京张高铁隧道衬砌混凝土智能式养护成套技术实践

王 杨,吕 刚,刘建友

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

高速铁路隧道经常受气候、地质及地形等自然条件影响，施工条件艰苦，施工质量难以得到保证。特别是隧道衬砌混凝土养护措施不到位，会使隧道衬砌开裂，严重影响衬砌质量和使用寿命。

混凝土浇筑后，如不及时进行养护，混凝土中水分会蒸发过快，形成脱水现象，使已形成凝胶体的水泥颗粒不能充分水化，无法转化为稳定的结晶，缺乏足够的粘结力，从而会在混凝土表面出现片状或粉状脱落。

隧道衬砌内部与表面温度差、衬砌表面与隧道内环境温度差过大时，会因产生温度应力造成衬砌混凝土开裂。

混凝土尚未具备足够的强度时，水分过早的蒸发会产生较大的收缩变形，出现干缩裂纹。添加硅灰的高性能混凝土，如果养护不及时，保湿措施不到位，会导致混凝土内部出现粉化现象，严重影响混凝土结构强度。

混凝土养护的目的是为混凝土提供适宜的硬化条件。隧道衬砌混凝土浇筑完成后，如不及时进行养护，会因胶凝材料水化不充分、衬砌内外温度差和混凝土干缩等原因产生裂缝。

国内外工程界对山岭寒区隧道混凝土养护机理、方法及设备进行了大量研究工作。章金钊等[1]研究了青藏公路路基、路面、桥涵病害，提出采用纤维类复合材料，提高冻土地区结构的稳定性。房晓军等[2]研究了高原多年冻土区昆仑山隧道衬砌混凝土施工技术，提出了模筑衬砌混凝土1 d强度达到9 MPa方可拆模的混凝土养护技术指标。董谦等[3]研究了青藏铁路多年冻土工程的几个关键施工技术问题，特别是隧道进出口施工需要注意的问题。孔宝贵[4]介绍了青藏铁路高原多年冻土区涵洞施工工艺，提出了高原地区涵洞施工时混凝土养护困难，施工时应尽量采用预制工艺。

刘绪彬[5]总结了国内外高海拔高寒隧道施工的现状与发展，认为预防和去除路面与冰的联结，改进积雪控制方法是高海拔高寒地区隧道养护的首要问题。汪双杰等[6]通过对青藏公路、青康公路等高海拔冻土区公路修建技术的研究，揭示了公路路基、路面、桥涵桩基与多年冻土相互作用规律。孟祥连[7]在总结青藏铁路冻土工程设计经验的基础上，提出了多年冻土隧道设计应遵循“保护冻土”的原则，设计和施工措施应有利于冻土围岩的热稳定，尽量减少对多年冻土的扰动和破坏。

Willie Kay[8]提出采用高性能混凝土提高隧道结构耐久性的措施。仇文革等[9]研究了混凝土养护对隧道耐久性的影响。Sangpil Lee等[10]通过冻融循环试验，得出了高性能喷射混凝土比传统喷射混凝土耐久性更好的结论。

徐国生[11]介绍了使用移动台架进行铁路客运专线隧道二次衬砌养护的经验。王军庆[12]结合昌赣铁路客运专线工程，介绍了隧道二衬自制养护台架的设计和使用。

1 混凝土养护期裂缝形成机理及控制要素

导致混凝土裂缝产生的因素主要包括干燥收缩、温度变化、养护时间、碱骨料反应、钢筋锈胀以及受力等，其中与混凝土养护直接相关的是干燥收缩、温降收缩和养护时间。

1.1 混凝土干燥收缩

混凝土干燥收缩的主要原因是水泥石的脱水。水泥石在混凝土内部的收缩受制于其中的孔隙含量和孔径分布，在混凝土表面的收缩主要受制于环境湿度。

衬砌混凝土浇筑完成时，混凝土内部孔隙湿度可达100%，越靠近隧道衬砌内表面的混凝土，其脱水速度越快，因此产生表层干缩在内部约束下引发的表面性裂缝。

由于影响混凝土干缩的因素较多，且难以精确定量分析，因此世界各国大都采用经验公式来描述混凝土干缩应变[13]。

欧洲混凝土委员会CEB (Comité Européen du Beton)和国际预应力混凝土联合会FIP (Federation international de la Precontrainte)提出的混凝土在材龄为t天的干缩应变εs，t的经验公式为

