隧道结构耐久性设计

隧道结构耐久性设计

主讲老师：张俊儒主要内容：一、耐久性的概念二、不重视耐久性设计引起的工程病害三、影响隧道结构耐久性的因素四、复合式衬砌结构的耐久性设计瑞士辛普伦山岭铁路隧道（SimplonTunnel）长约20公里，1890年开始施工，第一条隧道于1906年1月开通，第二条隧道因技术上的困难和第一次世界大战影响，直到1921年才开通。中国最早于1890年建成的狮球岭隧道1903年建成的第一座长度超过3km（3078m）的隧道——兴安岭隧道（双线断面，1993年全面套衬混凝土衬砌，改为单线行车）所谓隧道结构耐久性，是指隧道结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，在预期的少维修、可维修、但不大修的条件下而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。通过进一步的分析可以发现，隧道结构耐久性与其所处环境、结构材料和结构本身等诸多方面有关，同时引起隧道结构耐久性失效的原因存在于结构的设计、施工及维护的各个环节。一、隧道结构耐久性的概念一般来说，结构物随使用年限的增加，由于外部条件的变化和养护维修管理不善，结构物会慢慢劣化，其性能要降低，此劣化程度，视各种条件有很大的差异，这种结构物性能的历时变化，可用下图的劣化曲线表示，图的横轴表示经历年限，纵轴表示性能。从宏观上把握耐久性的概念！一、隧道结构耐久性的概念一、隧道结构耐久性的概念二、不重视耐久性设计引起的工程病害1、“三阶段说”告诉我们进入第二阶段耐久性问题突显：发达国家基本建设的历史经验告诉我们，修建历程大致分为三个阶段：第一阶段为大规模新建；第二阶段为新建与维修改造并重；第三阶段重点逐渐转向既有建筑物的维修改造。二、不重视耐久性设计引起的工程病害世界各国在第一阶段高速发展时往往重建设轻维护，加之设计标准低且质量问题也比较突出，所以当进入第二阶段时，既有建筑物耐久性不足，维修费用猛增，问题突显，苦不堪言。不仅桥梁、房屋等地上结构如此，隧道结构也不例外。部分隧道数据见下表：二、不重视耐久性设计引起的工程病害各国维修费用、结构物劣化情况国家维修费用增加情况结构物劣化情况美国1975年由于腐蚀引起的损失达700亿美元，1985年则达1680亿美元，目前整个混凝土工程的价值约为6万亿美元，今后每年用于维修或重建的费用预计将高达3000亿美元，在未来五年内需投入16000亿美元改善基础设施的安全不良状态。对于1950～1960年代以后才大力修建的隧道结构来说，接近1/3的隧道在使用过程中出现了功能性问题和结构损伤。二、不重视耐久性设计引起的工程病害各国维修费用、结构物劣化情况国家维修费用增加情况结构物劣化情况日本日本预计结构物维护费和改建费仅建设省就超过2兆亿日元，是2003年的3倍，维护费用将成为日本财政的巨大负担。日本建设省对全国3529座公路隧道检查，发现60％以上的隧道都存在着不同程度的病害。铁路隧道病害也相当严重，其中高速铁路隧道曾相继发生三起掉块事件。二、不重视耐久性设计引起的工程病害各国维修费用、结构物劣化情况国家维修费用增加情况结构物劣化情况中国据成都铁路局统计，目前铁路隧道每年维修费用需求量达5亿元人民币左右，但可悲的是仅能到位1亿元人民币，依然维持着“癌症疗法”，预计今后增长速度惊人。1997年铁路隧道技术状态检查统计：既有隧道5000余座，总延长2500km左右，大部分存在不同程度的病害，有的还相当严重，失格隧道3270座，占隧道总数的65％。其中严重漏水的1502座，占失格隧道的46％；严重腐蚀裂损的710座，占22％；仰拱或铺底变形损坏的318座，占9.8％；坍拱掉块的404座，占12.4％。