張雙茁 趙彥缽

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院橋隧處，河北石家莊 050011)

普通混凝土是目前土木工程界用量最多的人造材料，其本身具有原料豐富，成本低廉、操作簡便、耐久性較好等優(yōu)點(diǎn)，為現(xiàn)代人類文明做出了巨大貢獻(xiàn)。但是，普通混凝土結(jié)構(gòu)也暴露出了一系列問題，尤其在耐久性方面問題較為突出，相關(guān)資料顯示，在正常使用情況下，普通混凝土的使用期限為50年，而在極端情況下經(jīng)10年～20年混凝土主體結(jié)構(gòu)就會遭到較大破壞，輕則需補(bǔ)強(qiáng)、修理，重則需重建。

在山區(qū)公路中，隧道一般是重要結(jié)構(gòu)物，甚至為控制性工程。其工程規(guī)模大，施工期長，一旦遭到破壞，對公路正常運(yùn)營影響巨大，因此現(xiàn)行規(guī)范要求二級以上公路隧道的主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年，同時(shí)對防水等級等指標(biāo)都有嚴(yán)格規(guī)定。然而，隧道施工及運(yùn)營期間水文地質(zhì)條件、圍巖蠕變、周邊圍巖應(yīng)力場復(fù)雜多變，同時(shí)特殊地區(qū)還存在凍融、氯化物、化學(xué)腐蝕等不良環(huán)境作用。采用普通混凝土往往難以滿足規(guī)范要求，尤其是在地下水、凍融作用明顯的隧道內(nèi)更為明顯。

下面結(jié)合影響公路隧道耐久性及運(yùn)營安全的幾個(gè)方面對采用高性能混凝土的意義進(jìn)行簡要介紹。

1 高性能混凝土簡介

高性能混凝土(High Performance Concrete，簡稱HPC)的概念是20世紀(jì)90年代由美國首先提出的，其基本要求是混凝土應(yīng)具有良好的耐久性、工作性和強(qiáng)度。國內(nèi)工程界較為普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為:高性能混凝土不是單純追求高強(qiáng)度，其應(yīng)具備高施工性、高抗?jié)B性、高體積穩(wěn)定性(硬化過程中不開裂，收縮徐變小)、較高強(qiáng)度(C30級以上)，并保持其強(qiáng)度持續(xù)增長，最終獲得高耐久性能(耐久性提高至200年以上)。

2 高性能混凝土對主體結(jié)構(gòu)安全的影響

新奧法是當(dāng)今公路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主流方法，其精髓就是要求充分發(fā)揮圍巖的自承能力，初期支護(hù)采用柔性結(jié)構(gòu)，允許結(jié)構(gòu)有適當(dāng)變形，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果確定二次襯砌施作時(shí)機(jī)，根據(jù)不同的情況，二次襯砌分別作為安全儲備、承載結(jié)構(gòu)和特殊承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。二次襯砌彎矩圖見圖1。

圖1 二次襯砌彎矩圖

通過添加適當(dāng)外加劑制成的高性能混凝土與普通混凝土相比，大大改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，從而使得混凝土后期強(qiáng)度持續(xù)增長更快，這對作為特殊承載結(jié)構(gòu)的二襯就顯得尤為重要。由于隧址區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道在受到地震力、膨脹性圍巖持續(xù)膨脹壓力、受地下水影響圍巖松散壓力增大、山體后期變形等不利工況時(shí)，由于其良好的強(qiáng)度增長性能，也可提高隧道主體結(jié)構(gòu)的安全儲備，為隧道正常運(yùn)營提供一定的保障。震后二襯開裂見圖2。

3 高性能混凝土對隧道防水及凍脹的影響

混凝土的抗?jié)B性和抗凍性是衡量其耐久性的重要指標(biāo)，而抗?jié)B性是混凝土耐久性的第一道防線，公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備繁多，主體結(jié)構(gòu)要求不低于二級防水，結(jié)構(gòu)表面不允許漏水。而國內(nèi)隧道公路隧道普遍存在滲漏水問題，其中有一部分是混凝土抗?jié)B性能較低所致。隧道漏水結(jié)冰見圖3?；炷恋臐B透性取決于結(jié)構(gòu)中大孔及毛細(xì)孔所占體積及分布狀況，當(dāng)混凝土的水膠比大于0.4時(shí)，水泥石中除了凝膠水外，還存在毛細(xì)水，毛細(xì)管是水?dāng)U散和滲漏的通道。高性能混凝土的水膠比在0.38以下時(shí)，其連續(xù)的毛細(xì)孔可以盡早得到封閉;另外高性能混凝土中微集料與骨料周邊水化Ca(OH)2作用，改善了界面結(jié)構(gòu)以及水泥石結(jié)構(gòu)，極好的提高了混凝土的抗?jié)B性，并有資料顯示，當(dāng)水膠比在0.38以下時(shí)，高性能混凝土的抗?jié)B系數(shù)比花崗巖滲透系數(shù)要低很多，比不上不透水。

圖2 震后二襯開裂

圖3 隧道漏水結(jié)冰

在抗凍脹方面，高性能混凝土也有很大優(yōu)勢。眾所周知，對要求抗凍的普通混凝土必須加引氣劑，而高性能混凝土抗?jié)B性能好，孔徑小且分布均勻。當(dāng)孔徑小于5 μm～10 μm的微孔其冰點(diǎn)很低，很小凝膠孔的水冰點(diǎn)最低可達(dá)－70℃。由于高性能混凝土孔結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)得到改善，使水不易滲入其內(nèi)部，因此抗凍性較普通混凝土有很大提高。

4 高性能混凝土對瓦斯及有害氣體地層隧道的影響

隧道穿越煤層時(shí)常常伴隨有瓦斯等有毒氣體外溢，瓦斯內(nèi)含有甲烷、硫化氫、二氧化氮、二氧化硫、氨氣、氫氣等多種有害氣體。在一、二級瓦斯地段，初期支護(hù)及二次襯砌均應(yīng)采用帶仰拱的全封閉設(shè)計(jì)斷面來封堵氣體，同時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)還應(yīng)采取防瓦斯措施以防止瓦斯侵入隧道凈空內(nèi)。規(guī)范要求模筑混凝土的透氣系數(shù)不應(yīng)小于10－11cm/s，采用普通混凝土很難滿足上述要求，而高性能混凝土以其優(yōu)異的抗?jié)B性能可以更好地對有害氣體進(jìn)行封堵。

5 結(jié)語

高性能混凝土的應(yīng)用不僅是為了滿足公路隧道耐久性及運(yùn)營安全的要求，也是堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展，節(jié)約天然資源、降低勞力成本、減少建筑垃圾、保護(hù)自然環(huán)境的需要。由于高性能混凝土大量采用了粉煤灰等礦物摻合料，既改善了混凝土性能又利用了工業(yè)廢料，并減少了水泥生產(chǎn)能耗和二氧化碳排放，形成良性生產(chǎn)循環(huán)，符合我國節(jié)能減排的基本國策，也必將為人類文明發(fā)展做出不可估量的貢獻(xiàn)。

［1］JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JTG H12-2003，公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］JTG/T D70-2010，公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.

［4］GBJ 82-85，普通混凝土長期性能及耐久性能試驗(yàn)方法［S］.

［5］TB 10120-2002，鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］GB/T 50476-2008，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］GB 50108-2008，地下工程防水技術(shù)規(guī)范［S］.

［8］洪開榮.山區(qū)高速公路隧道施工關(guān)鍵技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2008.