論文水下隧道的耐久性設(shè)計(jì)調(diào)研

1、目 錄TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc420009414 引言 -水下隧道的耐久性設(shè)計(jì)調(diào)研引言我國擁有近20000km長的海岸線，島嶺、海灣星羅棋布，且沿海一帶的海南島、臺灣島、香港、澳門、廈門、青島、煙臺和大連等區(qū)域都是人口調(diào)密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)。在內(nèi)陸地區(qū)，以長江為首的各大江流也將各省市劃分開來。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平和質(zhì)量的提高，對跨海、跨江交通的需求也與日俱增。除輪船和航空等依靠交通工具自身的運(yùn)輸能力外，跨海、跨江交通無非是水上橋梁、水下隧道兩種方式。國外已有的跨?？缃煌ńㄔO(shè)告訴我們，水下隧道具有直達(dá)、便捷、快速、不受天氣影響、通過量大等特

2、點(diǎn)，其長期效益顯著。因此水下隧道成為跨海峽交通的首選方式。與一般性的地面建（構(gòu)）筑物不同，深埋于地下、水下的長大隧道工程建設(shè)，不僅投資巨大，施工工期漫長，更又是一次建成后不能日后推到重建的永久性工程。在正常良好的維護(hù)保養(yǎng)條件下，它的使用年限自然要求能盡可能地更長一些，但受混凝土材料歷時(shí)老化和受外界海洋環(huán)境有害化學(xué)離子以及洞內(nèi)車輛尾氣排放的腐蝕作用，它的有效服役壽命也會(huì)受到一定的限制。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近幾十年來，已經(jīng)有眾多的學(xué)者針對混凝土耐久性進(jìn)行研究，包括從事建筑、水利、交通等各個(gè)行業(yè)的學(xué)者們。也不乏有對水下混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性研究的學(xué)者，主要是針對水下環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕、高強(qiáng)水壓力、混凝土碳化

3、等。板孫偉院士按霸1俺藹等對混凝土材胺料在凹3.5%Na百Cl案溶液腐蝕、5哎%Na柏2捌S癌O岸4翱溶液腐蝕和凍敖融等多因素耦巴合作用下的耐柏久性問題進(jìn)行凹了開創(chuàng)性的研擺究。般陳肇元院士藹 凹佰2骯翱認(rèn)為背歐洲“耙DuraCr艾ete絆”項(xiàng)目出版的盎混凝土結(jié)構(gòu)拌耐久性設(shè)計(jì)指頒南中，成功跋解決了藹Fick骯第二擴(kuò)散定律氨在混凝土中應(yīng)岸用的第1個(gè)和拜第2個(gè)問題。拜余紅發(fā)等敖八3稗澳針對氯離子擴(kuò)翱散理論進(jìn)行了矮大量的研究，芭推導(dǎo)出綜合考癌慮混凝土的氯把離子結(jié)合能力霸、氯離子擴(kuò)散班系數(shù)的時(shí)間依扒賴性和混凝土佰結(jié)構(gòu)微缺陷影拔響的新奧擴(kuò)散方程，建靶立了修正的混埃凝土氯離子擴(kuò)稗散理論模型，鞍已經(jīng)成功地運(yùn)跋

4、用板于氯鹽環(huán)境鞍混凝土結(jié)構(gòu)的昂耐久性設(shè)計(jì)。昂關(guān)于從結(jié)構(gòu)層懊次研究混凝土背構(gòu)件的承載能哀力與環(huán)境之間八的相互作用方啊面，國內(nèi)外開白展的研究工作拌很少，國內(nèi)僅罷大連理工大學(xué)瓣的貢金鑫等搬藹4拜八研究了鋼筋混埃凝土梁在人工昂海水作用下的案鋼筋銹蝕問題懊，但是沒有涉疤及到承載能力叭的退化規(guī)律。搬趙鐵軍，扳金祖權(quán)礙等敗5懊依托膠州灣海班底隧道對襯砌瓣混凝土處于干隘濕交替環(huán)境下挨，伴考慮芭汽車尾氣中的氨CO阿愛埃2癌、斑海水及地下水敖中頒的矮SO稗2鞍4-辦,K百+背,Na熬+絆等挨所導(dǎo)致的翱堿骨料反應(yīng)、岸Cl佰-侵蝕、硫酸凹鹽腐蝕、碳化壩、凍融、軟水哀腐蝕、高壓滲皚水、積水等般。對襯砌混凝稗土的耐久性設(shè)

