鄂拉山隧道进口K300＋960—K301＋270属多年冻土段，施工设计采用初喷C30低温早强钢纤维混凝土稳定围岩，然后施工做C30低温早强一次模筑混凝土衬砌快速形成对围岩支撑的能力，最后进行C45二次衬砌混凝土施工。

多年冻土地段混凝土施工于2011年9月份开始，气温－8～10℃，昼夜温差大。白天日照时间长、温度高，隧道冻土表层积雪融化，洞口段表层围岩形成松散状泥夹石，如果施工时混凝土入模温度过高、自身带入的热量过多，加上水泥水化产生的水化热，将导致内层冻土层融化，影响施工安全；施工时混凝土接触冻土层面温度为负温，混凝土在低温条件强度增长比常温下增长速度缓慢许多，在0℃以下混凝土强度几乎停止增长，混凝土中水分子结冰反而会破坏自身结构，在恢复正温养护以后，由于负温下水分子结冰形成的空隙比正常凝结的混凝土显著增加，从而使混凝土的各项物理性能显著下降，不利混凝土的耐久性。必须采取适当的措施，既要保证低温早强混凝土浇筑所带入的热量最小，使水化热温升不致对冻土结构产生破坏，又要保证低温早强混凝土能够在低温条件下正常硬化，并在混凝土温度降至0℃以前达到抗冻临界强度和拆模强度。经过分析，采取以下几项措施：

①添加高性能减水剂，尽可能降低水灰比，提高混凝土早期强度，使之在规定时间达到抗冻临界强度和拆模强度。

②控制混凝土出机温度、入模温度，降低混凝土自身带入的热量对冻土层融化影响。

③添加防冻剂，使混凝土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，转入正温后强度能够进一步增长达到或超过设计强度等级。

④选择普通硅酸盐水泥（早强型），降低混凝土凝结时间。

⑤优选级配良好的砂、石料，提高混凝土的工作性能。

⑥把混凝土出机温度控制在8～13℃、入模温度控制在5～10℃。

⑦根据《公路隧道施工技术规范》（JTG F60—2009）确定C30低温早强混凝土抗冻临界值≥12 MPa，拆模强度≥21 MPa。

1）原材料选择

低温早强混凝土的施工与普通混凝土的施工有着很大的差别，特别要注意外加剂的选择和掺量，各类原材料的质量控制，配合比要进行多次调整优化，满足在规定时间内达到抗冻临界强度，后期强度达到设计要求，同时还要满足抗渗、抗冻融循环要求，为此对各类原材料进行了大量的比对试验工作，根据试验结果选择以下原材料：

（1）外加剂

山西鸿翔HXFDN复合早强减水剂（带适量引气功能），是以聚羧酸系高性能减水剂加早强剂复配而成，其主要性能指标见表6—5。其中，减水成分是尽量降低混凝土单方拌和用水量，以减少混凝土水化凝固后水分子形成的空隙，提高混凝土早期强度。水灰比减少则单方混凝土水泥用量减少，同时降低水泥的水化热。早强成分能够加速水泥水化，提高混凝土早期强度，使其能够尽早地获得抗冻临界强度值。引气功能能够在混凝土中引入大量微小气泡（含气量控制在3%～6%范围内），减少混凝土在冻融循环中因体积收缩变化而引起的混凝土结构破坏，增强混凝土的抗冻性能。

表6—5　HXFDN 复合早强减水剂主要性能指标

（2）防冻剂

防冻剂（－10℃）能够使混凝土中的水分子在负温条件不至于凝结成冰，保证混凝土能够在负温条件下正常水化形成强度增长，以尽快形成支撑围岩的能力。HXFDN防冻剂主要性能指标见表6—6。

（3）水泥

根据低温早强混凝土的施工特点和要求，选用西宁生产的金圆牌普通硅酸盐早强水泥，采用水泥运输罐车运输，现场水泥罐集中储料；普通硅酸盐水泥跟外加剂有较好的适应性，而且早强水泥凝结时间较普通水泥时间缩短，能够尽快形成强度的增长。其性能指标见表6—7。

表6—6　HXFDN 防冻剂主要性能指标

表6—7　金圆牌普通硅酸盐早强水泥性能指标

（4）骨料

骨料是混凝土的骨架，其质量好坏直接影响到混凝土的质量，需选用级配良好、质地坚硬、不含易冻坏物、无碱活性的骨料。

通过实地调研、取样试验比较，选用青根河砂场水洗河砂。该砂场河砂质地坚硬，级配良好（Ⅱ区砂），颗粒洁净，含泥量少于2%，泥块含量无，其他指标均符合要求。

选用DK322处顺鑫碎石场生产的5～31.5 mm的碎石，该碎石母岩为花岗岩，饱水抗压强度超过110 MPa，利用二级（一反击破）破碎生产5～10 mm、10～20 mm、16～31.5 mm三种规格单级碎石，经按2∶4∶4比列合成5～31.5 mm连续级配，保证配制出来的混凝土有良好的工作性；其压碎指标小于10%，坚固性小于5%，含泥量小于1%，泥块含量无，其他指标均符合要求。

