质量和使用寿命。昆仑山隧道衬砌用低温早强耐久混凝土配合比设计时，首先必表3 dz系列低温早强耐久耐侵蚀外加剂基本性能指标试验项目性能指标标准要求试验结果减水率（%），不小于81821泌水率比（%），不大于10093含气量（%），不小于2.54.85.0凝结时间差（min）初凝-120+120-60+40终凝-10+60抗压强度比（%），不小于温度范围（）-5-20-5-20r28958512

10、5106r-7+289580126110r-7+5610013612090d收缩率比（%），不大于12080106渗水高度比（%），不大于1004057300次冻融耐久性指标（%），不大于1006090耐so42-侵蚀能力（mg/l）4000极限可达15000对钢筋锈蚀作用无无cl渗透性能，不大于（库仑）10006801000抗风蚀性能，不大于（kg/m2）0.50.080.23与水泥适应性可与鸳鸯、大通河、祁连山、昆仑山牌42.5r、32.5r普通硅酸盐水泥匹配表4 mnf9早强剂基本性能指标试验项目性能指标标准要求试验结果泌水率比（%），不大于10083凝结时间差（min）初凝-90+90

11、-40+30终凝-30+35抗压强度比（%），不小于1d1351351503d1301301607d11011014028d100100110收缩率比（%），不大于12090118与水泥适应性可与鸳鸯、大通河、祁连山、昆仑山牌42.5r、32.5r普通硅酸盐水泥匹配表5 混凝土物理力学及耐久性能指标强度龄期d1.52728-7+28-28+28c25（mpa）18.327.235.036.637.037.8c30（mpa）12.327.934.237.637.138.2抗渗s12抗冻d300坝落度18cm坍落度损失（1h）2cm出机温度13入模温度911抗氯离子性能720库仑对钢筋锈蚀作用无须

12、考虑的是要满足强度、抗渗和抗冻融循环的要求；第二是要保证混凝土在规定时间内获得足够的抗冻临界强度，使之不遭受冻害；第三是要满足施工的要求，即坍落度和拆模强度要满足泵送快速施工的要求，同时，还必须考虑混凝土在硬化过程中释放出的热量对冻土围岩的影响。根据以上需考虑的因素，通过正交试验确定其施工用配合比为：c25:水泥:砂:石:防冻剂:早强剂=1:1.973:2.962:0.04:0.015（101#） c30:水泥:砂:石:防冻剂 =1:1.702:2.164:0.111（102#） 其性能指标见表5。3.3 混凝土的拌制及运输昆仑山隧道地处高原多年冻土区，在工期紧、自然条件恶劣、寒季混凝土施工数

13、量大的条件下，衬砌施工首先要解决的就是拌制合格的低温早强耐久混凝土拌合物。为保证能拌制出入模温度、坍落度、可泵性等均能满足施工要求的混凝土拌合物，并确保衬砌混凝土的施工质量，采用集中搅拌站拌制混凝土，搅拌站设在保温大棚内，拌合用的砂、石料同时存放在保温棚内，且设地炉或加热料仓对其进行加热，原材料的加热温度通过热工计算确定。3.3.1 原材料的加热为保证混凝土入模温度在102范围内，考虑运输过程中和运至工地后泵送施工过程中混凝土热量的损失，通过热工计算，确定混凝土出机温度应保证在1315范围内。各种原材料的加热温度按以下要求控制：（1）水泥、外加剂均不直接加热，但应储存在保温库房内，保证在正温条

14、件下使用。（2）水采用锅炉直接加热，加热温度控制在3070。（3）砂、石料加热的数量根据一次连续生产混凝土的用量要求，并留有一定富余。采用地炉或加热料仓预先对其进行加热，砂的加热温度控制在820范围，石子加热温度控制在210范围。3.3.2 混凝土拌制（1）水泥、外加剂和经过加热的水及骨料分别计量，计量误差：水泥、水、外加剂为1%，骨料为2%。（2）经过计量后的材料按设计的搅拌加料顺序进入搅拌机进行搅拌。当水温高于60时，应调整投料顺序，使水先与骨料预拌，然后投入水泥开始正式搅拌。（3）搅拌时间不得小于90s。3.3.3 混凝土的运输混凝土运输过程是热损失的关键阶段，为了保证混凝土的入模温度，

15、混凝土在运输过程中，特别是在寒季施工必须采取保温措施，以尽量减少热量损失。混凝土采用混凝土输送车运输，在输送车的转筒外采用棉絮和棉帐蓬材料加设保温罩，保温罩不能影响转筒正常运转。运至工地后应及时组织泵送入模，停留时间不能超过混凝土初凝时间。3.4 衬砌混凝土泵送施工由于高原缺氧，在面临人、机工作效率下降及工期十分紧张的情况下，应尽可能地采用机械化施工，尽量减少人工作业。为此，衬砌混凝土必须采用泵送施工。3.4.1 泵送对混凝土施工性能的基本要求泵送混凝土是用混凝土输送泵，将混凝土通过输送管道送至浇注地点的一种施工方法。泵送混凝土除须满足设计要求的强度、抗渗、耐久等指标外，还必须要有良好的施工性