5、哎計(jì)進(jìn)行研究，爸包括辦混凝土的原材把料選擇、質(zhì)量般控制、配合比胺及有關(guān)性能指翱標(biāo)確定、構(gòu)造邦措施、施工質(zhì)盎量保障及驗(yàn)收扒標(biāo)準(zhǔn)等方面跋。唉周曉軍皚6懊對于地鐵隧道暗中的凹雜散電流對鋼癌筋的電化學(xué)腐耙蝕作用胺進(jìn)行了研究，挨并提出了相應(yīng)百的襯砌結(jié)構(gòu)耐凹久性隘提敖高靶措施。藹江大虎巴7按從理論上瓣了礙分析盾構(gòu)隧道癌混凝土管片在鞍各單一因素作安用下的失效機(jī)扳理、模型及其版耐久性退化規(guī)懊律，結(jié)合高等唉鋼筋混凝土理伴論，建立了以班承載能力為準(zhǔn)爸則，并考慮多岸種因素耦合作昂用的耐久性壽癌命預(yù)測模型扒。調(diào)研成果拜1.水下隧道隘耐久性熬設(shè)計(jì)特點(diǎn)辦（1）扒海洋環(huán)境下鞍江海水和海洋板大氣對隧道襯拌砌結(jié)構(gòu)有害化疤學(xué)離子

6、（以海敗鹽氯離子哎Cl唉-啊為代表）的侵罷蝕作用；癌（2）隘海水通過海床芭下圍巖裂隙和愛軟弱夾層隨地頒下水滲流達(dá)到扒襯砌結(jié)構(gòu)外表吧面。在此過程案中，瓣海水與隧道上八覆巖土礦物組拌構(gòu)間可能發(fā)生阿物化反應(yīng)，會(huì)扒導(dǎo)致海水對扒砼藹侵蝕性能的變柏化（進(jìn)一步劣澳化或有所改善藹）；扮（3）高水頭百海水水壓長年骯累月的持續(xù)作柏用；敖（4）隧道襯哎砌結(jié)構(gòu)在復(fù)雜把受力狀態(tài)和多鞍重有害環(huán)境因骯素作用等惡劣懊條件下、長年百持續(xù)工作；芭（5）罷因洞內(nèi)外哀環(huán)境的限制和岸施工中的困難凹條件，使保證白材料品質(zhì)和施巴工質(zhì)量的難度礙加大；敖（6）深水下扳海底隧道建設(shè)壩和運(yùn)行環(huán)境惡芭劣并更為復(fù)雜癌多變，材料和哀結(jié)構(gòu)的敗耐久性問題將

7、搬愈益突出。鞍2.水下隧道跋耐久性影響因扒素哀2.1拔 內(nèi)部因素班（1）暗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不良擺：沒有考慮環(huán)安境侵蝕作用或俺則考慮標(biāo)準(zhǔn)較愛低，或者設(shè)計(jì)叭本身存在缺陷拜，不符合環(huán)境擺實(shí)際需求。氨（2）耙建筑材料不佳凹：指混凝土材敖料中含有活性啊礦物集料（活吧性二氧化硅等稗）和過量的堿安（K愛2把O、Na熬2熬O）等，會(huì)在疤混凝土材料內(nèi)絆部發(fā)生不良反板應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)案初始損傷。愛（3）隘施工質(zhì)量不足班：表現(xiàn)在保護(hù)奧層厚度不足、胺混凝土不密實(shí)捌、施工質(zhì)量缺傲陷等，縮短了把環(huán)境中具有侵扳蝕性的水、氣哀等向混凝土內(nèi)扮部的擴(kuò)散時(shí)間按，從而影響結(jié)按構(gòu)壽命。頒2.2 外部埃因素敖侵蝕性環(huán)境因昂素，如車輛尾佰氣排放中高濃

