论文部分内容阅读
摘要: 混凝土结构耐久性是指混凝土结构在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，结构构件在设计使用年限内，保持其适用性和安全性的能力。由于地铁结构多埋置于地下，与地下水、岩土介质紧密接触，加之各种突发性灾害等不确定性因素的影响，由此引发的各类耐久性问题越来越严重。本文主要针对地铁工程结构老化的问题,分析影响地铁工程混凝土结构耐久性的几个主要因素,并提出对地铁工程安全评估及防腐蚀设计的方法，可供同行参考借鉴。
关键词:渗漏； 结构耐久性； 防腐蚀； 变形监测
Abstract: the concrete durability of concrete structure is to point to in the design of the function and maintenance to determine the environment, use condition, structure component in the design use fixed number of year inside, maintain its applicability and safety of ability. Due to the subway structure is embedded in the more underground, and groundwater, geotechnical medium close contact, together with all kinds of unexpected disasters and uncertainty factors, caused by the problem of all kinds of durability is more and more serious. This article mainly aims at the subway engineering structure of the aging problem, analyze the influence the subway engineering the durability of concrete construction several factors, and puts forward the subway engineering safety assessment and anti-corrosion design method for peer for reference.
Keywords: leakage; Durability; Corrosion resistant; Deformation monitoring
中圖分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
前言
随着城市建设的发展，城市地铁以前所未有的速度快速修建，而地铁隧道中钢筋混凝土耐久性不足一直困扰着地铁运营与管理部门。地铁隧道往往处于地下水位以下，必然会受到地下水的侵蚀，加之地质水文的变化、其他环境因素的影响以及机车行驶产生的振动，结构会出现损伤，造成微裂纹，如不能及时修复，这些微裂纹会进一步发展，出现大的裂纹，产生裂缝，导致地下水侵入隧道，影响其内部结构与附属管线，最终危害到地铁的运营和降低隧道使用寿命，地铁隧道混凝土耐久性不足是一个迫切需要解决的技术难题。
一、工程条件对结构耐久性的影响分析
地下工程是不可逆转的, 维修、改建或拆除都很困难, 尤其是近年来地铁建设一次性投入的资金巨大, 对工程耐久性提出了更高的要求。分析影响地铁工程混凝土结构耐久性的因素,主要包括外部环境、混凝土结构裂缝和渗漏影响等几方面。其中, 外部环境因素包括: 空气状况、地下水、杂散电流等三方面。为了研究地铁工程、特别是盾构法隧道的耐久性, 首先要分析研究混凝土衬砌的腐蚀机理, 制定提高耐久性的策略。同时, 须加强对已建隧道钢筋混凝土管片耐久性、接头连接螺栓的锈蚀等监测, 及时采取措施, 确保地铁的安全运营。
1、工程地质条件。在软土地层中修建隧道, 无论在施工期间和隧道建成后的耐久性都与地质有着不可分割的关系。土层从上至下往往会出现欠固结、正常固结、超固结 (主要在⑥层以下 )。如果是欠固结土, 在土体受扰动后, 土体会重新固结, 强度再逐渐恢复。但是在固结过程中地层的物理性能会发生很大的变化, 会对地铁隧道的耐久性产生一定的影响。
2、土层的排水固结。混凝土是一个透水性的建筑材料。管片采用了地下工程防水混凝土的级配后, 虽大大降低了它的渗透系数, 但是并没有从根本上改变混凝土的性质。隧道周边的土体, 会随着超孔隙水压力的消散, 重新固结。这个固结的过程是漫长的, 将会对地层带来一定的负面影响。
