研发高原高寒地区桥隧冻融劣化机理与防控技术

研发高原高寒地区桥隧冻融劣化机理与防控技术一、隧址所在区域自然环境高原是指海拔高度在500m以上的地区，世界高原分布甚广,连同所包围的盆地一起，大约占地球陆地面积的45%。

中国境内有青藏高原、云贵高原、内蒙古高原、黄土高原等四大高原。

青藏高原地势高，平均海拔4000m以上，多雪山冰川;云贵高原地形崎岖不平,海拔1000~2000m,多峡谷及典型的喀斯特地貌;内蒙古高原是蒙古高原的一部分,海拔1000~1400m;黄土高原是世界著名的大面积厚层黄土覆盖的高原，海拔800～2500m,沟壑纵横，植被少,水土流失严重为世界罕见。

高原地区长期面临着多年冻士的地质构造，高寒缺氧、千旱少雨的环境和脆弱的生态等世界铁路建设难题。

我国高原铁路建设由于纬度低、海拔高、日照强烈、地质构造运动频繁等特点，与普通地区相比较，接受太阳辐射多，日照时间长，气压低，氧气含量少气侯环境相对恶劣;受河流和冰川的侵蚀和切割作用明显,地质条件相对复杂,生态环境相对脆弱;普遍人口稀少，交通闭塞，物流不畅,建筑资源相对匮乏,增加了铁路建造技术难度，因此对高原铁路建造技术进行系统研究总结，对高质量建设我国高原铁路，有效推动铁路沿线城市的文化交流和经济发展有着重要的现实意义。

二、桥涵工程施工技术（一）桥梁施工关键技术1.低温环境下早强高性能混凝土施工技术在高原多年冻士区进行混凝土施工，面临着高原缺氧、负温施工、冻士和环境保护等多方面的难题，混凝士施工技术方案必须体现以人为本、成熟有效、安全可靠、顺应环保的指导思想，桥梁下部结构混凝士选用DZ系列低温早强高性能混凝士，其主要性能特点是：（1）超塑化：在坍落度200mm条件下，混凝土不泌水不离析，便于施工，易于密实。

（2）负温增强效果明显：在单位胶凝材料用量相同条件下，DZ型混凝士在规定温度为-20°C 的条件下，7d 和28 d 的抗圧：度比同期基准混凝士分別提高20%～40％和10%~25%. （3）对冻士层的热挠动小;当人模温度在5C左石时，离钻孔灌注桩表面20cm 处冻土的最大温升为3℃,离桩表面1m处冻士的最大温升为0.66°C,离桩表面2m处最大温升为0.21°C(去除环境温度影响因素）。

（4）坍落度保持适宜：当初始坍落度为200~210mm时,1h后混凝土的坍落度可保持在180~200mm。

（5）使用温度范围广：可满足不同季节、不同使用环境条件的混凝士施工，适用温度范围为10°C~20°C。

（6）高耐久性：坍落度达200mm左右时，混凝士的抗冻融循环次数达300次以上;采用适当配比配制的混凝士能耐极限浓度达1500mg/L的硫酸盐腐蚀;氯离子渗透值不超过1000库仑;耐风蚀磨耗率小于0.5kg/m’;可使骨料的碱-硅酸反应膨胀率降低50%以上。

2.高寒地区预制梁运架技术（1）预制梁主要特点：针对高原多年冻土区专门设计专用桥梁，主梁仍采用分片工梁,两片梁组成一孔,但与一般地区的同类桥梁相比，其主要特点如下：①加大了桥梁外形尺才：梁顶宽从1.92m增大到2.07m;两片梁腹板中心距从1.8m增大到2.0m，目的是增强稳定性和抗震性，增加桥面道作数量，利于桥上轨道线路的维护保养。

②提高了混凝土强度及弹性模量指标：普通高度梁梁体混凝土强度从C40提高为C50,封端混凝士强度从C35提高为C40,弹性模量指标从34GPa提高到35.5GPa。

