目錄TOC\o"1-2"\h\z\u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、混凝土碳化等。孫偉院士[1]等對混凝土材料在3.5%NaCl溶液腐蝕、5%Na2SO4溶液腐蝕和凍融等多因素耦合作用下的耐久性問題進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究。陳肇元院士[2]認(rèn)為歐洲“DuraCrete”項(xiàng)目出版的《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)指南》中，成功解決了Fick第二擴(kuò)散定律在混凝土中應(yīng)用的第1個(gè)和第2個(gè)問題。余紅發(fā)等[3]針對氯離子擴(kuò)散理論進(jìn)行了大量的研究，推導(dǎo)出綜合考慮混凝土的氯離子結(jié)合能力、氯離子擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間依賴性和混凝土結(jié)構(gòu)微缺陷影響的新擴(kuò)散方程，建立了修正的混凝土氯離子擴(kuò)散理論模型，已經(jīng)成功地運(yùn)用于氯鹽環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)。關(guān)于從結(jié)構(gòu)層次研究混凝土構(gòu)件的承載能力與環(huán)境之間的相互作用方面，國內(nèi)外開展的研究工作很少，國內(nèi)僅大連理工大學(xué)的貢金鑫等[4]研究了鋼筋混凝土梁在人工海水作用下的鋼筋銹蝕問題，但是沒有涉及到承載能力的退化規(guī)律。趙鐵軍，金祖權(quán)等[5]依托膠州灣海底隧道對襯砌混凝土處于干濕交替環(huán)境下，考慮汽車尾氣中的CO2、海水及地下水中的SO24-,K+,Na+等所導(dǎo)致的堿骨料反應(yīng)、Cl-侵蝕、硫酸鹽腐蝕、碳化、凍融、軟水腐蝕、高壓滲水、積水等。對襯砌混凝土的耐久性設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，包括混凝土的原材料選擇、質(zhì)量控制、配合比及有關(guān)性能指標(biāo)確定、構(gòu)造措施、施工質(zhì)量保障及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等方面。周曉軍[6]對于地鐵隧道中的雜散電流對鋼筋的電化學(xué)腐蝕作用進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的襯砌結(jié)構(gòu)耐久性提高措施。江大虎[7]從理論上了分析盾構(gòu)隧道混凝土管片在各單一因素作用下的失效機(jī)理、模型及其耐久性退化規(guī)律，結(jié)合高等鋼筋混凝土理論，建立了以承載能力為準(zhǔn)則，并考慮多種因素耦合作用的耐久性壽命預(yù)測模型。調(diào)研成果1.水下隧道耐久性設(shè)計(jì)特點(diǎn)（1）海洋環(huán)境下江海水和海洋大氣對隧道襯砌結(jié)構(gòu)有害化學(xué)離子（以海鹽氯離子Cl-為代表）的侵蝕作用；（2）海水通過海床下圍巖裂隙和軟弱夾層隨地下水滲流達(dá)到襯砌結(jié)構(gòu)外表面。在此過程中，海水與隧道上覆巖土礦物組構(gòu)間可能發(fā)生物化反應(yīng)，會導(dǎo)致海水對砼侵蝕性能的變化（進(jìn)一步劣化或有所改善）；（3）高水頭海水水壓長年累月的持續(xù)作用；（4）隧道襯砌結(jié)構(gòu)在復(fù)雜受力狀態(tài)和多重有害環(huán)境因素作用等惡劣條件下、長年持續(xù)工作；（5）因洞內(nèi)外環(huán)境的限制和施工中的困難條件，使保證材料品質(zhì)和施工質(zhì)量的難度加大；（6）深水下海底隧道建設(shè)和運(yùn)行環(huán)境惡劣并更為復(fù)雜多變，材料和結(jié)構(gòu)的耐久性問題將愈益突出。2.水下隧道耐久性影響因素2.1內(nèi)部因素（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不良：沒有考慮環(huán)境侵蝕作用或則考慮標(biāo)準(zhǔn)較低，或者設(shè)計(jì)本身存在缺陷，不符合環(huán)境實(shí)際需求。（2）建筑材料不佳：指混凝土材料中含有活性礦物集料（活性二氧化硅等）和過量的堿（K2O、Na2O）等，會在混凝土材料內(nèi)部發(fā)生不良反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)初始損傷。（3）施工質(zhì)量不足：表現(xiàn)在保護(hù)層厚度不足、混凝土不密實(shí)、施工質(zhì)量缺陷等，縮短了環(huán)境中具有侵蝕性的水、氣等向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散時(shí)間，從而影響結(jié)構(gòu)壽命。2.2外部因素侵蝕性環(huán)境因素，如車輛尾氣排放中高濃度CO2、CO以及海水和海洋大氣中高濃度氯離子Cl▔等。隧道內(nèi)行進(jìn)電氣列車時(shí)雜散電流對襯砌的腐蝕作用在雜散電流作用下，混凝土各部位的電位發(fā)生不同幅度的變化，陽極部位電位趨向負(fù)值，陰極部位趨向正值。