3、列车振动荷载下的土体振陷。地铁列车在隧道里运行, 其振动会引起隧道周边软土的振陷, 并会逐渐影响到隧道的使用寿命。
4、小曲率半径的影响。地铁列车在曲线段运行时会对隧道产生水平向的离心力, 离心力又会对隧道两侧的土体产生影响。在转弯时降低车速, 固然可以减少离心力, 但是会影响运行的效率。曲线半径的设定应尽量避免小曲率的方案, 但是有时受到区间, 空间等限制, 很难取得理想的方案, 隧道不得不采用小曲率半径。
二、地铁结构及防腐蚀设计问题分析
1、管片的建筑材料
制造隧道管片的材料有很多, 例如: 钢管片、钢和混凝土复合管片、铸铁管片、高分子材料浸渍管片等。我们在地铁工程中所使用的管片大多数是钢筋混凝土管片, 仅在连接通道、泵房处使用部分钢管片或钢与混凝土的复合管片。但不管采用何种材质都应做好管片的防腐蚀设计, 以确保结构的设计使用年限。
2、管片的连接。目前, 管片间的环向、纵向连接都是用螺栓。目前, 连接螺栓采用锌基铬酸盐处理再通过手孔封堵, 隔绝了水与空气的接触, 耐腐蚀性能有较大的提高。但仍应对用不同的结构型式、不同的材质 (如特种钢或高强度尼龙、钢芯尼龙复合材料 )等作进一步研究。联想到大桥和沉管隧道的预应力结构, 在地铁隧道特殊部位是否也可考虑在环向和纵向、在一定距离内拉预应力钢索。在预应力钢索孔中再注入水泥砂浆, 以提高隧道的稳定性和耐久性。
3、隧道变形缝的设置。地下水的涨落、地层的隆沉变化、地震的震动等因素都将会对区间隧道产生较大的影响。所以, 在隧道变形较大部位都须设置特别的变形环, 以适应隧道的不均匀沉降需求。对于隧道和井的接头部分, 按照目前的设计, 要适应较大的沉降变化是不够的, 应该设计成柔性的接头。是否也能制作成如铰接盾构铰接部位的半球型, 来适应区间隧道与车站结构之间较大的沉降变化。
4、钢筋保护。管片的钢筋保护是非常重要的, 因为混凝土管片在水化与终凝过程中会产生塑性收缩 (干缩 )与混凝收缩。此外在运输过程、施工过程中, 不可避免会产生微细裂缝。地下水沿着裂缝渗入腐蚀钢筋。钢筋在腐蚀过程中体积会膨胀, 膨胀又会导致裂缝发展, 地下水沿着裂缝的发展更加深入, 钢筋的腐蚀又进一步增加。这种恶性循环最终会导致管片结构的损害, 严重影响地铁工程的耐久性。为了防止这种恶性循环的发生, 可以采取在混凝土管片背面加涂防水涂层。防水涂层的材料有:一类是高渗透的硅酸盐溶液, 这种亲水性涂料可渗透到混凝土内部, 与混凝土内的钙离子形成硅酸钙的结晶, 这些结晶有效堵塞了裂缝的渗水通道, 可防止钢筋的腐蚀； 另一类为环氧树脂, 丙烯酸改性环氧树脂 (因为环氧树脂与钢筋和混凝土的黏结都很好, 且环氧树脂是绝缘材料, 所以对杂散电流的腐蚀也有保护作用 )等。将涂层涂刷在管片背面, 也可以起到防水、保护钢筋的作用。当然要注意提高管片外涂层的柔韧性、耐磨性。
5、衬砌壁后注浆。在施工过程中为防止地面沉降, 所采用的壁后注浆材料对隧道的耐久性也有很大的影响。如果壁后注浆材料质地密实, 有一定的强度, 犹如管片的保护层, 能够成为管片和土层的过渡层 (或称中间接触层 ), 将对隧道的长期稳定起到一定作用。同时,也犹如止水帷幕, 可提高管片本体与接缝的防水性。
6、防腐蚀设计。由于自身封闭的建筑结构以及通风不良等原因, 使得地铁工程中影响混凝土结构耐久性的主要因素为 CO、CO2、温度和相对湿度, 其中关键性因素是 CO2引起的碳化作用。在目前的防腐蚀设计中, 一般通过建立氯离子扩散极限状态、碳化侵蚀极限状态方程, 依照可靠度计算模型, 推算 100年使用期末的可靠度指标, 以作为设计使用寿命的预估。使得隧道管片结构、隧道密封防水材料等的耐久性年限均满足 100年的要求。
三、加强对已建地铁工程的安全、耐久性调查与评估问题分析
随着时间的推移, 地铁工程建设的规模越来越大, 其中设计标准、使用年限也各有差异。所以对已建地铁、尤其是早期投入运行的地铁, 应安排作必要的监测与治理, 以确保工程的安全性与耐久性。主要工作可分为以下两大部分:一是通过监测掌握第一手资料。根据隧道长期纵向变形监测、渗漏水监测、结构横断面变形及接缝张开测试资料, 通过专家评审进行结构安全性评价。二是混凝土结构耐久性的监测。①腐蚀情况较明显地段, 从现场取混凝土试块进行氯离子扩散系数的测定；②根据标准预埋件的回弹试验, 推定保护层混凝土的密实度；③除连接件手孔封堵混凝土, 进行连接件腐蚀情况监测 (其后应立即重新密实封堵 )④根据综合评估, 合理、有序地安排地铁工程的维护和养护, 以起到地铁工程“延年益寿”的功效。
四、结语
百年大计，质量为本。应该在思想上重视混凝土结构的耐久性问题,与施工、管理人员共同努力, 建造出合乎耐久性要求的高质量的工程。
参考文献：
[1]陈改新.混凝土耐久性的研究、应用和发展趋势[J].中国水利水电科学研究院学报，2009(6）.