εs，t=εs，oβs(t-t′)

(1)

式中t′——混凝土保湿养护结束时的材龄，d；

β(t-t′)——混凝土干缩发展系数；

(2)

其中h0——构件的名义尺寸，mm；

εs，o——混凝土名义收缩。

εs，o=εs(fcm)βRH

(3)

式中εs(fcm)——混凝土强度对干缩的影响系数；

εs(fcm)=10-6[160+10βsc(9-fcm/10)]

(4)

式中fcm——混凝土圆柱体(φ15×30 cm)抗压强度，MPa；

βsc——水泥品种系数，缓硬水泥取4，普通水泥或快硬水泥取5，快硬高强水泥取8。

βRH——环境相对湿度RH(%)对干缩影响系数。

(5)

美国混凝土学会ACI (American Concrete Institute)提出的混凝土在材龄为t的干缩应变εs，t的经验公式为

(6)

式中εs，u——混凝土拆模后持续至∞(d)的极限收缩应变。

εs，u=780×10-6Ks

(7)

式中Ks——各影响系数的乘积。

Ks=βMβHβdβSβFβCβA

(8)

式中βM——湿养天数的影响系数；

βH——环境相对湿度的影响系数；

βd——构件尺寸的影响系数；

βS——混凝土坍落度的影响系数；

βF——混凝土细骨料率的影响系数；

βC——水泥含量的影响系数；

βA——新拌混凝土含气率的影响系数。

由式(1)～式(8)可以看出，大多控制隧道衬砌干缩裂缝产生的因素，在设计和混凝土浇筑施工阶段就已经确定。养护期能够控制干缩裂缝产生的因素主要是湿养天数和环境相对湿度。

1.2 混凝土温度升降变形

温度升降会使混凝土产生胀缩变形。温度变化引起的胀缩应变

εt=αtΔT

(9)

式中αt——混凝土热胀系数；

ΔT——温度变化量。

隧道衬砌表面散热较快，与内部存在温差，混凝土会因温度应力产生裂缝。

从式(9)可以看出，引起衬砌温度裂缝的因素为混凝土热胀系数和衬砌内部与表面温度差。养护期可通过调控衬砌内部与表面温度差、衬砌表面与隧道内环境温度差，避免温度裂缝的产生。

1.3 混凝土养护期裂缝控制要素

通过对养护期混凝土裂缝形成机理的分析，可以得出结论：隧道衬砌混凝土养护期可以控制裂缝产生的要素有3个：湿养天数、环境相对湿度、衬砌内部与表面温度差和衬砌表面与隧道内环境温度差。

保证湿养天数，保持适合的衬砌表面湿度，尽可能降低混凝土养护期衬砌内部与表面温度差、衬砌表面与隧道内环境温度差，即可避免养护期裂缝的产生。

2 衬砌养护要求

通过对隧道衬砌养护期混凝土裂缝形成机理及控制要素的分析可以看出，隧道衬砌混凝土养护期可以控制裂缝产生的要素包括湿养天数、环境相对湿度、衬砌内部与表面温度差和衬砌表面与隧道内环境温度差。

