隧道結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

隧道結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

主講老師：張俊儒主要內(nèi)容：一、耐久性的概念二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害三、影響隧道結(jié)構(gòu)耐久性的因素四、復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計瑞士辛普倫山嶺鐵路隧道（SimplonTunnel）長約20公里，1890年開始施工，第一條隧道于1906年1月開通，第二條隧道因技術(shù)上的困難和第一次世界大戰(zhàn)影響，直到1921年才開通。中國最早于1890年建成的獅球嶺隧道1903年建成的第一座長度超過3km（3078m）的隧道——興安嶺隧道（雙線斷面，1993年全面套襯混凝土襯砌，改為單線行車）所謂隧道結(jié)構(gòu)耐久性，是指隧道結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下，在設(shè)計要求的目標使用期內(nèi)，在預(yù)期的少維修、可維修、但不大修的條件下而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力。通過進一步的分析可以發(fā)現(xiàn)，隧道結(jié)構(gòu)耐久性與其所處環(huán)境、結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)本身等諸多方面有關(guān)，同時引起隧道結(jié)構(gòu)耐久性失效的原因存在于結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工及維護的各個環(huán)節(jié)。一、隧道結(jié)構(gòu)耐久性的概念一般來說，結(jié)構(gòu)物隨使用年限的增加，由于外部條件的變化和養(yǎng)護維修管理不善，結(jié)構(gòu)物會慢慢劣化，其性能要降低，此劣化程度，視各種條件有很大的差異，這種結(jié)構(gòu)物性能的歷時變化，可用下圖的劣化曲線表示，圖的橫軸表示經(jīng)歷年限，縱軸表示性能。從宏觀上把握耐久性的概念！一、隧道結(jié)構(gòu)耐久性的概念一、隧道結(jié)構(gòu)耐久性的概念二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害1、“三階段說”告訴我們進入第二階段耐久性問題突顯：發(fā)達國家基本建設(shè)的歷史經(jīng)驗告訴我們，修建歷程大致分為三個階段：第一階段為大規(guī)模新建；第二階段為新建與維修改造并重；第三階段重點逐漸轉(zhuǎn)向既有建筑物的維修改造。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害世界各國在第一階段高速發(fā)展時往往重建設(shè)輕維護，加之設(shè)計標準低且質(zhì)量問題也比較突出，所以當進入第二階段時，既有建筑物耐久性不足，維修費用猛增，問題突顯，苦不堪言。不僅橋梁、房屋等地上結(jié)構(gòu)如此，隧道結(jié)構(gòu)也不例外。部分隧道數(shù)據(jù)見下表：二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害各國維修費用、結(jié)構(gòu)物劣化情況國家維修費用增加情況結(jié)構(gòu)物劣化情況美國1975年由于腐蝕引起的損失達700億美元，1985年則達1680億美元，目前整個混凝土工程的價值約為6萬億美元，今后每年用于維修或重建的費用預(yù)計將高達3000億美元，在未來五年內(nèi)需投入16000億美元改善基礎(chǔ)設(shè)施的安全不良狀態(tài)。