8、澳度CO岸2伴、CO以及海矮水和海洋大氣氨中高濃度氯離澳子阿Cl鞍瓣等。半隧道內(nèi)行進(jìn)電岸氣列車時(shí)雜散扒電流對襯砌的澳腐蝕作用在雜白散電流作用下邦，混凝土各部隘位的電位發(fā)生般不同幅度的變邦化，陽極部位邦電位趨向負(fù)值絆，陰極部位趨版向正值。當(dāng)外傲加電位超過臨敖界值時(shí)，鋼筋唉的鈍化膜遭到唉破壞，開始發(fā)奧生鋼筋銹蝕。氨在所有因素中傲，如建筑材料背不良、設(shè)計(jì)和按施工質(zhì)量不佳叭，有可能通過盎優(yōu)化將這些不懊利影響消除或邦降至最低；但盎混凝土內(nèi)部氣唉泡和毛細(xì)管孔傲隙等的客觀存扮在，將會(huì)為環(huán)凹境中的二氧化搬碳、氯離子等拔有害物質(zhì)進(jìn)入伴混凝土內(nèi)部提隘供通道，使結(jié)背構(gòu)耐久性損傷懊隨時(shí)間而逐漸拔加劇。挨3氨.隧道骯襯

9、砌翱結(jié)構(gòu)耐久性損哎傷機(jī)理襖在內(nèi)、外因素骯的共同作用下般，襯砌結(jié)構(gòu)會(huì)版產(chǎn)生鋼筋銹蝕挨、混凝土強(qiáng)度辦降低、表面損瓣傷（裂縫、剩扒落、掉塊等）哎等劣化現(xiàn)象。隘其中，鋼筋銹阿蝕是引起結(jié)構(gòu)疤耐久性損傷的罷主要原因。鋼白筋銹蝕可以從奧兩方面危及結(jié)壩構(gòu)的耐久性能矮：一是銹蝕使骯鋼筋本身有效搬截面積減小，扒強(qiáng)度降低；另挨一方面，鋼筋矮銹蝕以后，其斑產(chǎn)生鐵銹的體矮積是相應(yīng)鋼筋隘體積的24版倍（銹脹），哎會(huì)導(dǎo)致保護(hù)層哀脹裂，從而使澳混凝土有效截澳面產(chǎn)生損傷、捌鋼筋和混凝土頒間的黏結(jié)力下襖降。鋼筋強(qiáng)度背降低、混凝土霸結(jié)構(gòu)截面損傷扮、以及鋼筋與芭混凝土間黏結(jié)吧力的下降的共阿同作用結(jié)果，按使截面承載能扒力下降，結(jié)構(gòu)叭的

10、耐久性能損隘傷。昂襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)、骯外兩側(cè)影響耐版久性主要因素昂不同，鋼筋產(chǎn)霸生銹蝕的機(jī)理霸也不同。拜隧道襯砌結(jié)構(gòu)拜耐久性損傷機(jī)埃理如啊圖3-1皚所示。版 隘在襯砌內(nèi)側(cè)：柏通行汽車車輛懊尾氣中含有的跋高濃度CO拔2骯和CO對結(jié)構(gòu)昂內(nèi)壁的侵蝕作巴用，混凝土碳礙化是結(jié)構(gòu)腐蝕白的一種主要因版素。班在襯砌外側(cè)：礙雖然二次襯砌佰和初期支護(hù)之捌間有防水薄膜胺起一定的防水骯作用，但由于般施工不良（易癌造成防水薄膜艾小的裂隙，防絆水膜局部接頭翱處的質(zhì)量缺陷胺，固定防水薄扳膜的結(jié)合釘或頒膠結(jié)材料處縫盎隙的存在等等絆）、防水材料捌質(zhì)量欠佳等原扳因，高壓海水翱很容易通過裂柏隙到達(dá)襯砌結(jié)懊構(gòu)外表面。海背水中高濃度氯芭離子

11、對結(jié)構(gòu)的挨侵蝕作用是其笆主要因素。盎圖班3-1 敗襯砌結(jié)構(gòu)耐久霸性損傷機(jī)理案在結(jié)構(gòu)建成初哎期，由于混凝扮土中強(qiáng)堿性（襖PH12.靶5）環(huán)境的存扒在，在鋼筋表奧面會(huì)形成一層凹致密的鈍化保瓣護(hù)膜，使鋼筋胺免受外界環(huán)境昂的侵蝕作用。般經(jīng)過一段時(shí)期疤，當(dāng)空氣中的懊CO般2阿進(jìn)入混凝土內(nèi)扒部后，就會(huì)與凹混凝土中的堿吧產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)瓣生成CaCO埃3阿，使混凝土中霸性化、堿性降般低，襯砌內(nèi)側(cè)頒的鋼筋就會(huì)因安失去鈍化膜的皚保護(hù)作用而產(chǎn)頒生銹蝕。壩在襯砌結(jié)構(gòu)的岸外側(cè)，海水中搬高濃度的氯離叭子因擴(kuò)散作用跋進(jìn)入混凝土內(nèi)安部，在鋼筋表瓣面累積。當(dāng)鋼敖筋表面氯離子耙濃度達(dá)到臨界背濃度（使鋼筋背產(chǎn)生銹蝕的最藹高氯離子濃度

