论文水下隧道的耐久性设计调研

1、目 录TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc420009414 引言 -水下隧道的耐久性设计调研引言我国拥有近20000km长的海岸线，岛岭、海湾星罗棋布，且沿海一带的海南岛、台湾岛、香港、澳门、厦门、青岛、烟台和大连等区域都是人口调密、经济发达的地区。在内陆地区，以长江为首的各大江流也将各省市划分开来。随着国民经济的快速发展，人民生活水平和质量的提高，对跨海、跨江交通的需求也与日俱增。除轮船和航空等依靠交通工具自身的运输能力外，跨海、跨江交通无非是水上桥梁、水下隧道两种方式。国外已有的跨海跨江交通建设告诉我们，水下隧道具有直达、便捷、快速、不受天气影响、通过量大等特

2、点，其长期效益显著。因此水下隧道成为跨海峡交通的首选方式。与一般性的地面建（构）筑物不同，深埋于地下、水下的长大隧道工程建设，不仅投资巨大，施工工期漫长，更又是一次建成后不能日后推到重建的永久性工程。在正常良好的维护保养条件下，它的使用年限自然要求能尽可能地更长一些，但受混凝土材料历时老化和受外界海洋环境有害化学离子以及洞内车辆尾气排放的腐蚀作用，它的有效服役寿命也会受到一定的限制。国内外研究现状近几十年来，已经有众多的学者针对混凝土耐久性进行研究，包括从事建筑、水利、交通等各个行业的学者们。也不乏有对水下混凝土结构进行针对性研究的学者，主要是针对水下环境中的电化学腐蚀、高强水压力、混凝土碳化

3、等。板孙伟院士按霸1俺蔼等对混凝土材胺料在凹3.5%Na百Cl案溶液腐蚀、5哎%Na柏2捌S癌O岸4翱溶液腐蚀和冻敖融等多因素耦巴合作用下的耐柏久性问题进行凹了开创性的研摆究。般陈肇元院士蔼 凹佰2肮翱认为背欧洲“耙DuraCr艾ete绊”项目出版的盎混凝土结构拌耐久性设计指颁南中，成功跋解决了蔼Fick肮第二扩散定律氨在混凝土中应岸用的第1个和拜第2个问题。拜余红发等敖八3稗澳针对氯离子扩翱散理论进行了矮大量的研究，芭推导出综合考癌虑混凝土的氯把离子结合能力霸、氯离子扩散班系数的时间依扒赖性和混凝土佰结构微缺陷影拔响的新奥扩散方程，建靶立了修正的混埃凝土氯离子扩稗散理论模型，鞍已经成功地运跋

4、用板于氯盐环境鞍混凝土结构的昂耐久性设计。昂关于从结构层懊次研究混凝土背构件的承载能哀力与环境之间八的相互作用方啊面，国内外开白展的研究工作拌很少，国内仅罢大连理工大学瓣的贡金鑫等搬蔼4拜八研究了钢筋混埃凝土梁在人工昂海水作用下的案钢筋锈蚀问题懊，但是没有涉疤及到承载能力叭的退化规律。搬赵铁军，扳金祖权碍等败5懊依托胶州湾海班底隧道对衬砌瓣混凝土处于干隘湿交替环境下挨，伴考虑芭汽车尾气中的氨CO阿爱埃2癌、斑海水及地下水敖中颁的矮SO稗2鞍4-办,K百+背,Na熬+绊等挨所导致的翱碱骨料反应、岸Cl佰-侵蚀、硫酸凹盐腐蚀、碳化坝、冻融、软水哀腐蚀、高压渗皑水、积水等般。对衬砌混凝稗土的耐久性设

5、哎计进行研究，爸包括办混凝土的原材把料选择、质量般控制、配合比胺及有关性能指翱标确定、构造邦措施、施工质盎量保障及验收扒标准等方面跋。唉周晓军皑6懊对于地铁隧道暗中的凹杂散电流对钢癌筋的电化学腐耙蚀作用胺进行了研究，挨并提出了相应百的衬砌结构耐凹久性隘提敖高靶措施。蔼江大虎巴7按从理论上瓣了碍分析盾构隧道癌混凝土管片在鞍各单一因素作安用下的失效机扳理、模型及其版耐久性退化规懊律，结合高等唉钢筋混凝土理伴论，建立了以班承载能力为准爸则，并考虑多岸种因素耦合作昂用的耐久性寿癌命预测模型扒。调研成果拜1.水下隧道隘耐久性熬设计特点办（1）扒海洋环境下鞍江海水和海洋板大气对隧道衬拌砌结构有害化疤学离子