對于1950～1960年代以后才大力修建的隧道結(jié)構(gòu)來說，接近1/3的隧道在使用過程中出現(xiàn)了功能性問題和結(jié)構(gòu)損傷。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害各國維修費用、結(jié)構(gòu)物劣化情況國家維修費用增加情況結(jié)構(gòu)物劣化情況日本日本預(yù)計結(jié)構(gòu)物維護費和改建費僅建設(shè)省就超過2兆億日元，是2003年的3倍，維護費用將成為日本財政的巨大負擔。日本建設(shè)省對全國3529座公路隧道檢查，發(fā)現(xiàn)60％以上的隧道都存在著不同程度的病害。鐵路隧道病害也相當嚴重，其中高速鐵路隧道曾相繼發(fā)生三起掉塊事件。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害各國維修費用、結(jié)構(gòu)物劣化情況國家維修費用增加情況結(jié)構(gòu)物劣化情況中國據(jù)成都鐵路局統(tǒng)計，目前鐵路隧道每年維修費用需求量達5億元人民幣左右，但可悲的是僅能到位1億元人民幣，依然維持著“癌癥療法”，預(yù)計今后增長速度驚人。1997年鐵路隧道技術(shù)狀態(tài)檢查統(tǒng)計：既有隧道5000余座，總延長2500km左右，大部分存在不同程度的病害，有的還相當嚴重，失格隧道3270座，占隧道總數(shù)的65％。其中嚴重漏水的1502座，占失格隧道的46％；嚴重腐蝕裂損的710座，占22％；仰拱或鋪底變形損壞的318座，占9.8％；坍拱掉塊的404座，占12.4％。1998年底統(tǒng)計：鐵路隧道受腐蝕而裂損的有734座，占隧道總數(shù)的23.2％。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害內(nèi)昆鐵路手扒巖隧道部分隧道病害實例如圖：二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害內(nèi)昆鐵路手扒巖隧道二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害關(guān)興公路龐家寨隧道二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害關(guān)興公路蛇形坡隧道二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害成渝高速公路宋家溝一號隧道二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害成渝高速公路中梁山隧道二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害成渝高速公路中梁山隧道二、講不重摧視耐灰久性定設(shè)計悶引起腦的工蔑程病泳害成渝高慮速公路胖中梁山孕隧道二、參不重燙視耐塞久性贏設(shè)計帶引起脂的工豈程病禮害東北筑林區(qū)章鐵路轉(zhuǎn)隧道二、挪不重單視耐主久性怖設(shè)計型引起賭的工角程病士害新疆穿牲越天山網(wǎng)的獨庫壁公路二例號隧道?。ㄓ裣＝砟丈w富）二、望不重晝視耐妖久性券設(shè)計品引起鴨的工掏程病閱害目前，歉我國鐵甩路隧道休既有42層00多公里陸，在建47尼00多公炎里，飼擬建500耕0多公里伐，開始死進入第普二階段妥。耐久性收嚴重不韻足，安扯全事故傍時有發(fā)禮生，維襯修費用暖不斷增暖長，百狹年大計內(nèi)成為一抖句空談從。到了坊該解造決耐剝久性紛問題階的時文候了償！二、不討重視耐介久性設(shè)清計引起括的工程演病害2、“5倍定律”告訴簡我們?nèi)缤婧巫觯簢忭晫W者摘曾用陳“五騰倍定跟律”付形象怕地描抓述了毫混凝由土結(jié)滿構(gòu)耐驕久性猶設(shè)計距的重項要性龜，即運設(shè)計久階段公對鋼納筋防狗護方魯面少拼花1美元，點那么就榨意味著星：發(fā)現(xiàn)鋼濟筋銹蝕健時再采域取措施加將追加痛維修費5元；到混凝棵土表面腹順筋開鞋裂時再法采取措疾施將追蔬加維修催費25美元；到嚴透重破殃壞時需再采嘉取措丑施將殿追加挺維修蠶費125美元。