李江华（中铁十四局集团第一工程发展有限公司，山东日照276800）

西藏高原地下工程建设，是巩固边防、反恐维稳和推动西藏经济发展的重大保障。西藏高原地质极为复杂，地下工程建设具有高海拔高差、高地震烈度、高地应力、高水压、高地温、断裂带活跃、冻土与冻害破坏活跃等恶劣地质问题。在多重复合作用下，西藏高原地下工程富水地段存在突水突泥灾害、大水量排水和排水通道抗冻等综合难题，完整、有效的防排水体系是西藏高原地下工程设计和施工的关键。我国高原区和寒冷地区的隧道中，大部分未能有效解决排水和冻害问题，施工极为艰难，成本很高，影响工程的正常使用直至废弃。因此，本文结合具体高原地下工程富水段排水问题，对影响排水通道长期有效性的问题开展分析，提出针对性的解决方法，可为高原地下工程规划、选线、设计和科研提供科学依据，对保障高原地下工程安全施工和安全运营具有十分重要的意义。

1 高原地下工程高强高渗材料排水新技术

高原高海拔隧道富水段地下水排放不畅，冻融圈往复冻胀力作用下，衬砌严重开裂，甚至破损，需要寻求一种新型材料，使其既能通畅地排除洞库周边地下水，也能提高洞库的自身强度，实现洞库衬砌和围岩的有效过渡，充分发挥其减震层的作用，提高洞库的抗震性能。根据高原地下工程建设需要，提出采用一种高渗高强混凝土材料作为高原地下工程初衬与二衬之间的过渡层，充分发挥高渗高强混凝土材料的高渗透、高强度及多孔保温等特性，实现排水、增强、保温等多种功能。

采用高强高渗材料排水新技术的高原地下工程结构如图1所示，图中从外到里分别为：初衬、高强高渗材料层、二衬，中间的高强高渗材料层能够排出大量地下水，增强地下工程抗震稳定性，保持地下工程合理温度。

图1 高原地下工程高强高渗材料排水新技术示意图

2 高强高渗材料的研制

2.1 原材料选择

2.1.1 骨料选择

高强高渗材料骨料应选用洁净、质地坚硬、表面粗糙的碎石。由于高强高渗材料水泥用量的限制，骨料之间的粘结强度是需要重点关注的指标参量，选材时应尽量减少骨料中的有机质等有害杂质，其含泥量及针片状含量应满足表1要求。骨料之间的接触方式为点接触，需强调使用过程中骨料的完整性，其压碎值应该满足相关要求，见表1。

表1 高渗高强混凝土粗骨料技术要求

根据骨料级配选取原理可知，当骨料粒径为同样大小的情况下，即均匀系数为1时，混凝土的孔隙最大，然而实际工程中想要达到粒径均匀一致是很难实现的，所以考虑采用有效粒径来表征粒径大小。根据试验结果，拟采用改进孔径的筛分试验筛选试验所需粗骨料。粗骨料在振实或捣实状态下的骨架间隙率为：

式中VCADRC-振实或捣实状态下粗骨料的骨架间隙率，%；

ρb-粗骨料的毛体积密度，kg/m3；

ρ-按振动密实或插捣密实测定的粗骨料的毛体积密度，kg/m3。

由于高渗高强混凝土主要由等粒径的粗骨料、水泥浆及聚合物拌制而成，所以该高渗高强混凝土的孔隙率与水泥浆及聚合物所占体积关系密切，但是骨架的间隙率主要决定了高渗高强混凝土成型以后的孔隙率。

此外，骨料的最大粒径应满足相应的要求，本研究选取四种等粒径d=10mm，15mm，20mm，25mm，骨料外形如图2所示。

图2 筛选等粒径骨料（d=25mm）

2.1.2 水泥

工程中常用的水泥有普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥等。随着高寒高海拔区域地下工程的发展，对水泥品质的要求不断提高。综合考虑高渗高强混凝土的力学特征，拟采用42.5级普通硅酸盐水泥，当强度要求更高时，可相应选用更高等级的水泥材料。

2.1.3 外加剂

高效减水剂可提高高渗高强混凝土的和易性，满足搅拌粘滞性的要求，同时提高高强高渗材料的早期强度。

本文选用萘系高效减水剂，其以工业萘为原料，经磺化缩合反应而制成的萘磺酸盐甲醛缩合物。该减水剂对水泥的适应性较好，有较强的分散作用，不缓凝、低引气、减水率高、保塑早强增强，可大幅度提高新拌混凝土的和易性，增大坍落度，减小水灰比，增加混凝土的密实性，能适应各种条件下混凝土的施工，确保混凝土的各项性能。