12、板）時(shí)，就會(huì)使把“扒鈍化膜拔”辦活化，從而使斑鋼筋失去保護(hù)鞍作用，發(fā)生銹骯蝕。辦4靶.水下隧道襯骯砌耐久性設(shè)計(jì)芭隧道襯砌結(jié)構(gòu)按也會(huì)因環(huán)境外柏部因素的侵蝕背而產(chǎn)生耐久性傲損傷，從而影把響使用壽命。拔這種環(huán)境損傷癌作用過去在傳拌統(tǒng)隧道襯砌結(jié)鞍構(gòu)設(shè)計(jì)方法中傲都未作過定量巴考慮，霸傳統(tǒng)的混凝土盎設(shè)計(jì)方法一般般只考慮荷載作懊用對結(jié)構(gòu)安全巴和使用性能的安影響。此處，笆進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)伴耐久性設(shè)計(jì)則翱需將環(huán)境侵蝕擺作用定量考慮擺于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過擺程中，這從根百本上保證和提靶高了結(jié)構(gòu)的耐半久壽命。目前澳，基于近似概把率的耐久性極靶限狀態(tài)設(shè)計(jì)方懊法已研制有相邦應(yīng)的專用設(shè)計(jì)版軟件，并作了芭詳細(xì)論述，可昂供參考。隘4.1

13、吧耐腐蝕柏高性能海工混扒凝土俺高性能海工混巴凝土骯材料的優(yōu)化配搬制，是增強(qiáng)其背耐久性的研究癌熱點(diǎn)愛。敗對采用常規(guī)水奧泥和砂石材料敗配制的扮高性能海工混癌凝土板言，要求實(shí)現(xiàn)扒混凝土自身的氨低滲透性、低霸宏觀缺陷和高阿密實(shí)度，以限挨制海洋環(huán)境侵八蝕介質(zhì)的入滲叭，其基本途徑暗可歸結(jié)為：昂 采用高性板能優(yōu)質(zhì)水泥和吧級配良好的優(yōu)柏質(zhì)骨料；安 優(yōu)質(zhì)摻料扮(磨細(xì)礦碴粉岸、粉煤灰、微扒硅粉等)，使阿工業(yè)廢碴資源百得到充分利用鞍；案 高效減水案劑的使用，并半盡量降低混凝案土水膠比，提埃高混凝土的抗啊滲能力；背 外加埃硅粉等膠柏凝性礦物摻合氨料，以提高混伴凝土的密實(shí)度耙；爸 水泥顆粒芭的解聚和粒徑矮范圍擴(kuò)大，以笆

14、獲得較理想的按微觀背砼板結(jié)構(gòu)，等等。白 半4.2 襖工程措施邦（1）適當(dāng)增巴加襯砌混凝土辦保護(hù)層厚度；氨（2）設(shè)置結(jié)跋構(gòu)表面防護(hù)涂啊層使形成對有隘害粒子的隔離瓣屏障，延緩向扳混凝土內(nèi)部擴(kuò)百散的時(shí)間和速罷度；氨（3）合理設(shè)芭置施工縫、伸隘縮縫，設(shè)置施笆工縫要綜合考爸慮外界環(huán)境，笆盡量避開不利敖部位（如海水翱滲透量大、圍鞍巖風(fēng)化程度高柏、軟弱松散等搬部位）；要盡俺可能減少伸縮澳縫的數(shù)量，伸翱縮縫的止水設(shè)佰施在構(gòu)造要合爸理、可靠；佰（4）采用多唉重防護(hù)措施，唉鋼筋銹蝕采取搬陰極保護(hù)措施安，在混凝土中班摻加阻銹劑，敖并在鋼筋表面叭使用防腐涂層捌等防護(hù)措施；稗（5）結(jié)構(gòu)防懊排水、封閉注柏漿和設(shè)置防水阿膜

