新建成昆铁路永仁—广通段站前5标位于云南省楚雄彝族自治州禄丰县黑井镇, 标段内骄子山隧道为全线最长、重点控制工程, 地质条件复杂。隧道全长13.406km, 双线断面, 分进、出口与3个斜井 (长度分别是960, 1 740, 959m) , 工期45个月。

骄子山隧道位于云南省典型的滇中红层地区, 隧道围岩地层发育石膏、芒硝、氯盐等岩盐。岩盐对隧道结构耐久性影响较大, 隧道长期受岩盐侵蚀作用将导致不可逆的破坏问题。岩盐对结构的破坏主要表现在以下3个方面: (1) 腐蚀作用硫酸盐等化学物质与水泥水化产物发生化学反应, 导致混凝土损伤, 氯盐渗入混凝土内部导致钢筋锈蚀; (2) 硫酸盐在排水管中结晶, 堵塞泄水通道, 导致衬砌背后积水, 水压破坏衬砌结构; (3) 膨胀破坏作用硫酸盐等化学物质在混凝土与围岩间隙乃至混凝土内部孔隙中结晶膨胀, 导致混凝土破坏。因此, 本隧道针对盐岩的耐腐蚀设计、施工措施是控制难点。

现场采取骄子山隧道岩盐试样进行室内岩盐成分分析, 主要分析岩盐中各离子含量, 得出骄子山隧道岩盐主要为石膏 (Ca SO₄) 、芒硝 (Na₂SO₄·10H₂O) 、氯盐等岩盐, 在水环境下, 岩盐电离出SO₄^2-, Cl^-等, 且由试验得出石膏和芒硝遇水后易结晶。

岩盐环境下, 对隧道结构的破坏主要分为膨胀性破坏和侵蚀性破坏。

骄子山隧道岩盐膨胀性作用主要分为2部分:围岩中石膏、芒硝水化后体积膨胀, 从而对衬砌结构产生膨胀力;衬砌背后含硫酸根的地下水富集, 石膏、芒硝结晶析出, 从而对衬砌结构产生膨胀力, 膨胀力会在隧道衬砌结构周围增加附加应力, 且在混凝土孔洞中膨胀, 破坏衬砌结构。同时, 在间断性水环境下盐类会产生“水化-结晶-失水”现象, 裂缝内含盐水体不断向端头补充, 造成裂缝不断扩展, 陷入恶性循环。如图1所示, 图1a为硝盐结晶体刚从盐水中取出, 图1b为放置一段时间后晶体失水, 边缘逐渐“粉末化”, 体积减小, 体现了间断性水环境下体积“由大到小”的过程。在粉末状态下吸水将会再结晶膨胀, 对裂缝造成“二次”破坏。

1) 隧道环境作用类别根据TB10005—2010《铁路混凝土耐久性设计规范》, 混凝土结构所处的环境类别分为5类:碳化环境 (T) 、氯盐环境 (L) 、化学侵蚀环境 (H) (包括盐类结晶破坏作用 (Y) ) 、冻融破坏环境 (D) 、磨蚀环境 (M) 。针对骄子山隧道情况, 隧道环境主要为氯盐环境 (L) 、化学侵蚀环境 (H) 、盐类结晶破坏作用 (Y) 。根据设计文件及后期样本试验报告, 骄子山隧道围岩大部分属于H2, Y3, L2环境与H3, Y4, L2环境, 局部超过Y4环境, 已经属于严重腐蚀环境。

2) 氯盐环境作用机理氯盐大部分为活性盐, Cl^-在水环境下, 电离程度大, 处于游离状态, 当氯离子含量在钢结构周围达到某一临界值时, 钢结构的钝化膜开始破坏, 丧失保护作用, 钢结构开始锈蚀。隧道结构中容易受到Cl^-破坏的部分, 主要为初支钢架、锚杆、钢筋网及二衬钢筋。在氯盐环境下, 环境中的氯离子还会不断渗入混凝土内部, 聚集到钢筋表面。