1998年底统计：铁路隧道受腐蚀而裂损的有734座，占隧道总数的23.2％。二、不重视耐久性设计引起的工程病害内昆铁路手扒岩隧道部分隧道病害实例如图：二、不重视耐久性设计引起的工程病害内昆铁路手扒岩隧道二、不重视耐久性设计引起的工程病害关兴公路庞家寨隧道二、不重视耐久性设计引起的工程病害关兴公路蛇形坡隧道二、不重视耐久性设计引起的工程病害成渝高速公路宋家沟一号隧道二、不重视耐久性设计引起的工程病害成渝高速公路中梁山隧道二、三不重三视耐三久性三设计三引起三的工三程病三害成渝三高速三公路三中梁三山隧三道二、三不重三视耐三久性三设计三引起三的工三程病三害成渝三高速三公路三中梁三山隧三道二、三不重三视耐三久性三设计三引起三的工三程病三害东北三林区三铁路三隧道二、三不重三视耐三久性三设计三引起三的工三程病三害新疆三穿越三天山三的独三库公三路二三号隧三道（三玉希三莫勒三盖）二、三不重三视耐三久性三设计三引起三的工三程病三害目前三，我三国铁三路隧三道既三有42三00多公三里，三在建47三00多公三里，三拟建50三00多公三里，三开始三进入三第二三阶段三。耐久三性严三重不三足，三安全三事故三时有三发生三，维三修费三用不三断增三长，三百年三大计三成为三一句三空谈三。到了三该解三决耐三久性三问题三的时三候了三！二、三不重三视耐三久性三设计三引起三的工三程病三害2、“5倍定三律”告三诉我三们如三何做三：国外三学者三曾用三“五三倍定三律”三形象三地描三述了三混凝三土结三构耐三久性三设计三的重三要性三，即三设计三阶段三对钢三筋防三护方三面少三花1美元三，那三么就三意味三着：发现三钢筋三锈蚀三时再三采取三措施三将追三加维三修费5元；到混三凝土三表面三顺筋三开裂三时再三采取三措施三将追三加维三修费25美元；到严三重破三坏时三再采三取措三施将三追加三维修三费12三5美元三。二、三不重三视耐三久性三设计三引起三的工三程病三害从结三构寿三命阶三段的三源头三抓起三，越三早越三好：提高三设计三水平三和标三准控制三施工三质量早期三维护二、三不重三视耐三久性三设计三引起三的工三程病三害3、“为时三未晚三说”隧道数量第一三阶段第二三阶段第三三阶段中国三铁路三隧道二、三不重三视耐三久性三设计三引起三的工三程病三害前车三之鉴三告诫三我们三不要三重蹈三覆辙三，亡三羊补三牢，三为时三未晚三。抢救三已进三入维三修期三的既三有隧三道的三后期三维修三养护三；抓好三未进三入维三修期三的新三建隧三道的三早期三维修三养护三；狠抓三在建三隧道三的施三工质三量和三运营三期的三早期三维护三；对拟三建隧三道从三头抓三起：适当三提高三设计基准严格三控制三施工质量强化早期维修三养护——开展三全寿三命期三的耐久三性设三计。功在三当代三，利三在千三秋。三留下三遗产三，不三留遗三憾！三、三影响三隧道三结构三耐久三性的三因素影响三高速三铁路三隧道三结构三耐久三性的三主要三因素三就是三结构三物所三处的三环境三，《铁路三混凝三土结三构耐三久性三设计三暂行三规定》（铁三建设[2三00三5]三15三7号）三把混三凝土三结构三所处三的环三境类三别概三况为三：碳化三环境三、氯三盐环三境、三化学三侵蚀三环境三、冻三融破三坏环三境和三磨蚀三环境。对三于高三速铁三路隧三道，三一般三不考三虑磨三蚀环三境。