15、等構(gòu)造措施邦要合理可靠，斑避免地下入滲拔海水直接接觸耙襯砌結(jié)構(gòu)表面辦；?。?）結(jié)構(gòu)設(shè)捌計(jì)要統(tǒng)籌考慮拜結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施昂工方案及措施案，鋼筋布設(shè)和斑細(xì)部構(gòu)造等要靶便于施工、控藹制與檢查工程啊質(zhì)量；扒（7）選用相芭同材質(zhì)的鋼筋扮，以降低鋼材奧的電化學(xué)銹蝕跋速度；搬（8）設(shè)置襯盎砌過渡加強(qiáng)段襖，遇軟弱圍巖襖向堅(jiān)實(shí)圍巖過藹渡區(qū)帶，襯砌隘結(jié)構(gòu)應(yīng)胺根據(jù)圍巖具體百情況設(shè)置一定骯長度的過渡加爸強(qiáng)段（或用軟頒弱圍巖部位襯背砌結(jié)構(gòu)形式向斑兩側(cè)延伸一定霸長度），以保白證該地段襯砌澳的整體承載性耙能、穩(wěn)定性和暗可靠性；叭（9）設(shè)置檢頒查、檢測和維壩護(hù)設(shè)施，襯砌捌結(jié)構(gòu)要預(yù)設(shè)相搬關(guān)設(shè)施，便于佰進(jìn)行檢查、檢埃測和維護(hù)，盡埃早發(fā)

16、現(xiàn)問題，鞍加強(qiáng)保養(yǎng)維護(hù)白，提高結(jié)構(gòu)的靶耐久壽命。特盎別是敏感部位隘，如接縫、排佰水部位等應(yīng)預(yù)俺留檢修通道；愛（10）嚴(yán)格昂控制原材料質(zhì)艾量；澳（11）加強(qiáng)艾工程質(zhì)量控制斑，從混凝土澆霸筑、養(yǎng)護(hù)、拆哎模等各個(gè)環(huán)節(jié)盎入手，確保施八工質(zhì)量；霸（12）要求把貫徹暗“靶預(yù)防為主，早哀期發(fā)現(xiàn)，及時(shí)霸維護(hù)，對癥下矮藥阿”唉 的維護(hù)管理胺原則。結(jié)論拜通過對水下隧阿道的耐久性設(shè)伴計(jì)的調(diào)研，主案要得出以下結(jié)擺論：?。?）板水下隧道耐久俺性的主要影響斑因素是汽車尾埃氣中的CO2稗和CO、以板Cl罷-氨為首的電化學(xué)挨腐蝕、地鐵雜按散電流以及混敗凝土結(jié)構(gòu)隨時(shí)把間本身扒的劣化。隘（2）因其修把復(fù)、加固困難昂，水下隧道的版

17、耐久性設(shè)計(jì)必挨須得到重視，半其設(shè)計(jì)使用年拔限應(yīng)比常規(guī)隧拜道更長。拜（3）水下隧鞍道的耐久性設(shè)埃計(jì)目前尚無明氨確的定量指標(biāo)氨，多從結(jié)構(gòu)材罷料、施工質(zhì)量熬和施工方法等扮入手。把（4）因水下按隧道耐久性影皚響因素多、修疤復(fù)困難，其設(shè)扮計(jì)使用年限比懊一般隧道更長般，但目前并無拜具體定論或規(guī)艾范，有專家建傲議為150年頒左右。參考文獻(xiàn)搬吧1斑 Sun 辦Wei襖,Mu柏 壩R,Luo半 X et 襖al.Ef白fect昂 of Ch礙loride癌 皚Salt熬,Freez隘e啊-thaw 爸Cyclin壩g and 背Extern般ally A拔pplied翱 Load 百on the案 Perfo礙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. 吧皚2壩 敗陳肇元扒,瓣混凝土結(jié)構(gòu)的安耐久性設(shè)計(jì)八A.邦陳肇元按,暗陳志鵬絆,吧江見鯨等擺編八,把混凝土結(jié)構(gòu)耐懊久性及耐久性熬設(shè)計(jì)論文集靶C,背北京藹,鞍清華大學(xué)辦, 2002芭,11. 把叭3霸 啊余紅發(fā)跋,阿孫偉疤,懊麻海燕等埃.熬混凝土在多重?cái)∫蛩刈饔孟碌陌迓入x子擴(kuò)散方瓣程凹J.敗建筑材料學(xué)報(bào)背,2002,翱5(3):骯24024熬7.襖 把百4爸