3) 化学环境作用机理混凝土结构面临化学物质的腐蚀, 有硫酸盐、碳酸盐、酸和镁盐等。就破坏的严重程度来看, 盐类结晶破坏更加突出, 隧道多发生在衬砌部位, 破坏显著。骄子山隧道主要含石膏 (Ca SO₄) 和芒硝 (Na₂SO₄·10H₂O) , 遇水电离后, SO₄^2-含量高, SO₄^2-将会与水泥结晶, 严重破坏混凝土材料, 影响混凝土的持久性。

截至2015年8月, 施工单位取岩样241组, 设计单位取岩样62组、水样5组, 共计303组岩样、5组水样做侵蚀性试验。同时, 设计单位取岩样22组做膨胀性试验, 检查结果如下。

1) 氯盐侵蚀环境等级核查结果较施工图设计偏低, 303组岩样试验结果有187组达到L2侵蚀, 均未达到L3侵蚀等级, 仅有1组水样达到L3侵蚀等级, 多数岩样、水样为L1~L2侵蚀等级。

2) 化学侵蚀环境核查结果与施工图设计基本相符, 303组岩样试验结果大多数为H2~H3侵蚀等级。

3) 盐类结晶破坏环境等级核查结果较施工图偏高, 施工单位取岩样241组, 试验结果有110组达到Y4侵蚀等级, 其中有3组大于Y4, 设计单位取62组岩样, 试验结果有18组达到Y4侵蚀等级。

4) 22组岩样做膨胀性试验表明, 2组岩样达到弱膨胀岩, 膨胀力分别为79, 154k Pa, 其余岩样指标未达到膨胀岩要求, 均为一般含盐岩。

为了获得不同添加剂下的混凝土凝结时间和抗压强度参数, 设计了3种组合方式、10组配合比进行凝结和强度试验, 混凝土组合方式如下。

1) 水泥组水泥+速凝剂 (粉剂) 、水泥+碱性速凝剂 (液剂) 、水泥+低碱速凝剂 (液剂) 。

2) 水泥+防腐剂组水泥+防腐蚀+碱性速凝剂 (液剂) 、水泥+防腐蚀+低碱速凝剂 (液剂) 。

3) 水泥+粉煤灰组水泥+粉煤灰+速凝剂 (粉剂) 、水泥+粉煤灰+碱性速凝剂 (液剂) 、水泥+粉煤灰+低碱速凝剂 (液剂) 。

混凝土10组配合比凝结时间试验结果如表1所示, 强度试验结果如表2所示。试验方法采用JC477—2005《喷射混凝土用速凝剂》, 使用液剂时, 加水量应扣除速凝剂中的用水量。粉煤灰掺量满足化学侵蚀、氯盐侵蚀和盐类结晶侵蚀条件, 掺量分别为25%, 30%。防腐剂等量取代水泥, 防腐剂掺量按厂家推荐掺量。

从表1可以看出, 喷射混凝土在水泥中掺入一定量的粉煤灰、防腐剂, 用低碱的速凝剂或者普通速凝剂配制的混凝土凝结时间均能满足设计及规范要求。从表2可以分析得出, 速凝剂水泥胶砂强度在液态低碱速凝剂下28d强度较高, 抗压强度比普通速凝剂偏高, 但1d强度相对较低, 对喷射混凝土1d强度要求较高不利;在速凝剂胶砂试件中加入粉煤灰或者耐腐蚀剂抗压强度相对降低, 但抗压强度和抗压强度比满足规范要求。

为了获得不同配合比组合方式下胶凝材料 (包括速凝剂) 的抗蚀系数, 设计配合比按以下几种方式组合。

1) 水泥组水泥+速凝剂 (粉剂) 、水泥+碱性速凝剂 (液剂) 、水泥+低碱速凝剂 (液剂) 。

2) 水泥+防腐剂组水泥+防腐蚀+碱性速凝剂 (液剂) 、水泥+防腐蚀+低碱速凝剂 (液剂) 。

3) 水泥+粉煤灰组水泥+粉煤灰+速凝剂 (粉剂) 、水泥+粉煤灰+碱性速凝剂 (液剂) 、水泥+粉煤灰+低碱速凝剂 (液剂) 。

从表3所示抗蚀系数可以看出, 胶凝材料中加入防腐剂抗蚀系数比普通的提高3%, 粉煤灰掺量为30%时提高6.6%, 掺量为25%时粉煤灰提高14.3%, 胶凝材料抗蚀系数在粉煤灰掺量为25%时效果较好。