三、三影响三隧道三结构三耐久三性的三因素碳化三环境环境作用等级环境条件特征T1室内年平均相对湿度＜60%长期在水下（不包括海水）或土中T2室外环境室内年平均相对湿度≥60%T3水位变动区干湿交替三、三影响三隧道三结构三耐久三性的三因素氯盐三环境环境作用等级环境条件特征L1长期在海水水下区离平均水位15m以上的海上大气区离涨潮岸线100～300m的陆上近海区L2离平均水位15m以内的海上大气区离涨潮岸线100m以内的陆上近海区海水潮汐区或浪溅区（非炎热地区）L3海水潮汐区或浪溅区（南方炎热地区）盐渍土地区露出地表的毛细吸附区遭受氯盐冷冻液和氯盐化冰盐侵蚀部位三、三影响三隧道三结构三耐久三性的三因素化学三侵蚀三环境化学侵蚀类型环境作用等级H1H2H3H4硫酸盐侵蚀环境水中SO42-含量（mg/L）≥200≤600＞600≤3000＞3000≤6000＞6000强透水性环境土中SO42-含量（mg/kg）≥2000≤3000＞3000≤12000＞12000≤24000＞24000弱透水性环境土中SO42-含量（mg/kg）≥3000≤12000＞12000≤24000＞24000—盐类结晶侵蚀环境土中SO42-含量（mg/kg）—≥2000≤3000＞3000≤12000＞12000酸性侵蚀环境水中PH值≤6.5≥5.5＜5.5≥4.5＜4.5≥4.0—二氧化碳侵蚀环境水中侵蚀性CO2含量（mg/L）≥15≤40＞40≤100＞100—镁盐侵蚀环境水中Mg2+含量（mg/L）≥300≤1000＞1000≤3000＞3000—三、三影响三隧道三结构三耐久三性的三因素冻融三破坏三环境环境作用等级环境条件特征D1微冻地区+频繁接触水D2微冻地区+水位变动区严寒和寒冷地区+频繁接触水微冻地区+氯盐环境+频繁接触水D3严寒和寒冷地区+水位变动区微冻地区+氯盐环境+水位变动区严寒和寒冷地区+氯盐环境+频繁接触水D4严寒和寒冷地区+氯盐环境+水位变动区除了三环境三因素三对高三速铁三路隧三道耐三久性三影响三以外三，空气三压缩三波以及列车三振动作用三也是三对其三影响三的主三要因三素。三有初三始裂三纹的三衬砌三结构三，在三气动三压力三波正三压、三负压三的反三复作三用下三，衬三砌结三构将三产生三疲劳三，裂三纹不三断扩三展，三直到三断裂三破坏三；同三时，三衬砌三结构三底部三在列三车振三动荷三载的三作用三下，三也容三易出三现疲三劳性三破坏三。三、三影响三隧道三结构三耐久三性的三因素以日三本一三座隧三道的三混凝三土掉三块事三故来三加以三分析三说明三：三、三影响三隧道三结构三耐久三性的三因素根据三调查三结果三，外三部原三因中三否定三了地三压、三水压三作用三、地三震、三接近三施工三、冻三胀压三力的三影响三。关于三列车三振动三和空三气压三变动三，在三事故三发生三地点三，对三列车三走行三时衬三砌混三凝土三的动三态进三行了三量测三，其三结果三如下三。·列车三振动三：最三大0.三3k三in三e（衬三砌表三面切三线方三向）三；最大0.三1k三in三e（衬三砌表三面法三向方三向）三；·空气三压变三动：三最大6k三Pa（列三车尾三部通三过时三的压三力下三降）·应变三：最三大12三μ（衬三砌表三面切三线方三向）三；三、三影响三隧道三结构三耐久三性的三因素一般三说，三使衬三砌开三裂的三振动三速度三是20三~3三0k三in三e，使三混凝三土开三裂的三拉应三变一三般是20三0μ左右三，因三此列三车振三动、三空气三压变三动、三应变三不会三成为三剥落三的主三要原三因。三但是三，空三气压三变动三和列三车振三动的三反复三作用三，对三开裂三的发三展是三有影三响的三。因三此，三进行三了空三气压三反复三变动三影响三的试三验。三、三影响三隧道三结构三耐久三性的三因素空气三压反三复变三动影三响的三试验三结果三是：·随着三荷载三的反三复作三用，三开裂三的端三部的三混凝三土发三生疲三劳，三微细三的开三裂徐三徐发三生；·最终三是开三裂急三剧发三展而三剥落；·开裂三的深三度越三深，三在少三许的三反复三次数三就破三坏了。根据三这个三结果三，预三计实三际的三剥落三形状三、荷三载的三形态三、荷三载的三水平三（5k三Pa），三反复三次数三（剥三落发三生预三计12三0万次三），三认为疲劳三破坏是造三成剥三落的三可能三性的三主要三原因三。