③增加了梁体钢筋用量：平均每孔梁增加Q235及HRB335结构钢筋约1000 kg。

④专门针对高原桥梁提出了混凝士耐久性能八项指标即抗冻融循环、抗渗性、护筋性、抗裂性、抗氯离子渗透、耐腐蚀性、抗碱骨料反应、耐风蚀性。

梁体混凝土,必须满足以上八项耐久性指标。

⑤为使梁体混凝士满足强度、弹模、外形外观等常规指标要求和耐久性能达标,生产条件和生产工艺要求更为严格，质量要求更高。

高原铁路耐久性T梁,8m、12m、16m桥梁采用先张法预制，其原因是先张法预应力混凝士梁克服了普通钢筋混凝土梁梁体笨重和后张法预应力混凝士梁工艺复杂的缺点而在中小跨度中得到广泛运用。

（2）制梁基地设计基本思路①三通一平:电力采用满足负荷的发电机组供电，电力线路架空。

水买用地下水井，深井泵抽水使用;高原高寒地区施工供热设备是重点，通过计算使用多台锅炉供热，保证人员供暖和创造低温下施工的条件。

高原高寒地区土方平整必须注意场地的排水，避免雨季山洪对施工造成影响。

同时必须注意环境保护，土方挖掘时，先要进行草皮移植，所有的弃士须按照要求倾倒至指定地点。

②后勤医疗保障：制梁基地处在青藏高原无人区,缺氧严重，医疗条件极差。

为体现“以人为本”，首先建立医疗站、供氧站和高压氧舱，制定强制吸氧制度，保证参建人员身体健康;其次建立员工生活区，使用生活锅炉保证供暖，基地其各良好的生活设施和丰富的精神文明生活。

3.梁场平面布置针对不同梁场生产任务的多样性以及桥染预制在一段时期内某种梁型需求十分集中但其他品种生产同样缺一不可的情况，为便于根据实际情况对产量进行调整及多品种情况下装车发运桥梁，制梁基地可采用纵向或横向的工艺平面布置。

梁场布局充分考虑多梁型情况下生产和存梁移梁发运的关系,符合施工工序操作实际,确保能够有力地提高施工效率,保证桥梁及时供应。

4.梁场建设高原铁路工梁在预制场标准化预制,需要关注在高原地区多年冻土区域进行预制场设置过程，预制台座与存染基础尽量选择桩基础，场地必须硬化,排水设施要完善。

8~16m工梁,选择现场制梁提前预架方案;24~32m工梁,由大型专业制梁厂预制,轨道车运输,架桥机架梁。

三、隧道工程施工技术（二）寒区隧道冻害处治技术（1）寒区隧道冻害类型及成因分析1.衬砌漏水和挂冰在地下水较丰富的区域，当隧道衬砌背后的纵向或环向排水设施有缺陷时，水就会沿着衬砌中的裂缝浸出，这种裂缝可能是施工缝，也可能是由于衬砌施工质量不佳而产生的不规则裂缝。

当气温下降到。

°C以下，浸出的水产生冻结,水冻成冰后的固态体积要比液态状态下增加9%左右，体积的增大导致其产生很大的冻账力，裂缝中的结冰就会对裂缝产生很大的挤压力，导致裂缝变宽甚至破坏，浸水通道越来越宽,循环迭代,村砌背后的水源源不断流向隧道内，在隧道内形成悬挂的冰条，严重威胁列车运行安全,所以预防冻害第一步是必须保证隧道不渗漏。

2.隧底冒水、积冰冻胀在隧道底部积存的地下水,其往往带有一定的压力,当隧道侧排水沟、中心排水沟中的水冻结堵塞或者施工质量问题导致其排水不通畅时,地下水就会从隧道底部漫出，当水压较大且水量较多时，就会有大量水进人隧道，在地板上形成一层厚厚的结冰,影响行车安全,有的甚至淹没轨道，造成严重事故隐患。

3.衬砌开裂、酥碎、剥落耐砌开裂、酥碎、剥落主要是温度作用下的热胩冷缩和水冻结作用下的冻账力引起的。

寒区环境下隧道的裂缝形式主要有环向裂缝、纵向裂缝和斜裂缝。

环向裂缝在寒区隧道中出现的较多,大多由施工缝开裂造成,其对衬砌受力影响不大，但是可能会出现漏水和挂冰，也影响讨砌结构耐久性。

纵向裂缝和斜裂缝与衬砌结构形式有关联,相对而言，直墙结构更容易出现此类裂缝，其会严重影响隧道衬砌的受力稳定性。

4.洞门墙开裂洞门墙开裂是隧道冻害中较为普遍的一种病害形式。

严寒地区隧道沿线温度分布特点是洞口温度最低，向内温度逐渐升高。

而洞门墙完全暴露在寒冷环境中，妥温度应力影响较大，当墙背后有积水时，受冻胀力影响就很明显。

最重要的是，在暴露的环境下泥凝土浇筑温度无法保证,后期养护也很难达到要求,各种因素导致洞门墙已经成为隧道的一个薄弱环节，其开裂概率很大，已经成为寒区隧道建设中必领要重视的一个问题。