6、（以海败盐氯离子哎Cl唉-啊为代表）的侵罢蚀作用；癌（2）隘海水通过海床芭下围岩裂隙和爱软弱夹层随地颁下水渗流达到扒衬砌结构外表吧面。在此过程案中，瓣海水与隧道上八覆岩土矿物组拌构间可能发生阿物化反应，会扒导致海水对扒砼蔼侵蚀性能的变柏化（进一步劣澳化或有所改善蔼）；扮（3）高水头百海水水压长年肮累月的持续作柏用；敖（4）隧道衬哎砌结构在复杂把受力状态和多鞍重有害环境因肮素作用等恶劣懊条件下、长年百持续工作；芭（5）罢因洞内外哀环境的限制和岸施工中的困难凹条件，使保证白材料品质和施巴工质量的难度碍加大；敖（6）深水下扳海底隧道建设坝和运行环境恶芭劣并更为复杂癌多变，材料和哀结构的败耐久性问题将

7、搬愈益突出。鞍2.水下隧道跋耐久性影响因扒素哀2.1拔 内部因素班（1）暗结构设计不良摆：没有考虑环安境侵蚀作用或俺则考虑标准较爱低，或者设计叭本身存在缺陷拜，不符合环境摆实际需求。氨（2）耙建筑材料不佳凹：指混凝土材敖料中含有活性啊矿物集料（活吧性二氧化硅等稗）和过量的碱安（K爱2把O、Na熬2熬O）等，会在疤混凝土材料内绊部发生不良反板应，导致结构案初始损伤。爱（3）隘施工质量不足班：表现在保护奥层厚度不足、胺混凝土不密实捌、施工质量缺傲陷等，缩短了把环境中具有侵扳蚀性的水、气哀等向混凝土内扮部的扩散时间按，从而影响结按构寿命。颁2.2 外部埃因素敖侵蚀性环境因昂素，如车辆尾佰气排放中高浓

8、澳度CO岸2伴、CO以及海矮水和海洋大气氨中高浓度氯离澳子阿Cl鞍瓣等。半隧道内行进电岸气列车时杂散扒电流对衬砌的澳腐蚀作用在杂白散电流作用下邦，混凝土各部隘位的电位发生般不同幅度的变邦化，阳极部位邦电位趋向负值绊，阴极部位趋版向正值。当外傲加电位超过临敖界值时，钢筋唉的钝化膜遭到唉破坏，开始发奥生钢筋锈蚀。氨在所有因素中傲，如建筑材料背不良、设计和按施工质量不佳叭，有可能通过盎优化将这些不懊利影响消除或邦降至最低；但盎混凝土内部气唉泡和毛细管孔傲隙等的客观存扮在，将会为环凹境中的二氧化搬碳、氯离子等拔有害物质进入伴混凝土内部提隘供通道，使结背构耐久性损伤懊随时间而逐渐拔加剧。挨3氨.隧道肮衬

9、砌翱结构耐久性损哎伤机理袄在内、外因素肮的共同作用下般，衬砌结构会版产生钢筋锈蚀挨、混凝土强度办降低、表面损瓣伤（裂缝、剩扒落、掉块等）哎等劣化现象。隘其中，钢筋锈阿蚀是引起结构疤耐久性损伤的罢主要原因。钢白筋锈蚀可以从奥两方面危及结坝构的耐久性能矮：一是锈蚀使肮钢筋本身有效搬截面积减小，扒强度降低；另挨一方面，钢筋矮锈蚀以后，其斑产生铁锈的体矮积是相应钢筋隘体积的24版倍（锈胀），哎会导致保护层哀胀裂，从而使澳混凝土有效截澳面产生损伤、捌钢筋和混凝土颁间的黏结力下袄降。钢筋强度背降低、混凝土霸结构截面损伤扮、以及钢筋与芭混凝土间黏结吧力的下降的共阿同作用结果，按使截面承载能扒力下降，结构叭的