二、堡不重盤視耐脖久性慎設(shè)計組引起秋的工每程病旁害從結(jié)亡構(gòu)壽斑命階惱段的壞源頭糞抓起備，越奏早越奴好：提高僚設(shè)計尖水平線和標尊準控制施企工質(zhì)量早期照維護二、柔不重強視耐款久性猛設(shè)計會引起課的工仍程病燙害3、“為時未穩(wěn)晚說”隧道數(shù)量第一階碧段第二尋階段第三階桌段中國鐵繡路隧道二、保不重深視耐軋久性傭設(shè)計灑引起勸的工跡程病障害前車咳之鑒探告誡姨我們液不要蟻重蹈陶覆轍情，亡殿羊補扭牢，館為時默未晚覆。搶救已蹲進入維月修期的側(cè)既有隧躺道的后價期維修鄉(xiāng)豐養(yǎng)護；抓好托未進遍入維車修期機的新居建隧統(tǒng)道的恭早期貫維修乳養(yǎng)護蠻；狠抓伯在建翼隧道春的施疲工質(zhì)漢量和睬運營馳期的奇早期滑維護旋；對擬建希隧道從柄頭抓起節(jié)：適當提搬高設(shè)計基準嚴格衫控制棉施工質(zhì)量強化早期維修渴養(yǎng)護——開展全擾壽命期征的耐久性探設(shè)計。功在當籌代，利餓在千秋冊。留下政遺產(chǎn)，究不留遺愿憾！三、影佳響隧道妹結(jié)構(gòu)耐苦久性的無因素影響高堡速鐵路堪隧道結(jié)樹構(gòu)耐久孟性的主當要因素蝴就是結(jié)箏構(gòu)物所壘處的環(huán)球境，《鐵路混左凝土結(jié)代構(gòu)耐久興性設(shè)計傅暫行規(guī)脖定》（鐵建國設(shè)[20妥05]嘩157號）傳把混廟凝土潮結(jié)構(gòu)磚所處慰的環(huán)盈境類聽別概怒況為沈：碳化環(huán)餅境、氯籃鹽環(huán)境是、化學成侵蝕環(huán)蒸境、凍偉融破壞優(yōu)環(huán)境和犯磨蝕環(huán)踐境。對于座高速鐵驗路隧道畫，一般妄不考慮級磨蝕環(huán)期境。三、影侄響隧道斗結(jié)構(gòu)耐少久性的匯因素碳化環(huán)霉境環(huán)境作用等級環(huán)境條件特征T1室內(nèi)年平均相對濕度＜60%長期在水下（不包括海水）或土中T2室外環(huán)境室內(nèi)年平均相對濕度≥60%T3水位變動區(qū)干濕交替三、影刊響隧道證結(jié)構(gòu)耐極久性的膽因素氯鹽嬸環(huán)境環(huán)境作用等級環(huán)境條件特征L1長期在海水水下區(qū)離平均水位15m以上的海上大氣區(qū)離漲潮岸線100～300m的陸上近海區(qū)L2離平均水位15m以內(nèi)的海上大氣區(qū)離漲潮岸線100m以內(nèi)的陸上近海區(qū)海水潮汐區(qū)或浪濺區(qū)（非炎熱地區(qū)）L3海水潮汐區(qū)或浪濺區(qū)（南方炎熱地區(qū)）鹽漬土地區(qū)露出地表的毛細吸附區(qū)遭受氯鹽冷凍液和氯鹽化冰鹽侵蝕部位三、刻影響球隧道伏結(jié)構(gòu)勤耐久流性的葡因素化學侵跡蝕環(huán)境化學侵蝕類型環(huán)境作用等級H1H2H3H4硫酸鹽侵蝕環(huán)境水中SO42-含量（mg/L）≥200≤600＞600≤3000＞3000≤6000＞6000強透水性環(huán)境土中SO42-含量（mg/kg）≥2000≤3000＞3000≤12000＞12000≤24000＞24000弱透水性環(huán)境土中SO42-含量（mg/kg）≥3000≤12000＞12000≤24000＞24000—鹽類結(jié)晶侵蝕環(huán)境土中SO42-含量（mg/kg）—≥2000≤3000＞3000≤12000＞12000酸性侵蝕環(huán)境水中PH值≤6.5≥5.5＜5.5≥4.5＜4.5≥4.0—二氧化碳侵蝕環(huán)境水中侵蝕性CO2含量（mg/L）≥15≤40＞40≤100＞100—鎂鹽侵蝕環(huán)境水中Mg2+含量（mg/L）≥300≤1000＞1000≤3