根据这个结论和现浇混凝土隧道衬砌混凝土养护条件，并结合工程经验，对高速铁路现浇混凝土隧道衬砌的养护提出如下要求。

(1)混凝土振捣完毕，即开始采取适当的保温、保湿措施，对混凝土进行养护。

(2)当混凝土采用带模养护方式养护时，应保证模板接缝处混凝土不失水干燥。

(3)当混凝土强度满足拆模要求，且芯部混凝土与表层混凝土之间的温差、表层混凝土与环境之间的温差均不大于15 ℃时，方可拆模。

(4)拆模后，及时采取喷雾洒水或贴养护膜、调节喷洒水温以及送热风或气囊保温等措施，对混凝土进行保温、保湿养护14 d以上，直至下道施工工序为止。

(5)新浇筑的混凝土与流动的地表水直接接触前，应采取临时保护措施，对混凝土进行保温、保湿养护，保证混凝土获得75%以上的设计强度为止。

3 衬砌养护设备

隧道混凝土衬砌可采用智能式养护设备或粘贴养护膜等方式进行养护，必要时可采用充气式帆布气囊密贴的方式进行保温。

2016年开工建设的京张高铁八达岭隧道，采用添加粉煤灰和石粉的现浇高性能混凝土二次衬砌。衬砌养护使用了养护台车结合自粘式节水养护膜进行养护，同时采用充气式帆布气囊对养护中的隧道衬砌进行保温，取得了良好效果。

3.1 智能式养护设备

智能式养护设备是一个可以自动或人工操控行走的，集成喷水、探测、调节、通信等各种功能的综合性平台，包括养护台架、行走系统、供电系统、喷水系统和智能监控系统。

养护台架(图1)下部安装行走系统、供电系统、监控系统，养护台架上部设置喷水系统和监测设备。

喷水系统由增压泵、自动控制调节装置、喷水悬臂、喷水管和雾化喷嘴组成。

智能监控系统可以将隧道内壁监测情况发送至控制中心，执行由控制中心直接发出的行走及喷洒指令，也可以由现场操作人员接受控制中心指令，由人工控制行走及喷洒养护工作。

图1 养护台架

智能式养护设备配置有供水管和洒水喷头，供应混凝土养护用水。必要时，养护台架还可以配置若干可伸缩旋转的喷水悬臂，保证在隧道变截面处也可以实现无死角喷洒养护。

可调节式喷头对隧道壁面进行柔和喷洒，避免水流对隧道壁面产生较大冲击作用。喷洒用水温度可根据现场施工环境调整，避免水温与混凝土表面温差过大，产生初裂现象，确保养护效果。

隧道混凝土衬砌智能式养护设备可以实现养护的信息化、智能化，能够自动行走、喷淋，有效减少衬砌混凝土表面裂纹，也可以通过遥控器自动控制行走速度及喷头的喷洒位置，保证养护效果，提高混凝土衬砌强度和耐久性。

在台架上设置衬砌表面温湿度探测装置，通过探测结果自动调节喷洒位置、水温和喷洒时间，提高自动化、信息化程度，是这种设备的发展方向。

该种设备可以提高施工效率，具有轻便、操作简单灵活、喷雾效果好、适应性较强等特点，可降低混凝土养护成本，改善混凝土外观质量，净化洞内空气，减少通风时间，具有结构简洁紧凑和使用简便等优势。

3.2 自粘式节水养护膜

针对现有喷淋养护方式的缺点，如频率不够，容易形成干湿交替等，可采用自粘式节水养护膜(图2)进行保湿养护。

自粘式节水养护膜是以可控高分子吸水材料为核心，以塑料薄膜为载体，通过设备加工复合而成的卷材。其中的高分子材料可吸收自重200倍的水分，吸水膨胀后变成透明的凝胶状，把液态水固化，每平方米养护膜可蓄水0.5 kg。

养护膜所含的水分通过毛细管的作用向混凝土养护面渗透，同时不断吸收混凝土在水化过程中产生的多余水分，因此可在混凝土养护期内一直保持混凝土表面湿润。

养护膜的核心材料可降解，属于环境友好型产品。即使有部分残留在混凝土表面，也可自然降解，不会影响混凝土质量。

养护膜每平方米不足2 kg，可实现高效节水，用水量是常规养护的1/(50～100)，若覆盖及时，在养护期间可以不洒水。

养护膜每平方米最少可固定0.8 kg水分，膜内相对湿度达80%以上，可实现养护期的持续保湿。养护期间膜内温度比外界高4～15 ℃，保温性能良好。

图2 用于京张高铁八达岭隧道的自粘式节水养护膜

由于养护膜内已储存充足水分，且附带少量可降解生物胶，养护膜覆于衬砌表面时，即便在衬砌拱顶位置，也能克服自重，不发生掉落现象。采取保湿养护膜养护的混凝土20 d后表面仍然保持潮湿状态。

