膠州灣海底隧道襯砌混凝土關鍵參數(shù)研究

金祖權 ，孫 偉，侯保榮，張 鵬

(1. 青島理工大學 土木學院，山東 青島，266033；2. 中國科學院海洋研究所，山東 青島，266071；3. 東南大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京，211189)

隨著我國廈門東通道海底隧道、青島膠州灣海底隧道的開工建設，海底隧道結構混凝土的耐久性問題受到越來越多的關注[1-4]。青島膠州灣海底隧道北連青島市區(qū)團島，南接黃島區(qū)的薛家島，下穿膠州灣灣口海域，海水最大水深為42 m。隧道全長為7.8 km，其中海域段長度約 3.95 km，是中國最長的海底公路隧道。項目總投資32.98億元(不含市區(qū)接線1.6 km投資)。膠州灣海底隧道薛家島段從2007年開始施工，至 2009年 3月右洞襯砌混凝土施工里程為YK8+850～YK7+247 km，噴射混凝土施工里程為YK8+850～YK6+945 km；左洞襯砌混凝土施工里程為ZK8+814.3～ZK7+646.7 km，噴射混凝土施工里程為ZK8+814.3～ZK7+086 km；左、右洞均已進入海域段?？紤]到膠州灣海底隧道100 a服役壽命要求，設計時考慮了膠州灣海底隧道環(huán)境，并基于氯鹽腐蝕模型給出了襯砌混凝土耐久性設計參數(shù)[5-6]。然而，這些參數(shù)在實際施工過程中與設計時并不吻合，這將極大地影響襯砌混凝土的服役壽命[7-11]。此外，隧道襯砌混凝土難施工、易開裂以及拱頂空洞問題是隧道的常見問題，膠州灣海底隧道首次采用了C50高性能襯砌混凝土并建立了相應的耐久性施工技術規(guī)程[12-15]。為了驗證其實施效果，本文作者對已施工膠州灣海底隧道襯砌混凝土多個關鍵參數(shù)進行測試和分析，以評定襯砌混凝土質量。

1 實驗

1.1 混凝土配合比

依據(jù)膠州灣海底隧道襯砌混凝土耐久性設計要求，混凝土強度等級為C50，其氯離子擴散系數(shù)小于4×10-12m2/s，抗?jié)B等級為S12，混凝土保護層偏差應小于10 mm。二襯混凝土配合比如表1所示。

表1 膠州灣海底隧道襯砌混凝土配合比Table1 Mixed proportion of lining concrete for Jiaozhou bay subsea tunnel kg·m-3

1.2 實驗方法

膠州灣海底隧道二次襯砌混凝土采用標準養(yǎng)護和隧道現(xiàn)場養(yǎng)護2種方式，測試其強度變化規(guī)律；二次襯砌混凝土現(xiàn)場強度采用回彈法測試，氯離子擴散系數(shù)、抗?jié)B等級采用施工里程內現(xiàn)場澆注二襯混凝土標準養(yǎng)護試件測試，襯砌混凝土保護層偏差采用鋼筋定位儀測試；采用地質雷達測試襯砌厚度、脫空異常區(qū)及混凝土膠結性能。

2 結果與討論

2.1 海底隧道襯砌混凝土強度發(fā)展規(guī)律

隧道混凝土強度變化決定了襯砌混凝土早期拆模和后期耐久性能的發(fā)揮，本文對標準養(yǎng)護和現(xiàn)場養(yǎng)護的二次襯砌混凝土的強度變化規(guī)律進行測試，其結果如圖1所示。

圖1 混凝土強度變化規(guī)律Fig.1 Compressive strength varied with curing age for lining concrete

由圖1可知：膠州灣海底襯砌混凝土3 d強度為30 MPa左右，有利于混凝土拆模，后期強度變化正常，有利于提高混凝土耐久性能；無論采用那種養(yǎng)護方式，其28 d強度均在60 MPa左右，滿足設計要求。與標準養(yǎng)護相比，襯砌混凝土現(xiàn)場養(yǎng)護劣化了混凝土性能，其28 d抗壓強度降低6%～7%。