當(dāng)外加電位超過臨界值時(shí)，鋼筋的鈍化膜遭到破壞，開始發(fā)生鋼筋銹蝕。在所有因素中，如建筑材料不良、設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量不佳，有可能通過優(yōu)化將這些不利影響消除或降至最低；但混凝土內(nèi)部氣泡和毛細(xì)管孔隙等的客觀存在，將會為環(huán)境中的二氧化碳、氯離子等有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部提供通道，使結(jié)構(gòu)耐久性損傷隨時(shí)間而逐漸加劇。3.隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性損傷機(jī)理在內(nèi)、外因素的共同作用下，襯砌結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生鋼筋銹蝕、混凝土強(qiáng)度降低、表面損傷（裂縫、剩落、掉塊等）等劣化現(xiàn)象。其中，鋼筋銹蝕是引起結(jié)構(gòu)耐久性損傷的主要原因。鋼筋銹蝕可以從兩方面危及結(jié)構(gòu)的耐久性能：一是銹蝕使鋼筋本身有效截面積減小，強(qiáng)度降低；另一方面，鋼筋銹蝕以后，其產(chǎn)生鐵銹的體積是相應(yīng)鋼筋體積的2～4倍（銹脹），會導(dǎo)致保護(hù)層脹裂，從而使混凝土有效截面產(chǎn)生損傷、鋼筋和混凝土間的黏結(jié)力下降。鋼筋強(qiáng)度降低、混凝土結(jié)構(gòu)截面損傷、以及鋼筋與混凝土間黏結(jié)力的下降的共同作用結(jié)果，使截面承載能力下降，結(jié)構(gòu)的耐久性能損傷。襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)、外兩側(cè)影響耐久性主要因素不同，鋼筋產(chǎn)生銹蝕的機(jī)理也不同。隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性損傷機(jī)理如圖3-1所示。在襯砌內(nèi)側(cè)：通行汽車車輛尾氣中含有的高濃度CO2和CO對結(jié)構(gòu)內(nèi)壁的侵蝕作用，混凝土碳化是結(jié)構(gòu)腐蝕的一種主要因素。在襯砌外側(cè)：雖然二次襯砌和初期支護(hù)之間有防水薄膜起一定的防水作用，但由于施工不良（易造成防水薄膜小的裂隙，防水膜局部接頭處的質(zhì)量缺陷，固定防水薄膜的結(jié)合釘或膠結(jié)材料處縫隙的存在等等）、防水材料質(zhì)量欠佳等原因，高壓海水很容易通過裂隙到達(dá)襯砌結(jié)構(gòu)外表面。海水中高濃度氯離子對結(jié)構(gòu)的侵蝕作用是其主要因素。圖3-1襯砌結(jié)構(gòu)耐久性損傷機(jī)理在結(jié)構(gòu)建成初期，由于混凝土中強(qiáng)堿性（PH>12.5）環(huán)境的存在，在鋼筋表面會形成一層致密的鈍化保護(hù)膜，使鋼筋免受外界環(huán)境的侵蝕作用。經(jīng)過一段時(shí)期，當(dāng)空氣中的CO2進(jìn)入混凝土內(nèi)部后，就會與混凝土中的堿產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成CaCO3，使混凝土中性化、堿性降低，襯砌內(nèi)側(cè)的鋼筋就會因失去鈍化膜的保護(hù)作用而產(chǎn)生銹蝕。在襯砌結(jié)構(gòu)的外側(cè)，海水中高濃度的氯離子因擴(kuò)散作用進(jìn)入混凝土內(nèi)部，在鋼筋表面累積。當(dāng)鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到臨界濃度（使鋼筋產(chǎn)生銹蝕的最高氯離子濃度）時(shí)，就會使“鈍化膜”活化，從而使鋼筋失去保護(hù)作用，發(fā)生銹蝕。4.水下隧道襯砌耐久性設(shè)計(jì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)也會因環(huán)境外部因素的侵蝕而產(chǎn)生耐久性損傷，從而影響使用壽命。這種環(huán)境損傷作用過去在傳統(tǒng)隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中都未作過定量考慮，傳統(tǒng)的混凝土設(shè)計(jì)方法一般只考慮荷載作用對結(jié)構(gòu)安全和使用性能的影響。此處，進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)則需將環(huán)境侵蝕作用定量考慮于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，這從根本上保證和提高了結(jié)構(gòu)的耐久壽命。目前，基于近似概率的耐久性極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法已研制有相應(yīng)的專用設(shè)計(jì)軟件，并作了詳細(xì)論述，可供參考。4.1耐腐蝕高性能海工混凝土高性能海工混凝土材料的優(yōu)化配制，是增強(qiáng)其耐久性的研究熱點(diǎn)。