[2]王凤池，王声平，李中原.混凝土耐久性研究现状分析[J].水利与建筑工程学报,2009(3).
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词:渗漏； 结构耐久性； 防腐蚀； 变形监测
Abstract: the concrete durability of concrete structure is to point to in the design of the function and maintenance to determine the environment, use condition, structure component in the design use fixed number of year inside, maintain its applicability and safety of ability. Due to the subway structure is embedded in the more underground, and groundwater, geotechnical medium close contact, together with all kinds of unexpected disasters and uncertainty factors, caused by the problem of all kinds of durability is more and more serious. This article mainly aims at the subway engineering structure of the aging problem, analyze the influence the subway engineering the durability of concrete construction several factors, and puts forward the subway engineering safety assessment and anti-corrosion design method for peer for reference.
Keywords: leakage; Durability; Corrosion resistant; Deformation monitoring
中圖分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
前言
随着城市建设的发展，城市地铁以前所未有的速度快速修建，而地铁隧道中钢筋混凝土耐久性不足一直困扰着地铁运营与管理部门。地铁隧道往往处于地下水位以下，必然会受到地下水的侵蚀，加之地质水文的变化、其他环境因素的影响以及机车行驶产生的振动，结构会出现损伤，造成微裂纹，如不能及时修复，这些微裂纹会进一步发展，出现大的裂纹，产生裂缝，导致地下水侵入隧道，影响其内部结构与附属管线，最终危害到地铁的运营和降低隧道使用寿命，地铁隧道混凝土耐久性不足是一个迫切需要解决的技术难题。
一、工程条件对结构耐久性的影响分析
地下工程是不可逆转的, 维修、改建或拆除都很困难, 尤其是近年来地铁建设一次性投入的资金巨大, 对工程耐久性提出了更高的要求。分析影响地铁工程混凝土结构耐久性的因素,主要包括外部环境、混凝土结构裂缝和渗漏影响等几方面。其中, 外部环境因素包括: 空气状况、地下水、杂散电流等三方面。为了研究地铁工程、特别是盾构法隧道的耐久性, 首先要分析研究混凝土衬砌的腐蚀机理, 制定提高耐久性的策略。同时, 须加强对已建隧道钢筋混凝土管片耐久性、接头连接螺栓的锈蚀等监测, 及时采取措施, 确保地铁的安全运营。
1、工程地质条件。在软土地层中修建隧道, 无论在施工期间和隧道建成后的耐久性都与地质有着不可分割的关系。土层从上至下往往会出现欠固结、正常固结、超固结 (主要在⑥层以下 )。如果是欠固结土, 在土体受扰动后, 土体会重新固结, 强度再逐渐恢复。但是在固结过程中地层的物理性能会发生很大的变化, 会对地铁隧道的耐久性产生一定的影响。
2、土层的排水固结。混凝土是一个透水性的建筑材料。管片采用了地下工程防水混凝土的级配后, 虽大大降低了它的渗透系数, 但是并没有从根本上改变混凝土的性质。隧道周边的土体, 会随着超孔隙水压力的消散, 重新固结。这个固结的过程是漫长的, 将会对地层带来一定的负面影响。
3、列车振动荷载下的土体振陷。地铁列车在隧道里运行, 其振动会引起隧道周边软土的振陷, 并会逐渐影响到隧道的使用寿命。
