基于耐久性的地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、    基于耐久性的地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)    丁輝 溫群昊【摘要】混凝土結(jié)構(gòu)有兩個(gè)重要指標(biāo)：強(qiáng)度和耐久性。但在工程實(shí)踐中，地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要注重了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對其結(jié)構(gòu)的耐久性考慮的不多。文章主要分析了地鐵結(jié)構(gòu)的裂化機(jī)理、影響地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的因素，以及闡述了地鐵結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的相關(guān)策略?！娟P(guān)鍵詞】耐久性；地鐵結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)近幾年地鐵在我國發(fā)展較快，已成為我國城市主要公共交通之一，由于地鐵貫穿于整個(gè)城市，它為市民的出行提供了快速便捷的服務(wù)。與其他工程建設(shè)相比較，地鐵建設(shè)消耗成本大，使用年限長，維修費(fèi)用高，且所處環(huán)境復(fù)雜，因此地鐵結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較高的耐久性能。但是近年來，地鐵運(yùn)

2、營出現(xiàn)了一些突出性問題，比如，北京、天津地鐵都有水管被侵蝕穿孔的情況出現(xiàn)；香港地鐵也曾由于雜亂電流的原因，出現(xiàn)了燃汽管道的腐蝕性穿孔，導(dǎo)致煤氣泄露等。基于這些情況表明，地鐵結(jié)構(gòu)在長時(shí)間的環(huán)境影響下，耐久性較差，使用壽命和維修周期較短，不利于地鐵的正常使用，嚴(yán)重時(shí)，將對地鐵的安全運(yùn)營造成重大的事故。所以，地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性是一項(xiàng)亟待關(guān)注的問題。一 地鐵結(jié)構(gòu)劣化機(jī)理地鐵結(jié)構(gòu)一般處于地下十幾米，施工難度大，所處環(huán)境復(fù)雜，其中二氧化碳濃度高、地下水和有害離子也較多。影響混凝土劣化因素很多，其主要因素有以下幾點(diǎn)：1、堿集料反應(yīng)和碳化反應(yīng)堿集料反應(yīng)是指混凝土中的堿性物質(zhì)與骨料中的活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。發(fā)生堿

3、集料反應(yīng)需要具備三個(gè)條件：首先是混凝土的原材料水泥、混合材、外加劑和水中含堿量高；第二是骨料中有相當(dāng)數(shù)量的活性成分；第三是潮濕環(huán)境，有充分的水分或濕空氣供應(yīng)。混凝土堿集料反應(yīng)分為3種：堿硅反應(yīng)，堿碳酸鹽反應(yīng)和堿硅酸鹽反應(yīng)，其中堿硅反應(yīng)最為常見。堿集料反應(yīng)產(chǎn)生的堿硅酸鹽等凝膠遇水膨脹，將在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力，從而引起混凝土開裂，混凝土產(chǎn)生裂縫后，會(huì)加速混凝土的其他破壞，空氣、水、二氧化碳等侵入，會(huì)使混凝土碳化和鋼筋銹蝕速度加快，而鋼筋銹蝕產(chǎn)物鐵銹的體積遠(yuǎn)大于鋼筋原來的體積，又會(huì)使裂縫擴(kuò)大。碳化反應(yīng)也稱作中性化反應(yīng)，在條件允許情況下，在毛細(xì)孔道內(nèi)部，水化硅酸鈣和水泥石表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使

4、混凝土堿度變低，呈現(xiàn)中性，讓鈍化膜更鈍，進(jìn)而腐蝕鋼筋。2、 鋼筋銹蝕和混凝土的軟水溶蝕金屬鐵發(fā)生氧化電化學(xué)反應(yīng)會(huì)對混凝土造成銹蝕。在該化學(xué)反應(yīng)中，生成物是氧化鐵，比金屬鐵具有更大的體積，所以，鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土開裂，使鹽、二氧化碳和水較輕松地深入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，加快鋼筋銹蝕速度。處在流水及壓水中的混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)滲漏，溶解內(nèi)部的氫氧化鈣，使之流失在水中，進(jìn)而使混凝土堿度變低，為了平衡堿性，要分解混凝土內(nèi)部的膠凝材料，使混凝土變得松散，不具有強(qiáng)度。3、 地下水的侵蝕地下水含量較高時(shí)，容易和水泥中的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的礦物質(zhì)。其中，和氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生石膏；和水化鋁酸鈣發(fā)生

5、化學(xué)反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生水化硫酸鈣。產(chǎn)生的兩種物質(zhì)具有較強(qiáng)的內(nèi)應(yīng)力，損害混凝土表面，使表面出現(xiàn)大范圍的、巨大的裂縫。造成的腐蝕不只是一個(gè)層面，還會(huì)擴(kuò)散到鋼筋表面，腐蝕鋼筋，使金屬表面鈍化膜變薄。二 影響地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的因素地鐵結(jié)構(gòu)處于巖土體中，所處環(huán)境比較特殊，影響地鐵結(jié)構(gòu)耐久性因素很多，包括自然因素和人為因素。以下對幾項(xiàng)主要因素作詳細(xì)介紹：1、化學(xué)物質(zhì)對地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的影響地鐵結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境中包括許多化學(xué)離子，這些離子與鋼筋混凝土中某些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大面積的裂縫及鋼筋生銹等破環(huán)現(xiàn)象，這些破環(huán)大大降低了地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性，嚴(yán)重影響了地鐵的安全運(yùn)營。2、雜散電流對地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的影響