16、能，具有摩擦阻力小、不离析、不阻塞和凝聚性适宜等能顺利通过管道的性能，即可泵性。因此在进行配合的设计时，就必须充分考虑水泥品种、掺量，外加剂品种、掺量，骨料级配、形状、粒径及砂率等因素的影响，根据管道压送的特点，在坍落度、坍落度损失及凝结时间等方面作特殊处理。3.4.2 泵送设备由于昆仑山隧道空气稀薄，含氧量低，一般泵送设备难以适应，为此我们选用三一重工研制的hbt60高原型混凝土输送泵，该输送泵的主要特点是系统工作可靠、出口压力高、效率高、维修简单、高原适应性能好，其主要技术性能：混凝土输送量（低压）：62.5m3/h混凝土输送量（高压）：40.5m2/h混凝土输出压力（低压）：11mpa混

17、凝土输出压力（高压）：6.5mpa液压系统压力：32mpa电动机主动力：110kw电源动力：380v/50hz最大输送距离：125mm管，水平850m，垂直250m。150mm管，水平950m，垂直270m。3.4.3 衬砌混凝土泵送施工（1）准备工作对使用的各种机具、设备进行检查，使机械在施工中能正常运行。按施工组织设计方案安装输送泵、布管，必要时对输送管道进行包裹保温。泵送完毕，应清理管道及泵，放净贮水，以防冻裂。准备足够数量的混凝土，保证衬砌施工连续进行。（2）安全注意事项作好漏电保护，泵送时严禁将手放入料斗、水箱，严禁出料口正对面站人，经常检查管道，特别是软管弯折、扭转时要注意爆管伤人

18、。（3）混凝土泵送浇筑混凝土浇筑采用衬砌模板台车施工，使用衬砌台车具有模板刚度大、整体性好、浇筑速度快、质量高等优点。衬砌台车就位之前，应按线路中线和高层结合允许施工误差和预留沉落量及冻胀量，对断面进行复核和整修，轨道对称于隧道中线铺设，轨距、水平符合要求，以提高模板的对位精度和速度。然后立模、安装挡头板，模板接头应整齐平顺，挡头板与岩壁间缝隙应嵌堵紧密。检查台车就位是否准确，支撑是否牢固，严防走动，确保灌注过程中台车不发生位移，模板不变形。最后清除底部的所有废碴、污物和积水进行混凝土浇筑，浇筑时要保证入模温度在102范围内，两边对称进行，由远而近分层浇筑，每层厚度宜为30cm50cm，并用振

19、捣器捣固密实。浇筑时混凝土的自由倾落高度不得超过2m，否则，将引起混凝土的离析和大量气泡的产生，影响混凝土的表面光洁度。4 养护与拆模养护是混凝土拌合物经密实成型后，保证水泥能正常完成早期水化反应，演变成水泥石结构，以便获得预定的物理力学性能和耐久性能所采取的工艺控制措施，它是获得优质混凝土的关键工艺之一。因此，混凝土振捣密实后，裸露的表面应立即用塑料薄膜和保温材料覆盖，进行保温保湿养护。为了保证混凝土的施工质量，混凝土一定要达到拆模强度后方可拆模，模筑支护混凝土36h强度达到17.5mpa后方可拆模，模筑衬砌混凝土1d强度达9mpa后方可拆模。5 设备配套及劳动力组织5.1 设备配套 针对昆

20、仑山隧道“高、寒、长”的特点，按下列原则进行衬砌混凝土施工设备配套。（1）最大限度采用机械化。（2）经济、效能原则，即不追求单台设备最先进，力求设备合理匹配，避免大马拉小车和小马拉大车现象。（3）从高原缺氧、低压的角度考虑，动力选型以电动为主。（4）必须与进度相适应。（5）既要考虑机械功率下降，但设备配制的富余系数不宜过大，以避免造成不必要的浪费。其设备配备见表6。表6 机械设备配置表序号设备名称型号数量主要用途1混凝土搅拌站js5006拌制混凝土2搅拌站加热设备lhg051-0396拌合用水加热3混凝土输送车volvofl3802输送混凝土4混凝土输送车volvofl2503输送混凝土5混凝土输送车jcgy66输送混凝土6混凝土输送车gla-302输送混凝土7混凝土输送泵hbt60a7泵送混凝土8电瓶车gdxt-124牵引9电瓶车xt8-7.8t4牵引10衬砌模板台车6m1衬砌混凝土11衬砌模板台车9m10衬砌混凝土12装载机4上料5.2 劳动力组织一个搅拌站，衬砌施工一个循环劳动力安排见表7。6 衬砌质量