4、小曲率半径的影响。地铁列车在曲线段运行时会对隧道产生水平向的离心力, 离心力又会对隧道两侧的土体产生影响。在转弯时降低车速, 固然可以减少离心力, 但是会影响运行的效率。曲线半径的设定应尽量避免小曲率的方案, 但是有时受到区间, 空间等限制, 很难取得理想的方案, 隧道不得不采用小曲率半径。
二、地铁结构及防腐蚀设计问题分析
1、管片的建筑材料
制造隧道管片的材料有很多, 例如: 钢管片、钢和混凝土复合管片、铸铁管片、高分子材料浸渍管片等。我们在地铁工程中所使用的管片大多数是钢筋混凝土管片, 仅在连接通道、泵房处使用部分钢管片或钢与混凝土的复合管片。但不管采用何种材质都应做好管片的防腐蚀设计, 以确保结构的设计使用年限。
2、管片的连接。目前, 管片间的环向、纵向连接都是用螺栓。目前, 连接螺栓采用锌基铬酸盐处理再通过手孔封堵, 隔绝了水与空气的接触, 耐腐蚀性能有较大的提高。但仍应对用不同的结构型式、不同的材质 (如特种钢或高强度尼龙、钢芯尼龙复合材料 )等作进一步研究。联想到大桥和沉管隧道的预应力结构, 在地铁隧道特殊部位是否也可考虑在环向和纵向、在一定距离内拉预应力钢索。在预应力钢索孔中再注入水泥砂浆, 以提高隧道的稳定性和耐久性。
3、隧道变形缝的设置。地下水的涨落、地层的隆沉变化、地震的震动等因素都将会对区间隧道产生较大的影响。所以, 在隧道变形较大部位都须设置特别的变形环, 以适应隧道的不均匀沉降需求。对于隧道和井的接头部分, 按照目前的设计, 要适应较大的沉降变化是不够的, 应该设计成柔性的接头。是否也能制作成如铰接盾构铰接部位的半球型, 来适应区间隧道与车站结构之间较大的沉降变化。
4、钢筋保护。管片的钢筋保护是非常重要的, 因为混凝土管片在水化与终凝过程中会产生塑性收缩 (干缩 )与混凝收缩。此外在运输过程、施工过程中, 不可避免会产生微细裂缝。地下水沿着裂缝渗入腐蚀钢筋。钢筋在腐蚀过程中体积会膨胀, 膨胀又会导致裂缝发展, 地下水沿着裂缝的发展更加深入, 钢筋的腐蚀又进一步增加。这种恶性循环最终会导致管片结构的损害, 严重影响地铁工程的耐久性。为了防止这种恶性循环的发生, 可以采取在混凝土管片背面加涂防水涂层。防水涂层的材料有:一类是高渗透的硅酸盐溶液, 这种亲水性涂料可渗透到混凝土内部, 与混凝土内的钙离子形成硅酸钙的结晶, 这些结晶有效堵塞了裂缝的渗水通道, 可防止钢筋的腐蚀； 另一类为环氧树脂, 丙烯酸改性环氧树脂 (因为环氧树脂与钢筋和混凝土的黏结都很好, 且环氧树脂是绝缘材料, 所以对杂散电流的腐蚀也有保护作用 )等。将涂层涂刷在管片背面, 也可以起到防水、保护钢筋的作用。当然要注意提高管片外涂层的柔韧性、耐磨性。
5、衬砌壁后注浆。在施工过程中为防止地面沉降, 所采用的壁后注浆材料对隧道的耐久性也有很大的影响。如果壁后注浆材料质地密实, 有一定的强度, 犹如管片的保护层, 能够成为管片和土层的过渡层 (或称中间接触层 ), 将对隧道的长期稳定起到一定作用。同时,也犹如止水帷幕, 可提高管片本体与接缝的防水性。
6、防腐蚀设计。由于自身封闭的建筑结构以及通风不良等原因, 使得地铁工程中影响混凝土结构耐久性的主要因素为 CO、CO2、温度和相对湿度, 其中关键性因素是 CO2引起的碳化作用。在目前的防腐蚀设计中, 一般通过建立氯离子扩散极限状态、碳化侵蚀极限状态方程, 依照可靠度计算模型, 推算 100年使用期末的可靠度指标, 以作为设计使用寿命的预估。使得隧道管片结构、隧道密封防水材料等的耐久性年限均满足 100年的要求。
三、加强对已建地铁工程的安全、耐久性调查与评估问题分析
随着时间的推移, 地铁工程建设的规模越来越大, 其中设计标准、使用年限也各有差异。所以对已建地铁、尤其是早期投入运行的地铁, 应安排作必要的监测与治理, 以确保工程的安全性与耐久性。主要工作可分为以下两大部分:一是通过监测掌握第一手资料。根据隧道长期纵向变形监测、渗漏水监测、结构横断面变形及接缝张开测试资料, 通过专家评审进行结构安全性评价。二是混凝土结构耐久性的监测。①腐蚀情况较明显地段, 从现场取混凝土试块进行氯离子扩散系数的测定；②根据标准预埋件的回弹试验, 推定保护层混凝土的密实度；③除连接件手孔封堵混凝土, 进行连接件腐蚀情况监测 (其后应立即重新密实封堵 )④根据综合评估, 合理、有序地安排地铁工程的维护和养护, 以起到地铁工程“延年益寿”的功效。
四、结语
百年大计，质量为本。应该在思想上重视混凝土结构的耐久性问题,与施工、管理人员共同努力, 建造出合乎耐久性要求的高质量的工程。
参考文献：
[1]陈改新.混凝土耐久性的研究、应用和发展趋势[J].中国水利水电科学研究院学报，2009(6）.
[2]王凤池，王声平，李中原.混凝土耐久性研究现状分析[J].水利与建筑工程学报,2009(3).
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。