對采用常規(guī)水泥和砂石材料配制的高性能海工混凝土言，要求實(shí)現(xiàn)混凝土自身的低滲透性、低宏觀缺陷和高密實(shí)度，以限制海洋環(huán)境侵蝕介質(zhì)的入滲，其基本途徑可歸結(jié)為：①采用高性能優(yōu)質(zhì)水泥和級配良好的優(yōu)質(zhì)骨料；②優(yōu)質(zhì)摻料(磨細(xì)礦碴粉、粉煤灰、微硅粉等)，使工業(yè)廢碴資源得到充分利用；③高效減水劑的使用，并盡量降低混凝土水膠比，提高混凝土的抗?jié)B能力；④外加硅粉等膠凝性礦物摻合料，以提高混凝土的密實(shí)度；⑤水泥顆粒的解聚和粒徑范圍擴(kuò)大，以獲得較理想的微觀砼結(jié)構(gòu)，等等。4.2工程措施（1）適當(dāng)增加襯砌混凝土保護(hù)層厚度；（2）設(shè)置結(jié)構(gòu)表面防護(hù)涂層使形成對有害粒子的隔離屏障，延緩向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的時(shí)間和速度；（3）合理設(shè)置施工縫、伸縮縫，設(shè)置施工縫要綜合考慮外界環(huán)境，盡量避開不利部位（如海水滲透量大、圍巖風(fēng)化程度高、軟弱松散等部位）；要盡可能減少伸縮縫的數(shù)量，伸縮縫的止水設(shè)施在構(gòu)造要合理、可靠；（4）采用多重防護(hù)措施，鋼筋銹蝕采取陰極保護(hù)措施，在混凝土中摻加阻銹劑，并在鋼筋表面使用防腐涂層等防護(hù)措施；（5）結(jié)構(gòu)防排水、封閉注漿和設(shè)置防水膜等構(gòu)造措施要合理可靠，避免地下入滲海水直接接觸襯砌結(jié)構(gòu)表面；（6）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要統(tǒng)籌考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工方案及措施，鋼筋布設(shè)和細(xì)部構(gòu)造等要便于施工、控制與檢查工程質(zhì)量；（7）選用相同材質(zhì)的鋼筋，以降低鋼材的電化學(xué)銹蝕速度；（8）設(shè)置襯砌過渡加強(qiáng)段，遇軟弱圍巖向堅(jiān)實(shí)圍巖過渡區(qū)帶，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)圍巖具體情況設(shè)置一定長度的過渡加強(qiáng)段（或用軟弱圍巖部位襯砌結(jié)構(gòu)形式向兩側(cè)延伸一定長度），以保證該地段襯砌的整體承載性能、穩(wěn)定性和可靠性；（9）設(shè)置檢查、檢測和維護(hù)設(shè)施，襯砌結(jié)構(gòu)要預(yù)設(shè)相關(guān)設(shè)施，便于進(jìn)行檢查、檢測和維護(hù)，盡早發(fā)現(xiàn)問題，加強(qiáng)保養(yǎng)維護(hù)，提高結(jié)構(gòu)的耐久壽命。特別是敏感部位，如接縫、排水部位等應(yīng)預(yù)留檢修通道；（10）嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量；（11）加強(qiáng)工程質(zhì)量控制，從混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)、拆模等各個(gè)環(huán)節(jié)入手，確保施工質(zhì)量；（12）要求貫徹“預(yù)防為主，早期發(fā)現(xiàn)，及時(shí)維護(hù)，對癥下藥”的維護(hù)管理原則。結(jié)論通過對水下隧道的耐久性設(shè)計(jì)的調(diào)研，主要得出以下結(jié)論：（1）水下隧道耐久性的主要影響因素是汽車尾氣中的CO2和CO、以Cl-為首的電化學(xué)腐蝕、地鐵雜散電流以及混凝土結(jié)構(gòu)隨時(shí)間本身的劣化。（2）因其修復(fù)、加固困難，水下隧道的耐久性設(shè)計(jì)必須得到重視，其設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)比常規(guī)隧道更長。（3）水下隧道的耐久性設(shè)計(jì)目前尚無明確的定量指標(biāo)，多從結(jié)構(gòu)材料、施工質(zhì)量和施工方法等入手。（4）因水下隧道耐久性影響因素多、修復(fù)困難，其設(shè)計(jì)使用年限比一般隧道更長，但目前并無具體定論或規(guī)范，有專家建議為150年左右。參考文獻(xiàn)[1]SunWei,MuR,LuoXetal..EffectofChlorideSalt,Freeze-thawCyclingandExternallyAppliedLoadonthePerformanceoftheConcrete[J].CementandConcreteResearch,2002,32(12):1859-1864.[2]陳肇元,混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)[A].陳肇元,陳志鵬,江見鯨等編,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及耐久性設(shè)計(jì)論文集[C],北京,清華大學(xué),2002,11.[3]余紅發(fā),孫偉,麻海燕等.混凝土在多重因素作用下的氯離子擴(kuò)散方程[J].建筑材料學(xué)報(bào),2002,5(3):240~24