自粘式节水养护膜不仅可节约用水，而且可简化养护工艺、延长养护时间。养护膜可与智能式养护设备配合使用，通过养护设备上配置的传感器自动探测湿度和温度，随时对温、湿度进行调节，保证养护质量。

3.3 充气式帆布气囊

为防止混凝土芯部温度与表面温度、表面温度与环境温度之差过大，可采用充气式帆布气囊密贴的方式进行温度调节。

充气式帆布，又称气模布，具有高气密性、高强度、高耐磨性、抗冲击、耐高温及严寒、耐老化、防霉抗菌、防油抗污、耐酸碱、抗紫外线等性能。

充气式帆布气囊(图3)轻便耐用，形状可根据隧道断面需要订制，设置和拆除方便高效，可重复使用，维护保养简单，非常适合在隧道施工现场使用。

图3 用于京张高铁八达岭隧道的充气式帆布气囊

通过预先埋设的传感器，可以实时监测衬砌内部及表面温度，根据混凝土养护要求，确定充气式帆布气囊的拆除时间。

4 衬砌养护工艺

衬砌混凝土拆模后，即将智能式养护设备开行至刚拆模的衬砌段，开始进行养护(图4)。

图4 现浇衬砌混凝土养护流程

智能式养护台架在隧道中应行走自如，养护台架结构设计必须保证不影响隧道内施工车辆的正常通行。养护台架行走速度控制应以保证所有养护面能够被均匀喷洒为准，一般为5～6 m/min。

养护洒水时，喷头距衬砌表面0.3～0.5 m。通过闸阀调节喷水压力、水温和水量。喷头可采用螺旋喷头，以保证喷洒均匀。喷洒水雾间隔时间不宜大于2 h，以确保衬砌混凝土一直处于湿润状态为准。

隧道衬砌混凝土保温、保湿养护期应大于或等于14 d。养护期间，混凝土内部温度不宜超过60 ℃。混凝土内部温度与表面温度之差不宜大于15 ℃。混凝土表面温度与周围环境温度之差不宜大于15 ℃。隧道内环境温度低于5 ℃时，必须采取通风加热等辅助措施，以保证混凝土养护的正常进行。

养护用水应与拌和用水相同，水温应与隧道内环境温度相近。养护用水温度与混凝土表面温度之差不得大于15 ℃。

5 总结与展望

通过分析高速铁路隧道衬砌养护期裂缝的形成机理，找到养护期衬砌裂缝控制的3个要素：湿养天数、环境相对湿度、衬砌内部与表面温度差和衬砌表面与隧道内环境温度差，进而提出混凝土养护期控制要求，包括养护时间、养护湿度控制方法、养护期温度控制要求及强度要求等。

结合京张高铁八达岭隧道衬砌养护经验，介绍了智能式养护设备、自粘式节水养护膜及充气式帆布气囊相结合的新型成套养护设备的使用情况。

此成套技术在国内首次使用，在施工环境相对恶劣的八达岭隧道施工中取得了良好效果，大幅提高了高速铁路隧道衬砌养护质量，可作为今后高速铁路隧道施工的借鉴。

随着我国高速铁路建设的不断发展，高速铁路隧道工程也得到了快速发展[14]。高速铁路隧道施工技术逐步由机械化向智能化过渡。智能化养护设备和其它新技术、新工艺、新装备的应用，必将进一步提高我国高速铁路隧道工程施工质量和效率，为我国交通强国战略提供有力保障。