6、地鐵在正常運(yùn)營中難免有一部分電流從走形軌泄漏到大地，由于土壤或其它介質(zhì)的作用，金屬體有電流流出的部位發(fā)生電解，使金屬體遭受電化學(xué)腐蝕。這種電化學(xué)反應(yīng)易腐蝕地鐵鋼軌、地鐵主體結(jié)構(gòu)鋼筋、地鐵線路附近的埋地金屬管線，減少埋地管線使用壽命，降低地鐵主體結(jié)構(gòu)的耐久性和強(qiáng)度，有時(shí)甚至造成災(zāi)難性的事故。3、設(shè)計(jì)因素在地鐵工程建設(shè)中，影響地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的不單單只有自然環(huán)境因素，人為因素影響也很多、很突出，比如，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形狀與構(gòu)造型式、結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度、混凝土的設(shè)計(jì)水灰比及混凝土的強(qiáng)度等。由于混凝土結(jié)構(gòu)的許多腐蝕過程與自由水的存在有關(guān)，因此，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形狀與構(gòu)造型式對于結(jié)構(gòu)耐久性就顯得非常重要。三 地

7、鐵結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計(jì)1、 材料設(shè)計(jì)第一，由于地鐵結(jié)構(gòu)混凝土澆筑面積大，容易發(fā)生水熱化而使得產(chǎn)生溫度應(yīng)力，并且考慮到地下側(cè)墻、底板和頂板防水性能優(yōu)異。所以，地鐵結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇含堿量少、耐腐蝕性高、抗水性好、水熱化低的優(yōu)質(zhì)水泥。第二，混凝土集料的選擇應(yīng)考慮其活堿性，應(yīng)選擇使用非活堿性骨料，避免因發(fā)生堿骨料反應(yīng)而破環(huán)地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性。第三，合理的骨料等級(jí)配置也很重要，設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)化混凝土骨料的易性和拌合物，保障混凝土具有較高的密實(shí)度。2、 構(gòu)造措施為確保地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性，工程構(gòu)造措施也很重要。工程構(gòu)造應(yīng)考慮地鐵結(jié)構(gòu)的具體情況而分別設(shè)置，為了提高地鐵結(jié)構(gòu)的構(gòu)造質(zhì)量，應(yīng)從以下幾方面做起：在地鐵結(jié)構(gòu)形式布置上，要

8、均勻化構(gòu)建截面，防止出現(xiàn)不均勻情況，如菱角、尖角等，目的是為了減少因混凝土集中負(fù)載而產(chǎn)生的應(yīng)力和收縮力。同時(shí)要考慮到地鐵是大而較寬的長條結(jié)構(gòu)，通過增加分布鋼筋的形式強(qiáng)化結(jié)構(gòu)配筋，堅(jiān)持“細(xì)而密”的原則，減少裂縫的產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)考慮其周圍環(huán)境的實(shí)際情況，相應(yīng)的提高混凝土保護(hù)層厚度；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)控制混凝土裂縫的寬度，防止因外界介質(zhì)的介入而導(dǎo)致鋼筋發(fā)生腐蝕性破壞；當(dāng)?shù)罔F結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)損壞時(shí)，地鐵結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)要考慮整體結(jié)構(gòu)的耐久性；混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造和形狀要避免有氣體和水聚集在混凝土表面，應(yīng)設(shè)計(jì)防水層，保障地鐵結(jié)構(gòu)的安全性；地鐵結(jié)構(gòu)還要有防流迷的設(shè)計(jì)，采用堵和排相結(jié)合的方式防護(hù)雜散電流，強(qiáng)化監(jiān)督設(shè)計(jì)。3

9、、 施工設(shè)計(jì)在地鐵結(jié)構(gòu)施工中，應(yīng)使用分工施工方式，將水泥水化形成的溫?zé)釕?yīng)力釋放掉，避免產(chǎn)生溫度裂縫，減少鋼筋的腐蝕。有些混凝土結(jié)構(gòu)的金屬部件、連接件、緊固件等暴露在室外時(shí)，應(yīng)通過采用防腐蝕性措施保護(hù)其表面，尤其在惡劣的環(huán)境下，需要采用多個(gè)保護(hù)措施或者合理的防腐措施?；炷琉B(yǎng)護(hù)工作也應(yīng)重視，避免產(chǎn)生裂縫。為了保障地鐵運(yùn)營的安全性以及使用的持久性，在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，耐久性設(shè)計(jì)則是要著重考慮的問題。地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮工程實(shí)際特點(diǎn)，相應(yīng)地開展設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)師應(yīng)將混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)重要的工作，和相關(guān)管理人員共同努力，極力提高地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性，滿足地鐵結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量要求。參考文獻(xiàn)：1何偉.有關(guān)地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性分析j.黑龍江科技信息，2013，（07）：320