000＞3000—三、機影響喉隧道劫結(jié)構(gòu)途耐久磁性的揉因素凍融紐奉破壞叛環(huán)境環(huán)境作用等級環(huán)境條件特征D1微凍地區(qū)+頻繁接觸水D2微凍地區(qū)+水位變動區(qū)嚴寒和寒冷地區(qū)+頻繁接觸水微凍地區(qū)+氯鹽環(huán)境+頻繁接觸水D3嚴寒和寒冷地區(qū)+水位變動區(qū)微凍地區(qū)+氯鹽環(huán)境+水位變動區(qū)嚴寒和寒冷地區(qū)+氯鹽環(huán)境+頻繁接觸水D4嚴寒和寒冷地區(qū)+氯鹽環(huán)境+水位變動區(qū)除了播環(huán)境搭因素鈴對高辱速鐵默路隧扁道耐秀久性終影響屯以外帖，空氣撐壓縮圣波以及列車振慌動作用垮也是滿對其母影響鄙的主獨要因菌素。銜有初撇始裂手紋的有襯砌缸結(jié)構(gòu)徹，在雄氣動歷壓力練波正胳壓、狠負壓誼的反焦復(fù)作群用下廟，襯旁砌結(jié)猶構(gòu)將圣產(chǎn)生笨疲勞豆，裂溝紋不勁斷擴查展，灑直到洽斷裂圣破壞旱；同燃時，脈襯砌攻結(jié)構(gòu)勉底部公在列緞車振騙動荷嶼載的雀作用攝下，易也容忠易出黃現(xiàn)疲鄉(xiāng)豐勞性五破壞注。三、的影響城隧道夠結(jié)構(gòu)與耐久銅性的噸因素以日本帝一座隧五道的混掙凝土掉挑塊事故偉來加以揪分析說呼明：三、井影響蘿隧道叨結(jié)構(gòu)斧耐久推性的黎因素根據(jù)訊調(diào)查天結(jié)果宮，外違部原徑因中詳否定冊了地慣壓、賢水壓焦作用館、地搶震、鵝接近孤施工慣、凍術(shù)脹壓狐力的通影響爪。關(guān)于列藍車振動銹和空氣鉤壓變動央，在事外故發(fā)生亡地點，范對列車繼走行時罰襯砌混友凝土的飄動態(tài)進誰行了量論測，其愚結(jié)果如撞下?！ち熊嚴苏駝訌剑鹤畎ご?.3彩kin獨e（襯砌興表面切鉛線方向鉗）；最大0.飽1k臥in秘e（襯憐砌表率面法盆向方品向）公；·空氣壓暫變動：痰最大6kP昌a（列車遙尾部通且過時的直壓力下愉降）·應(yīng)變：第最大12μ（襯砌枕表面切主線方向漿）；三、鏟影響若隧道第結(jié)構(gòu)蟻耐久略性的林因素一般產(chǎn)說，塊使襯雅砌開伴裂的卡振動柱速度混是20~道30k亞ine，使混看凝土開蓬裂的拉阿應(yīng)變一萬般是200移μ左右，典因此列嶺車振動捏、空氣封壓變動泰、應(yīng)變養(yǎng)不會成飛為剝落罰的主要加原因。訊但是，杯空氣壓母變動和是列車振致動的反超復(fù)作用康，對開雨裂的發(fā)寫展是有沙影響的搏。因此行，進行儲了空氣堵壓反復(fù)卡變動影拖響的試蘿驗。三、影錢響隧道頁結(jié)構(gòu)耐癥久性的亡因素空氣壓迅反復(fù)變喉動影響溝的試驗辟結(jié)果是耐：·隨著答荷載巨的反久復(fù)作葉用，嶄開裂集的端際部的現(xiàn)混凝樣土發(fā)扁生疲光勞，狗微細柳的開刻裂徐乓徐發(fā)鄰生；·最終是笛開裂急跡劇發(fā)展牛而剝落；·開裂唇的深章度越火深，左在少條許的號反復(fù)勒次數(shù)傅就破盼壞了。根據(jù)這投個結(jié)果烈，預(yù)計希實際的低剝落形鼻狀、荷蓋載的形舒態(tài)、荷疫載的水但平（5kP疤a），隆反復(fù)刪次數(shù)胳（剝維落發(fā)通生預(yù)譜計12舊0萬次告），報認為疲勞安破壞是造成邪剝落的弊可能性鍵的主要攀原因。三、影脫響隧道狹結(jié)構(gòu)耐荒久性的槽因素另外耐，高錄速鐵戒路隧步道是皮修建掘在自尚然地秋層中聾的一鈔種地假下結(jié)釣構(gòu)物解，在竹其使面用過肌程中汽，作非用于終襯砌師結(jié)構(gòu)酬上的外力不句斷演變，有軟時會型產(chǎn)生爛預(yù)料躁不到歡的外箭力，侄這也寶是影低響隧蛛道結(jié)宰構(gòu)耐嗽久性媽的一悅個重章要因伐素，患在耐骨久性癢設(shè)計造中應(yīng)仍引起油足夠筍重視轉(zhuǎn)。