考虑高原地下工程的地震破坏的主要形式为剪力破坏与拉力破坏，故在选择聚合物时需考虑材料的抗剪或抗拉强度。添加聚合物对混凝土进行改性，提高材料的抗拉强度。综合比选现行使用的聚合物为聚丙烯酸酯（PAE-2型），其相应的试验对比参数见表2。

表2 不同类型聚合物材料对混凝土的强度影响

2.2 高强高渗混凝土结构组成

高强高渗混凝土材料在一定范围内的骨料粒径越小，孔隙率就越小；骨料表面裹覆泥浆层厚度越厚，则孔隙率越小。所以，在配制高强高渗混凝土材料时，需要根据工程需要综合考虑骨料粒径与泥浆层厚度两个因素对孔隙结构的影响，选择最优方案。同时，由于泥浆层厚度大小与其水灰比及施工工艺密切相关，若水灰比偏大，则水泥浆拌合物的稠度较小，裹覆骨料表面的水泥浆厚度就越小，其水化后内部空隙越大。若水灰比小于一定值，泥浆稠度偏小，导致泥浆随骨料表面向下流动，形成水泥石后，堵塞将来所需要向下排水的通道，从而丧失高渗透性的优势，如图3所示。

图3 泥浆发生离析与未发生离析对比图

因此，根据高渗高强混凝土的孔隙形成要素分析，进行该材料的配制，重点控制粗骨料的粒径大小、水灰比以及灰集比等，寻求满足最佳排水条件的配合比方案。

2.3 配合比设计

在配合比试验设计时，由于考虑影响高强高渗混凝土强度及渗透性的影响因素较多，对3个因素分析时，每个因素取4个水平，所有试验需要进行次，当因素和水平继续增加时，试验次数将会成倍增加。但是由于条件限制，无法完成所有的试验过程，其实也是完全没有必要的。所以，为了较为全面地反映各因素在不同水平下，对高渗高强混凝土强度及渗透性的影响，采取正交试验的方法进行。

由于影响高渗高强混凝土的强度及渗透性的因素较多，这里主要研究水泥用量、水灰比、聚灰比及骨料粒径四个因素，且各因素根据实践经验取四个参数，得到高强高渗混凝土配合比试验正交设计因素水平表，见表3。

表3 高强高渗混凝土配合比试验正交设计因素水平表

根据正交设计因素水平表安排试验，得到高强高渗混凝土配合比试验正交设计水平表，见表4。

表4 高强高渗混凝土配合比试验正交设计水平表

根据上述配合比，配置符合试验要求的试件并浇筑成型，并进行分组，每个编号制作6个标准试块，混凝土试件浇筑后采用标准养护，龄期为28d。

3 材料性能

3.1 高强高渗材料的渗透性-孔隙率指标分析

根据正交试验安排，测得各因素水平下高渗高强混凝土的有效孔隙率和全孔隙率指标值，见表5。

表5 高渗高强混凝土各水平下的有效孔隙率与全孔隙率指标

对于高渗高强混凝土的有效孔隙率指标，各因素对其影响的变化规律为：粗骨料的粒径越大，则有效孔隙率越大；聚灰比越大，则有效孔隙率越大；随着水灰比的增大，有效孔隙率随之增大；灰集比由大变小，有效孔隙率先增后减。所以对有效孔隙率而言，根据极差分析结果知：

根据有效孔隙率变化规律来看，大孔隙选择的最优组合为A4B4C4D3。

3.2 材料的强度指标分析-标准试验抗压强度指标分析

根据正交试验方案进行的强度试验结果计算，主要考察28d抗压强度和抗劈裂强度两项指标值。所考虑的16组试件中28d抗压强度指标最大值可以达到15.61MPa，相当于C15等级的混凝土，但是抗劈裂强度却高于同等级的混凝土的抗拉强度，证明在高渗高强混凝土中添加了聚丙烯酸酯进行改性后，效果比较显著，能够达到初期提出的增加材料的抗剪切和抗拉能力。