三、三影响三隧道三结构三耐久三性的三因素另外三，高三速铁三路隧三道是三修建三在自三然地三层中三的一三种地三下结三构物三，在三其使三用过三程中三，作三用于三衬砌三结构三上的外力三不断三演变，有三时会三产生三预料三不到三的外三力，三这也三是影三响隧三道结三构耐三久性三的一三个重三要因三素，三在耐三久性三设计三中应三引起三足够三重视三。三、三影响三隧道三结构三耐久三性的三因素四、三复合三式衬三砌结三构耐三久性三设计在目三前我三国的三高速三铁路三隧道三中，三支护三结构三多数三都采三用复三合式三衬砌三，复三合式三衬砌三包括三初期三支护三和二三次衬三砌两三部分三，所三以在三隧道三结构三耐久三性设三计中三，要三分别三考虑三初期三支护三和二三次衬三砌的三耐久三性。三在复三合式三衬砌三结构三耐久三性设三计中三，要三包括三以下三主要三内容三：·明确三混凝三土结三构的三使用三环境三类别三与环三境作三用等三级；·提出三混凝三土结三构的三设计三使用三年限三；·设计三与结三构耐三久性三有关三的结三构构三造措三施；·提出三混凝三土原三材料三品质三要求三、配三合比三主要三参数三及耐三久性三的具三体指三标；·提出三确保三混凝三土耐三久性三的施三工质三量关三键控三制要三求与三措施三；·确定三钢筋三混凝三土保三护层三厚度三；·提出三对结三构应三采取三的防三腐蚀三附加三措施三；·明确三结构三使用三过程三中的三检测三、养三护、三维修三或局三部更三换的三要求三。四、三复合三式衬三砌结三构耐三久性三设计初期三支护三的耐三久性对于三铁路三隧道三结构三来说三，初三期支三护一三般包三括喷三混凝三土、三锚杆三、钢三架等三，所三以对三每一三种支三护措三施都三应进三行耐三久性三设计三。（一三）三喷混三凝土1在腐三蚀性三严重三的场三合，三喷混三凝土三的强三度等三级应三不应三低于三二次三衬砌三混凝三土的三强度三等级三；2喷混三凝土三的强三度要三满足三长期三强度三（28三d）的三要求三，且1d的抗三压强三度不三宜小三于10三MP三a。（二三）锚三杆锚杆三宜采三用全三长灌三浆式三锚杆三，并三应设三置垫三板。三在腐三蚀性三环境三中，三应采三用防三腐蚀三的灌三浆材三料或三者采三用耐三腐蚀三的纤三维锚三杆。（三三）钢三架喷混三凝土三内设三置的三钢架三靠围三岩侧三的保三护层三厚度三不小三于40三mm，靠三另一三侧不三小于30三mm。四、三复合三式衬三砌结三构耐三久性三设计二次三衬砌三的耐三久性铁路三隧道三的二三次衬三砌基三本上三是由三混凝三土或三钢筋三混凝三土材三料构三成的三，因三此二三次衬三砌的三耐久三性问三题归三根到三底还三是混三凝土三的耐三久性三问题三。混三凝土三结构三耐久三性按三学科三及影三响因三素可三分为三：材三料学三科和三结构三工程三学科三，具三体见三下图三。混凝三土结三构耐三久性三研究三分类四、三复合三式衬三砌结三构耐三久性三设计从图三中可三以看三出，三对混凝三土材三料产生三影响三的主三要因三素有三：钢三筋锈三蚀、三冻融三循环三、碱—骨料三反应三、化三学作三用和三混凝三土配三比，三以及三物理三、化三学和三生化三过程三和环三境侵三蚀等三，所三以，三材料三学科三对混三凝土三结构三耐久三性研三究的三目的三主要三在于解决三混凝三土结三构设三计、三施工三、和三使用三维修三中的三构造三措施，如三设计三中的三防水三、裂三缝限三制指三标、三施工三中的三水灰三比大三小、三外加三剂类三型、三使用三维修三中的三补强三措施三等。四、三复合三式衬三砌结三构耐三久性三设计结构三工程三学科三对混三凝土三结构三耐久三性研三究分三为抗三力与三荷载三变化三的研三究，三抗力三变化三的研三究与三材料三学科