10、耐久性能损隘伤。昂衬砌结构内、肮外两侧影响耐版久性主要因素昂不同，钢筋产霸生锈蚀的机理霸也不同。拜隧道衬砌结构拜耐久性损伤机埃理如啊图3-1皑所示。版 隘在衬砌内侧：柏通行汽车车辆懊尾气中含有的跋高浓度CO拔2肮和CO对结构昂内壁的侵蚀作巴用，混凝土碳碍化是结构腐蚀白的一种主要因版素。班在衬砌外侧：碍虽然二次衬砌佰和初期支护之捌间有防水薄膜胺起一定的防水肮作用，但由于般施工不良（易癌造成防水薄膜艾小的裂隙，防绊水膜局部接头翱处的质量缺陷胺，固定防水薄扳膜的结合钉或颁胶结材料处缝盎隙的存在等等绊）、防水材料捌质量欠佳等原扳因，高压海水翱很容易通过裂柏隙到达衬砌结懊构外表面。海背水中高浓度氯芭离子

11、对结构的挨侵蚀作用是其笆主要因素。盎图班3-1 败衬砌结构耐久霸性损伤机理案在结构建成初哎期，由于混凝扮土中强碱性（袄PH12.靶5）环境的存扒在，在钢筋表奥面会形成一层凹致密的钝化保瓣护膜，使钢筋胺免受外界环境昂的侵蚀作用。般经过一段时期疤，当空气中的懊CO般2阿进入混凝土内扒部后，就会与凹混凝土中的碱吧产生化学反应瓣生成CaCO埃3阿，使混凝土中霸性化、碱性降般低，衬砌内侧颁的钢筋就会因安失去钝化膜的皑保护作用而产颁生锈蚀。坝在衬砌结构的岸外侧，海水中搬高浓度的氯离叭子因扩散作用跋进入混凝土内安部，在钢筋表瓣面累积。当钢敖筋表面氯离子耙浓度达到临界背浓度（使钢筋背产生锈蚀的最蔼高氯离子浓度

12、板）时，就会使把“扒钝化膜拔”办活化，从而使斑钢筋失去保护鞍作用，发生锈肮蚀。办4靶.水下隧道衬肮砌耐久性设计芭隧道衬砌结构按也会因环境外柏部因素的侵蚀背而产生耐久性傲损伤，从而影把响使用寿命。拔这种环境损伤癌作用过去在传拌统隧道衬砌结鞍构设计方法中傲都未作过定量巴考虑，霸传统的混凝土盎设计方法一般般只考虑荷载作懊用对结构安全巴和使用性能的安影响。此处，笆进行衬砌结构伴耐久性设计则翱需将环境侵蚀摆作用定量考虑摆于结构设计过摆程中，这从根百本上保证和提靶高了结构的耐半久寿命。目前澳，基于近似概把率的耐久性极靶限状态设计方懊法已研制有相邦应的专用设计版软件，并作了芭详细论述，可昂供参考。隘4.1

13、吧耐腐蚀柏高性能海工混扒凝土俺高性能海工混巴凝土肮材料的优化配搬制，是增强其背耐久性的研究癌热点爱。败对采用常规水奥泥和砂石材料败配制的扮高性能海工混癌凝土板言，要求实现扒混凝土自身的氨低渗透性、低霸宏观缺陷和高阿密实度，以限挨制海洋环境侵八蚀介质的入渗叭，其基本途径暗可归结为：昂 采用高性板能优质水泥和吧级配良好的优柏质骨料；安 优质掺料扮(磨细矿碴粉岸、粉煤灰、微扒硅粉等)，使阿工业废碴资源百得到充分利用鞍；案 高效减水案剂的使用，并半尽量降低混凝案土水胶比，提埃高混凝土的抗啊渗能力；背 外加埃硅粉等胶柏凝性矿物掺合氨料，以提高混伴凝土的密实度耙；爸 水泥颗粒芭的解聚和粒径矮范围扩大，以笆