检测硬化混凝土强度和抗硫酸盐侵蚀能力, 配合比组合方式如下。

1) 干喷混凝土水泥+防腐剂+速凝剂 (粉剂) 。

2) 湿喷混凝土 (1) 水泥+碱性速凝剂+高效减水剂; (2) 水泥+低碱速凝剂+高效减水剂; (3) 水泥+防腐剂+碱性速凝剂+高效减水剂; (4) 水泥+防腐剂+低碱速凝剂+高效减水剂; (5) 水泥+粉煤灰+碱性速凝剂; (6) 水泥+粉煤灰+低碱速凝剂。

3) 抗硫酸盐侵蚀试验检验硬化混凝土抗盐类结晶侵蚀能力。

从表1~4所示各配合比数据可以看出, 喷射混凝土中加入防腐剂抗硫酸盐侵蚀系数比未加防腐剂提高6%以上, 同时, 用液态速凝剂比用粉状速凝剂抗蚀系数高, 说明现场湿喷比干喷耐腐蚀性强。从加入粉煤灰的检测数据中可以发现, 加入粉煤灰的喷射混凝土抗蚀系数比未加入粉煤灰的抗蚀系数高, 粉煤灰掺量为25%时比掺量为30%时抗蚀系数高, 掺入粉煤灰的混凝土后期强度比未掺粉煤灰的强度高, 用低碱的速凝剂后期强度比用碱性抗压强度高。

从掺粉煤灰和防腐剂的速凝剂凝结时间、28d抗压强度比、胶凝材料抗蚀系数、水泥喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀系数等试验可以得出如下结论:在喷射混凝土中掺入粉煤灰对硫酸盐的侵蚀有抵抗作用, 同时提高后期强度, 加入防腐剂的混凝土比未加防腐剂混凝土的抗蚀系数提高6%;根据设计及规范要求, 在喷射混凝土中掺入25%的粉煤灰和10%的防腐剂对混凝土抗蚀性有较好效果。同时, 骄子山隧道根据规范要求, 设计喷射混凝土配合比, 掺入40kg/m³防腐剂, 采用湿喷工艺, 现场1年后在含盐地段高的地方取芯强度合格, 腐蚀较差。

岩盐地层施工控制措施的目的是保证衬砌结构不发生腐蚀性破坏, 确保混凝土结构耐久性。

在设计措施方面主要采取如下方法: (1) 在与围岩接触的初支喷射混凝土中添加耐腐蚀剂, 减缓结构被腐蚀时间; (2) 加密环向盲管数量, 增加排水通道, 防止氯盐、硫酸盐淤积结晶, 及时排走含盐地下水; (3) 将二衬混凝土强度等级调整至C50, 提高混凝土密实度, 减少混凝土孔隙, 防止含盐物质进入混凝土内部发生结晶膨胀, 破坏混凝土; (4) 在二衬混凝土中增设构造钢筋, 提高二衬的抗裂能力, 以抵抗衬砌背后的盐类结晶膨胀作用力; (5) 将钢筋保护层由5.6cm提高到10cm, 以减缓氯盐对钢筋锈蚀作用。