同理，根据高强高渗混凝土考察的28d抗压强度试验指标进行极差分析，各因素对其影响的变化规律为：粗骨料的粒径越大，则抗压强度越小；聚灰比越大，则抗压强度越大；随着水灰比的由小变大，抗压强度则先变大后减小；灰集比越小，强度也随之变小。极差分析结果知：

根据28d强度变化规律来看，高强度选择的最优组合为A1B4C2D1，且对强度影响最为显著的因素为粒径的大小。

显然高强高渗材料的强度与渗透性的材料配比要求是不同的,应该在确保强度的前提下，尽量提高材料的渗透性能。

图4 各因素变化对有效孔隙率指标的影响

根据工程岩体分级标准GB/T50218-2014,高强高渗材料是人工严格按标准填筑的，从岩体完整程度来看，可以定义其岩体完整性指数Kv=1，但岩体完整性指数有一个岩石坚硬程度的限制：

也就是只有时的高强高渗材料岩体完整性指数Kv可取1，此时岩体基本质量指标：

根据基本岩体质量分级为III级，从地下工程安全与抗震要求来说，低于这个标准是不合理的。最终建议高寒高海拔强震威胁区域的高强高渗材料配比采用A1B4C2D1，此时单轴抗压强度为15.61MPa，有效孔隙率为28.53。

图5 高渗高强混凝土实物切片图（骨料粒径=10mm）

4 工程应用

4.1 工程概况

某地下工程位于西藏中部，雅鲁藏布江中游河谷地带，受历次大地构造运动的作用以及雅鲁藏布江一级支流拉萨河，及其支流堆龙曲等水系切割的影响，区内形成了梁谷相间的地形特征，地势总体呈现南高北低、梁高谷深的特点，属冈底斯山脉东延部分的藏南高山宽谷地貌单元，总体为高山挟持沟谷扇形的地貌形态。其中，高山呈条带状分布于沟谷两侧，海拔多在4000m～4300m。

地下工程涉及的地层岩性主要有：第四系全新统坡积角砾、碎石、强风化板岩、中风化板岩、微风化板岩、石英砂岩。

4.2 富水段地下工程排水新通道应用

工程范围内地表水为一级常年性溪流，位于区域内沟谷中，为主要水体，径流长度约13km，平均纵坡降8.6‰，为典型的山区支流。地表径流主要受大气降水和冰雪融水的补给，多形成于6～9月，少数为5～10月，具有显著的暴涨暴落特点，冬季水量约0.15m3/s，汛期水量达5m3/s。

工程场区地下水的赋存条件与分布规律严格受地形地貌、地层岩性、地质构造和气象水文等因素的综合控制，按含水介质和水力性质可分为：第一类第四系松散岩类孔隙水、第二类第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。山体中、上部山梁较平缓，分布面积较大，风化裂隙与构造裂隙较发育，补给条件较好，是基岩裂隙水的主要补给区域。

在地下工程进口约120m处，发现大量地下水涌出，涌水量为321m3/d，因为这是在1月，正值枯水季节。这应该是揭露了和分布面积较大的上部平缓山梁连通的基岩裂隙水，构造裂隙较发育，补给条件较好，使涌水量大大超出预计值。根据地面降雨量补给水平计算，冬季旱季降雨量只有夏天雨季的1%，该位置夏天最大涌水量可达30000m3/d以上。

该区域地下工程采用传统的隧道防排水设计，如图6所示，即便加上适当的堵水也是不够的，为此采用高强高渗材料排水新通道，在初支与防水层之间加一层高强高渗排水层，使其既能通畅地排除洞库周边地下水，也能提高洞库的自身强度，使洞库衬砌和围岩可以有效过渡，充分发挥其减震层的作用，提高洞库的抗震性能，充分发挥高渗高强混凝土材料的高渗透、高强度及多孔保温等特性，实现排水、增强、保温等多种功能。

图6 传统防排水系统

5 结语

提出采用一种高渗高强混凝土材料作为高原地下工程初衬与二衬之间的过渡层，充分发挥高渗高强混凝土材料的高渗透、高强度及多孔保温等特性，实现排水、增强、保温等多种功能，解决高原地下工程富水段排水通道的长期有效性问题。给出了高强高渗材料骨料、水泥、外加剂的选择要求与标准，采用正交试验设计，通过试验，综合考虑高强高渗混凝土强度及渗透性，最终确定了高寒高海拔强震威胁区域的高强高渗材料的合理配比。