三、影闖響隧道章結(jié)構(gòu)耐屠久性的賀因素四、復(fù)偽合式襯忠砌結(jié)構(gòu)撫耐久性口設(shè)計在目前逐我國的欲高速鐵慨路隧道冊中，支初護結(jié)構(gòu)章多數(shù)都平采用復(fù)謠合式襯偵砌，復(fù)揮合式襯么砌包括紋初期支哨護和二管次襯砌夾兩部分鑰，所以緣瑞在隧道掉結(jié)構(gòu)耐察久性設(shè)猛計中，策要分別籠考慮初敘期支護雀和二次束襯砌的窮耐久性雁。在復(fù)使合式襯討砌結(jié)構(gòu)汽耐久性叫設(shè)計中塘，要包就括以下柴主要內(nèi)裂容：·明確混慕凝土結(jié)猶構(gòu)的使庫用環(huán)境透類別與崗環(huán)境作誓用等級局；·提出界混凝疾土結(jié)潮構(gòu)的股設(shè)計騾使用鏈年限危；·設(shè)計條與結(jié)鄉(xiāng)豐構(gòu)耐耀久性繞有關(guān)悅的結(jié)跑構(gòu)構(gòu)奏造措罰施；·提出混堡凝土原搖材料品督質(zhì)要求盡、配合泰比主要獎參數(shù)及令耐久性但的具體方指標；·提出億確保軋混凝蝕土耐喬久性硬的施阻工質(zhì)阿量關(guān)兆鍵控奶制要侵求與躁措施崗；·確定郵鋼筋膨混凝譯土保群護層鋸厚度回；·提出棉對結(jié)澇構(gòu)應(yīng)伸采取宗的防更腐蝕蟲附加棚措施槍；·明確結(jié)超構(gòu)使用洋過程中悟的檢測達、養(yǎng)護敗、維修逝或局部煎更換的述要求。四、復(fù)晨合式襯訓砌結(jié)構(gòu)抹耐久性豆設(shè)計初期策支護轉(zhuǎn)的耐糠久性對于薪鐵路篇隧道害結(jié)構(gòu)戰(zhàn)來說惡，初匯期支蠢護一射般包押括噴尸混凝汁土、崇錨桿客、鋼春架等甲，所怪以對彈每一鄉(xiāng)豐種支席護措怠施都幣應(yīng)進梳行耐月久性致設(shè)計春。（一產(chǎn)）扒噴混餅?zāi)?在腐輪蝕性乏嚴重骨的場捷合，嗽噴混求凝土張的強銅度等輸級應(yīng)窮不應(yīng)餓低于厲二次局襯砌堤混凝息土的乏強度蒙等級丸；2噴混凝女土的強膽度要滿秀足長期芬強度（28稍d）的要轉(zhuǎn)求，且1d的抗壓沃強度不屆宜小于10逃MP大a。（二）院錨桿錨桿跪宜采動用全窗長灌棉漿式懇錨桿富，并返應(yīng)設(shè)王置墊里板。桌在腐約蝕性太環(huán)境搏中，術(shù)應(yīng)采諸用防學腐蝕倡的灌倒?jié){材育料或船者采臘用耐貞腐蝕毯的纖丈維錨比桿。（三）昆鋼架噴混管凝土僚內(nèi)設(shè)健置的均鋼架呈靠圍捕巖側(cè)葛的保礙護層潤厚度傻不小篇于40m微m，靠另紡一側(cè)不仗小于30酬mm。四、復(fù)誰合式襯期砌結(jié)構(gòu)催耐久性翁設(shè)計二次牽襯砌左的耐嗚久性鐵路邀隧道扇的二懸次襯醬砌基術(shù)本上稅是由稻混凝念土或吼鋼筋華混凝殖土材劃料構(gòu)方成的水，因種此二婚次襯中砌的喇耐久稍性問篩題歸磁根到猜底還即是混漿凝土機的耐笛久性朝問題睛。混列凝土堪結(jié)構(gòu)噸耐久香性按器學科撈及影爬響因鍛素可頓分為疤：材列料學?？坪晚毥Y(jié)構(gòu)控工程霸學科圣，具園體見狹下圖扛?；炷镣杲Y(jié)構(gòu)耐隸久性研猴究分類四、巴復(fù)合湖式襯嗚砌結(jié)法構(gòu)耐令久性迷設(shè)計從圖中曉可以看荷出，對混凝土區(qū)材料產(chǎn)生漏影響舉的主頌要因忘素有落：鋼扒筋銹徒蝕、之凍融廣循環(huán)剛、堿—骨料反烏應(yīng)、化隆學作用俱和混凝滲土配比直，以及承物理、湯化學和拾生化過軟程和環(huán)活境侵蝕影等，所悄以，材愧料學科譯對混凝紛土結(jié)構(gòu)亦耐久性鉛研究的館目的主麗要在于解決混賺凝土結(jié)譯構(gòu)設(shè)計歌、施工銀、和使非用維修喚中的構(gòu)標造措施，如設(shè)敞計中的敗防水、倍裂縫限關(guān)制指標固、施工征中的水防灰比大搭小、外黨加劑類鞏型、使安用維修碗中的補畫強措施仔等。四、復(fù)發(fā)合式襯繪砌結(jié)構(gòu)松耐久性則設(shè)計結(jié)構(gòu)帖工程黨學科頑對混臣凝土五結(jié)構(gòu)使耐久是性研默究分戴為抗逆力與返荷載破變化屯的研驚究，糖