盐岩地层对隧道结构的侵蚀性极强, 破坏力极大, 所以在隧道施工中必须要注重关键工序的工艺及质量控制, 具体有以下几个方面。

在现场施工过程中, 对围岩要分段核查侵蚀性环境等级, 发现与设计不吻合的情况立即通知参建各方到现场会商, 确定处理方案, 形成会商纪要。对围岩的核查分为现场勘察和样本检验, 现场主要对围岩状况、含盐分布以及渗水 (渗水量) 进行分析;样品检验主要对岩样进行现场随机提取, 由检测单位进行化学分析。骄子山隧道主要含石膏、芒硝, 暴露岩体能直观上判别出含盐类型与含盐岩的分布, 在现场勘察阶段就能初步定性。每隔25m取岩样与水样, 分别化验SO₄^2-与Cl^-的含量, 与规范进行比对, 确定实际的侵蚀性等级与范围。

开挖是隧道施工的龙头, 在盐岩隧道中, 开挖质量尤为重要。首先要控制超 (欠) 挖, 超挖可能在喷锚工序中存在喷不饱满的问题, 初支背后形成空洞的几率增大, 给盐类物质赋存保留了汇集空间;欠挖将造成无法架立钢架, 或钢架直贴岩面, 造成钢架被氯盐提前侵蚀。因此, 开挖的质量控制尤为重要, 要严格控制超 (欠) 挖, 骄子山隧道全部实行光面爆破, 经过多次爆破设计与现场实践, 光面爆破效果良好。

首先, 若开挖后岩面出现渗水情况, 需安装导流管对渗水进行引流, 引流对后续的喷锚质量起到重要作用, 可防止喷射混凝土受水压作用提早开裂, 提高耐久性。岩盐地区必须要施作初喷工序, 目的为:尽快封闭岩面, 防止基岩在空气中快速风化变质掉块;起到初支钢构件的保护层作用, 防止钢构件在氯盐环境中快速锈蚀。做好喷射混凝土工序控制, 严格按照设计要求掺加防腐剂, 可减缓初支混凝土被腐蚀时间。喷射混凝土需喷饱满, 同时保证钢架的保护层厚度, 初支背后不能留有空洞, 严格控制喷射混凝土表面平整度, 防止防水板与初支之间形成空洞。

防排水是盐岩隧道施工控制最重要的一个环节。防水板施工作为防水措施第1关, 保证其耐久性至关重要。密闭性是其中1个关键因素, 首先保证防水板的完整性, 需做到如下几点。

1) 在挂设土工布前, 对初支面上的尖锐突出物全部进行处理, 以免刺穿防水板;焊接衬砌钢筋时, 邻近防水板的区域要进行保护, 以免烧伤或烧穿防水板, 尽量避免对防水板进行粘补。

2) 防水板的焊接和固定要严格控制施工工艺, 焊接与搭接宽度应严格控制, 保证焊缝顺直, 搭接顺利。防水板固定采用超声波焊接, 此焊接方式属于碾压式铺展焊接, 相比于热熔焊枪从背后熔接, 能保证防水板和初支面密贴, 减少空洞, 同时能降低防水板的焊伤率。

3) 防水板材料的存储也至关重要, 避免暴晒及高温环境, 单独隔离存放, 避免外力损伤, 保证其使用质量。

止水带作为防水措施的第2关, 关键在其安装质量及成品保护。中埋式止水带的安装既要控制尺寸, 止水带的搭接预留长度是封闭成环的保证, 一半的外露宽度能达到最佳防水效果;也要固定, 仰拱止水带固定于上、下2块仰拱钢端模之间, 边墙止水带用钢筋卡固定, 1m固定1个。二衬由于采用木模封挡, 中埋式止水带安装需严格控制定位、尺寸等参数。

隧道排水措施主要是盲管引流。盲管施工属于隐蔽性工程, 往往也是最容易被忽视的工序, 因为大部分段落在开挖时没有遇到渗水, 造成无水假象, 排水就成了预防措施。骄子山隧道出口工区二衬施工1年后盲管开始出水, 地下水文环境较复杂, 难以预测, 必须做好排水。含盐地层的特点是遇水结晶, 关键是及时排水, 不能让水滞留。排水需要注意水流坡度和水流量。水流通过盲管导出, 盲管的坡度既能保证水流流速, 又能保证流水通畅。纵向盲管提前标识定位线, 保证出水口高度和平顺性, 按标线固定盲管及接出位置;台车定位时, 采用钢筋环固定、引出盲管, 由里向外保证出水口的坡度, 避免反坡积水, 造成水结晶堵管。水流量由2个因素决定, 即流速和水流截面积。盲管安装质量能保证流速, 水流截面积通过升级盲管管径、加设盲管的方式进行解决。骄子山隧道盲管设计为, 纵向盲管由80换成100, 环向盲管由10m/道加密为5m/道, 边墙水沟至中心水沟盲管由30m/道加密为15m/道。