（5）拌和用水

根据施工条件，选用隧址区河流水，经检验符合混凝土拌和用水要求。

2）混凝土配合比

混凝土配合比选定的好坏直接影响工程结构物的质量，低温早强混凝土配合比设计比普通混凝土配合比设计要考虑的因素多很多。首先必须满足设计文件抗压强度、抗渗和抗冻融循环的要求；其次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；再次要满足施工的要求，即工作性能和拆模强度要满足泵送混凝土快速施工；同时要考虑混凝土在硬化过程中释放出的热量对冻土的影响。为此查阅相关资料，进行大量的试配工作后，按以下方案进行配合比设计：

（1）确定设计参数

经试验分析，确定基准配合比参数控制范围。

水灰比：0.43～0.48。

水泥用量：360～400 kg/m3。

砂率：38%～42%。

用水量：165～180 kg。

坍落度：160～200 mm。

复合早强减水剂掺量：水泥量3%。

防冻剂掺量（－10℃）：水泥量3%。

（2）配合比试验

①常温试验。试配时根据鄂拉山隧道同时期的温度条件，在试拌混凝土时选择了将砂、碎石、水泥都控制在5～10℃，通过调节水温的方式将混凝土出机温度控制在8～13℃，制作标准养护3 d、7 d、28 d抗压强度试块，同时制作3 d、7 d、28 d同条件养护试块，对其抗压强度做增长对比分析。(www.daowen.com)

②低温试验。用上述配合比进行试拌，制作相应的试块进行负温试验，成型后的试块先在20℃的室内静置2～4 h待其初凝，然后放入低温箱（低温箱温度根据鄂拉山隧道以往月平均气温以及现场环境温度控制情况取－10℃）中养护7 d后取出，转入标养室继续养护56 d。如f（－7＋56）d≥f28d且f28d≥fp（试配强度），同时抗渗性能、混凝土工作性能满足设计要求，则该配合比可用于施工，否则应重新进行配合比设计。

（3）确定理论配合比

按照上述配合比设计方案确认基准配合比，并在基准配合比试验的基础上，进行上下水灰比0.05参照配合比试验。根据试配时混凝土的工作性能进行适当的调整，最后根据试块抗压强度、抗渗试验、抗冻融循环试验结果，确定施工用理论配合比单方材料用量为：水泥387 kg，砂741 kg，碎石1 112 kg，水157 kg，复合早强减水剂11.61 kg，防冻剂11.61 kg。理论配合比性能试验结果见表6—8。

表6—8　理论配合比性能试验结果

3）混凝土施工质量控制

（1）搅拌站设置

为保证能够拌制出入模温度、坍落度、可泵性等均能满足施工要求的混凝土，并确保衬砌混凝土的施工质量，采取集中拌和站统一拌制混凝土，拌和站设备全部用彩钢房封闭，房内设置暖气片，砂、石料放置在保温大棚内。采用两台锅炉集中供热，其中一台5 t的锅炉专门为拌和用水加热，一台10 t的锅炉为设备房以及砂、石料仓加热；确保冬季施工砂、石料、水温保持在要求范围之类。

（2）原材料保温措施

水泥、外加剂均不直接加热，水泥储存在散装水泥罐，外加剂放置在彩钢房内，房内设有暖气片供热，保证外加剂不受冻并在正温使用；水采用锅炉直接加热，加热温度控制30～60℃；砂、石料统一堆放在大棚内，采用暖气片集中加热，温度维持在5～10℃，如达不到这个温度，采取在暖棚内生煤炉子方法增加供热量，使砂石料温度满足混凝土拌和需要。

（3）混凝土拌制

水泥、外加剂和经过加热后的水、骨料分别计量，其计量误差控制在：水泥、水、外加剂为±1%，骨料为±2%。经过计量的原材料按设计的搅拌顺序进行搅拌，当水温高于60℃时应调整投料顺序，使水先与骨料预拌，然后再投入水泥、外加剂正式搅拌；混凝土搅拌时间应不低于90 s；考虑到混凝土在运输过程中有部分热量损失，应将混凝土出机温度控制在8～13℃。