14、获得较理想的按微观背砼板结构，等等。白 半4.2 袄工程措施邦（1）适当增巴加衬砌混凝土办保护层厚度；氨（2）设置结跋构表面防护涂啊层使形成对有隘害粒子的隔离瓣屏障，延缓向扳混凝土内部扩百散的时间和速罢度；氨（3）合理设芭置施工缝、伸隘缩缝，设置施笆工缝要综合考爸虑外界环境，笆尽量避开不利敖部位（如海水翱渗透量大、围鞍岩风化程度高柏、软弱松散等搬部位）；要尽俺可能减少伸缩澳缝的数量，伸翱缩缝的止水设佰施在构造要合爸理、可靠；佰（4）采用多唉重防护措施，唉钢筋锈蚀采取搬阴极保护措施安，在混凝土中班掺加阻锈剂，敖并在钢筋表面叭使用防腐涂层捌等防护措施；稗（5）结构防懊排水、封闭注柏浆和设置防水阿膜

15、等构造措施邦要合理可靠，斑避免地下入渗拔海水直接接触耙衬砌结构表面办；啊（6）结构设捌计要统筹考虑拜结构构造、施昂工方案及措施案，钢筋布设和斑细部构造等要靶便于施工、控蔼制与检查工程啊质量；扒（7）选用相芭同材质的钢筋扮，以降低钢材奥的电化学锈蚀跋速度；搬（8）设置衬盎砌过渡加强段袄，遇软弱围岩袄向坚实围岩过蔼渡区带，衬砌隘结构应胺根据围岩具体百情况设置一定肮长度的过渡加爸强段（或用软颁弱围岩部位衬背砌结构形式向斑两侧延伸一定霸长度），以保白证该地段衬砌澳的整体承载性耙能、稳定性和暗可靠性；叭（9）设置检颁查、检测和维坝护设施，衬砌捌结构要预设相搬关设施，便于佰进行检查、检埃测和维护，尽埃早发

16、现问题，鞍加强保养维护白，提高结构的靶耐久寿命。特盎别是敏感部位隘，如接缝、排佰水部位等应预俺留检修通道；爱（10）严格昂控制原材料质艾量；澳（11）加强艾工程质量控制斑，从混凝土浇霸筑、养护、拆哎模等各个环节盎入手，确保施八工质量；霸（12）要求把贯彻暗“靶预防为主，早哀期发现，及时霸维护，对症下矮药阿”唉 的维护管理胺原则。结论拜通过对水下隧阿道的耐久性设伴计的调研，主案要得出以下结摆论：啊（1）板水下隧道耐久俺性的主要影响斑因素是汽车尾埃气中的CO2稗和CO、以板Cl罢-氨为首的电化学挨腐蚀、地铁杂按散电流以及混败凝土结构随时把间本身扒的劣化。隘（2）因其修把复、加固困难昂，水下隧道的版

17、耐久性设计必挨须得到重视，半其设计使用年拔限应比常规隧拜道更长。拜（3）水下隧鞍道的耐久性设埃计目前尚无明氨确的定量指标氨，多从结构材罢料、施工质量熬和施工方法等扮入手。把（4）因水下按隧道耐久性影皑响因素多、修疤复困难，其设扮计使用年限比懊一般隧道更长般，但目前并无拜具体定论或规艾范，有专家建傲议为150年颁左右。参考文献搬吧1斑 Sun 办Wei袄,Mu柏 坝R,Luo半 X et 袄al.Ef白fect昂 of Ch碍loride癌 皑Salt熬,Freez隘e啊-thaw 爸Cyclin坝g and 背Extern般ally A拔pplied翱 Load 百on the案 Perfo碍rmance柏 of th埃e Conc暗reteJ稗.Ceme哀nt and般 Concr暗ete Re佰search般, 2002板,32(12癌): 185俺9-1864氨. 吧皑2坝 败陈肇元扒,瓣混凝土结构的安耐久性设计八A.邦陈肇元按,暗陈志鹏绊,吧江见鲸等摆编八,把混凝土结构耐懊久性及耐久性熬设计论文集靶C,背北京蔼,鞍清华大学办, 2002芭,11. 把叭3霸 啊余红发跋,阿孙伟疤,懊麻海燕等埃.熬混凝土在多重败因素作用下的板氯离子扩散方瓣程凹J.败建筑材料学报背,2002,翱5(3):肮24024熬7.袄 把百4爸