含盐地层对衬砌结构的影响是全方位的, 衬砌混凝土受硫酸盐侵害, 衬砌钢筋受氯盐腐蚀, 衬砌实体受岩体膨胀挤压变形。衬砌作为主要的受力结构, 受岩盐侵蚀性或腐蚀性影响, 将会直接降低隧道的使用寿命。因此, 要重视防腐措施和强度保证措施, 做好衬砌施工细节。

1) 材料质量的保证措施从钢筋原材料来说, 钢筋涂层作为氯盐腐蚀的最后一关, 钢筋质量应严格把关, 做好钢筋存放和保护工作;混凝土原材料方面, 做好材料进场的检验工作, 在规范要求基础上提高检验频次, 杜绝不合格材料进场。混凝土拌合要在技术员、试验员参数核对完成后才能拌制, 混凝土性能的调整必须由实验室通知拌合站才能更改配合比。

2) 结构强度保证措施为了减缓氯盐对钢筋的腐蚀, 钢筋保护层厚度加大至10cm。特别要注意外层钢筋保护层的控制。

3) 混凝土浇筑过程一般会出现混凝土泵送困难、浇筑间隔时间过长、高处放料离析、振捣不到位等情况, 这些施工过程均会影响到衬砌结构整体性和混凝土强度, 分析如下: (1) 混凝土泵送困难造成堵管后, 新旧混凝土面极易产生冷缝, 拱结构产生损伤。因此, 需要混凝土性能保持稳定, 每次拌合混凝土前, 原材料的指标一定要掌握, 第1车混凝土分盘调配, 达到泵送要求, 技术人员全程跟踪混凝土质量; (2) 混凝土浇筑部位的先后次序、工人换管不熟练也会导致长时间不连续, 造成冷缝产生, 应强调对称浇筑, 在管道设计上, 避免长距离挪管, 并且安排专人换管; (3) 混凝土台车入料窗口的布设按照混凝土浇筑高度要求设置, 避免混凝土离析造成强度降低分散。浇筑时从底层窗口依次向上, 每层逐个窗口放料, 采用插入式振捣器和附着式振捣器 (双线10台车, 24台) 相结合的方式振捣混凝土, 保证混凝土的密实度。

二衬施工后, 要紧跟养护和后期跟踪监测工作。通过对每个洞口配置水车、高压喷水设备、专职人员的方式, 对新施工的衬砌混凝土进行喷洒养护, 保证混凝土强度能顺利提升到设计强度。后期跟踪监测工作包括对排水管出水情况, 仰拱、二衬外观裂纹的观察记录, 仰拱、二衬不同龄期的强度检测, 综合以上信息建立台账, 进行综合分析。

1) 岩盐对骄子山隧道结构的破坏主要为膨胀性破坏和侵蚀性破坏, 环境检测和取样检测结果显示, 骄子山隧道处于严重腐蚀环境。

2) 不同配合比混凝土检测试验表明, “水泥组”、“水泥+防腐剂组”与“水泥+粉煤灰组”3组多个配合比的凝结时间、抗压强度均满足规范要求;试验得出适用于骄子山隧道岩盐环境的抗蚀系数与耐久性配合比组合。

3) 岩盐地层隧道衬砌耐腐蚀性施工控制技术包含现场围岩核查、开挖工艺控制、精控初支工序、防排水施工控制以及二衬施工质量控制等方面, 严格控制施工工艺可取得良好的衬砌防腐蚀效果。