（4）混凝土运输与浇筑

混凝土采取混凝土运输车运输，并在混凝土运输车搅拌筒外加设一层保温棉制作的保温罩，保温罩既要起到保温作用，又要不影响转筒的正常转动。

混凝土运输过程中，运输罐车应保持2～4 r/min的低速转动，运至浇筑现场后应立即浇筑，停留时间不能超过2 h。

混凝土浇筑前应检查台车是否就位准确，支撑是否牢固，确保混凝土浇筑过程中台车不发生位移。

浇筑混凝土时应测量混凝土的温度，确保温度维持在5～10℃，两边对称分层浇筑，每层厚度宜为30～50 cm，并用振捣器捣固密实。

（5）混凝土保温、拆模与养护

为了保证混凝土施工质量，应根据天气条件进行适当保温措施。明洞浇筑施工时，应采用钢管搭设简易大棚、保温棉被覆盖、棚内生火等措施；洞内施工时，应封闭洞口，防止冷空气进入，保证混凝土的环境温度处于正温以上，使混凝土不致冻坏，尽快凝结硬化达到规定抗冻临界强度。

低温早强一次衬砌混凝土必须达到设计强度的70%方可拆模，龄期36 h以上，并以同条件养护试块抗压强度值为准。

混凝土拆模后应立即进行养护7～14 d，由于高原冬季气候特别干燥，湿度只有20%～30%，混凝土的养护尤为重要，采用将棉被打湿覆盖混凝土表面的养护，或使用温度5～10℃的水喷洒混凝土表面养护。

4）质量控制与检验

（1）原材料质量控制

混凝土原材料是控制混凝土内在质量的关键，水泥应按进场批次严格检验，不得使各种水泥混合使用，超过储存时间的水泥坚决杜绝使用，或进行复检根据检测结果降级使用。骨料进场后应按不同品种、规格分类堆放储存，使用前应对级配、含泥量、针片状颗粒含量等指标进行复检。细骨料应在每次开盘前从料堆上、中、下抽样进行含水率检测。

每批进场的外加剂都需进行试验，特别是外加剂的减水率、防冻剂的防冻效果在混凝土质量上起关键作用。减水率达不到，势必加大混凝土拌和用水量，提高水灰比，从而降低混凝土的抗压强度；防冻剂达不到规定值，会影响混凝土的抗冻效果，甚至破坏混凝土结构。

（2）混凝土工作性能控制

混凝土工作性是指混凝土的流动性、黏聚性、保水性和泵送性能的综合。混凝土工作性能好能够加快施工速度，节约施工成本。每次新拌混凝土都应检验混凝土的坍落度，观察混凝土的黏聚性、保水性等性能。一旦发现混凝土达不到要求，应进行适当的调整，确保混凝土工作性能满足施工需要。

（3）搅拌站管理体系

搅拌站应该建立详细的管理制度和质量保证体系，严格控制计量误差，确保按配合比施工，试验人员应在混凝土拌和前对配合比相关数据进行确认。加强对拌和设备的日常保养，定期对设备进行全方位的检修，确保设备在良好的运行状态。

（4）温度监测控制

为保证低温早强混凝土的施工质量，在混凝土的拌制、运输、浇筑、养护过程中，应设专人对温度进行测量。测量温度包括：自然环境温度、搅拌站内温度、原材料温度、拌和物温度、混凝土入模温度和浇筑完后的温度、混凝土内部温度。

自然环境温度：应每4 h测量记录一次，并记录当天最高和最低气温。

搅拌站温度：每个工作班检测2次。

原材料温度：混凝土浇筑前检测1次，浇筑过程中每4 h检测一次。

出机温度和入模温度：应每车混凝土进行检测记录，分析运输过程中温度降低速率（红外测温仪或插入式测温仪）。

混凝土浇筑后温度：应每2 h检测一次，发现温度过低应采取措施进行加热保温（红外测温仪）。

混凝土内部温度：在混凝土浇筑时预先埋设测温元件于模筑混凝土内部监控温度上升情况，测温孔上、中、下对称埋设并编号，每2 h检测一次，记录混凝土内部温度上升情况，分析温度上升趋势，监测温度最高点是否对冻土产生影响，根据这个分析数据来调整混凝土的出厂及入模温度、浇筑时需要采取的保温，以及拆模后养护措施，这是低温早强混凝土施工成功的关键所在。

（5）硬化混凝土质量控制

低温早强混凝土成功关键是在规定时间内达到抗冻临界值，所以现场不仅仅制作标准养护试块，也需要制作同条件养护试块。在浇筑现场每工作班或100 m3同配合比混凝土随机抽取制作不少于一组标准养护试块，其中还应制作一组拆模强度试块，f（－7＋28）d、f28d同条件养护试块各一块。如有必要还应制作3 d、7 d同条件养护试块，分析混凝土强度增长趋势，按规范制作抗渗、抗冻融循环试块，将各类试块试验结果与设计要求相对照进行合格判定。

在已完成多年冻土段施工的低温早强混凝土，经抽样试验评定其强度和抗渗、抗冻融指标全部合格，混凝土配合比经试验室验证以及现场随机抽取试块结果，全部达到设计要求。