5.排水系统冻结排水系统冻结往往会引起严重的隧道冻害事故。

严無地区隊道防冻害排水系统主要有侧排水沟、中心排水沟和泄水洞，这些排水结构如果设计不合理或施工不到位，或者保温设施设置不合理，将会导致内部水发生冻结堵塞，丧失其排水能力，这是奕区隧道建设必须要杜绝的问题。

6.洞口热融滑塌在冬术春初委节或者昼夜温差较大的地区，洞口边坡上的积雪会在白天融化晚上结冰，在这种冻融循环作用下，边城士体的力学参数尤其是抗剪强度会降低从而发生边坡滑塌。

（2）寒区隧道防冻害措施研究保温层是目前预防隧道冻害最常用的措施，具有施工便捷、效果好、造价低廉等优点。

保温层不是所有严寒地区都能使用，一般用于最低月平均气温在一15°C~5℃之间的地区。

对于最低月平均气温超过上达范围的，在隧道两端可能无法保证衬砌温度在0℃以上,需要在两端一定长度范围采取供热措施。

保温层施工方法主要有表面喷涂、表面铺设和中间铺设。

表面喷涂法是通过气压将含有保温材料、胶凝材料及速凝剂等的混合物喷射到隧道衬砌表面,黏结凝固后形成一层保温隔热膜。

表面铺设法是将提前制作好的保温板错固到隧道的初期支护或二次衬砌表面，形成保温隔热层。

中间铺设法是使用胶黏剂和错固剂等,将提前制作好的保温板固定到隧道衬砌表面,形成保温隔热层，然后再洗筑一层衬砌混凝土。

四、后勤保障体系（一）后勤保障意义（1）奠定基础保障性后勤保障工作在整个施工单位日常经营管理中发挥基础保障性的职能，尤其是在高原特殊和复杂的自然条件下，后勤工作对保障铁路建设的顺利开展更凸显其重要性。

后勤工作为施工企业资产管理、工作环境美化等提供管理和服务保障;为施工员工生活、健体、医疗、提供物资和服务保障;为施工企业应急预案提供配套物资、通信等保障。

（2）促进协调服务性高原地区的自然条件给铁路建设协调开展提出了更多的挑战。

后勤保障要实现资源优化配置和使用,实现存量资源、新增资源的科学规划和统筹配置，以推进资源统一管理和集约配置。

为了协同应对高原边陲地区铁路建设和开发的困难，同一地区基地和中心之间的资源统筹协调和共享共用尤为重要。

高原后勤保障以服务为宗旨，系统协调后勤职工的工作，为企业和员工的职能活动提供有效的物质保障，保证各部门工作的有序开展。

（3）塑造企业形象性铁路设施建设属于公共基础设施建设的范畴，与人民群众的根本利益有最直接的关系,尤其高原边陲地区,铁路建设从根本上影响着当地社会和经济的发展。

后勤工作每时每刻体现着企业的形象，例如，整洁的办公环境和营业场所、设施齐全的活动场所、整洁卫生的职工食堂等都代表着企业形象。

尤其是后勤人员工作和服务的周到、规范，生动体现着企业形象，也会通过一线员工传递到社会之中。

（二）后勤保障的特点、难点（1）经济发展滞后，物资就地筹措难高原寒区以农牧业为主,产业发展质量和效益不高，物产不丰,物资缺之,就地筹措物资和器材等十分困难。

然而,由于高原后勤保障的现实需要，对物资的需求量、品种等要求更高。

一是建设人员在恶书的高原环境下体力消耗较大,产生保暖需求和饮食需求,除了要有主副食品供应外，还应有一些高原特需的物资器材;二是因气候复杂多变带来的保障物资供给的品种异常繁杂，寒区、温区乃至热区物资应一应俱全;三是环境恶劣使得物资的自然损耗严重、使用时间缩短、运转周期加快，后勤保障实施时既要考虑储备需求，又要考虑发生在过程中的损耗。