對膠州灣海底隧道右線 YK8+850～YK8+643 km范圍內標養(yǎng)襯砌混凝土28 d強度進行統(tǒng)計，其結果如圖2所示。

圖2 膠州灣海底隧道右線襯砌混凝土抗壓強度Fig.2 Compressive strength of constructed lining concrete in Jiaozhou bay subsea tunnel

由圖2可知：膠州灣海底隧道在近200 m施工里程內襯砌混凝土抗壓強度波動性較小，混凝土28 d抗壓強度均在60 MPa左右，滿足設計要求。

2.2 海底隧道襯砌混凝土強度波動

考慮到襯砌混凝土強度現(xiàn)場施工過程中可能出現(xiàn)波動，采用高強混凝土回彈儀對膠州灣海底隧道左、右線襯砌混凝土在左、右邊墻進行回彈，其結果如圖3所示。

由圖3可知：膠州灣海底隧道襯砌混凝土右線回彈值在35～50之間，左線在33～40之間。根據(jù)高強混凝土回彈法測區(qū)混凝土強度換算表，則其強度分別為58～75 MPa和53～66 MPa，滿足設計強度要求。此外，由3個回彈測線可知：襯砌混凝土在入口前80 m，強度逐漸上升；在距入口80 m后，混凝土強度均勻性較好；因而，在后期的裝飾處理過程中，建議對隧道入口進行防水處理。

2.3 襯砌混凝土氯離子擴散系數(shù)

海底隧道襯砌混凝土在施工過程中質量控制不穩(wěn)會導致材料結構不均勻，從而導致混凝土的氯離子擴散系數(shù)波動。若某處襯砌混凝土氯離子擴散系數(shù)最大，則該點將可能成為隧道的薄弱點。膠州灣海底隧道在不同施工里程對現(xiàn)場將要澆注的襯砌混凝土成型 50 mm×100 mm(高×直徑)的扁圓柱體標準養(yǎng)護28 d，采用RCM法測試其氯離子擴散系數(shù)，左、右線已施工襯砌混凝土氯離子擴散系數(shù)如圖4所示。

由圖4可知：膠州灣海底隧道右線主洞YK8+740～YK8+515 km以及服務洞FK6+100～FK6+62.5 km襯砌混凝土的氯離子擴散系數(shù)平均值為 2.1×10-12m2/s；左線主洞 ZK8+810～ZK8+640 km 施工里程的氯離子擴散系數(shù)平均值為 2.7×10-12m2/s，均低于設計要求4×10-12m2/s，這將能有效保證隧道混凝土在氯鹽腐蝕下的服役壽命。

圖3 膠州灣海底隧道襯砌混凝土強度波動Fig.3 Varied compressive strength of lining concrete in Jiaozhou Bay Subsea Tunnel

圖4 海底隧道左、右線襯砌混凝土氯離子擴散系數(shù)Fig.4 Chloride diffusion coefficient of constructed lining concrete in Jiaozhou Bay Subsea Tunnel

2.4 襯砌混凝土抗?jié)B透性

海底隧道最大水壓力為0.7 MPa，故襯砌混凝土應具有自防水功能，設計時要求其抗?jié)B透性大于S12。海底隧道左、右線襯砌混凝土的抗?jié)B透性能統(tǒng)計結果如表2所示。

由表2可知：膠州灣海底隧道襯砌混凝土具有優(yōu)良的抗?jié)B透性能，即使對襯砌混凝土采用現(xiàn)場養(yǎng)護方式，其抗?jié)B等級依然滿足S12的設計要求。

2.5 襯砌混凝土保護層波動情況

襯砌混凝土的服役壽命與其保護層厚度呈線性關系[9]，保護層厚度偏差直接決定了混凝土的施工質量和服役壽命。采用瑞士生產的鋼筋定位儀(型號為Profometer5)檢測海底隧道襯砌混凝土中縱向鋼筋和橫向鋼筋的位置，并記錄襯砌混凝土保護層厚度。將測試的保護層厚度減去設計保護層厚度(60 mm)，得到襯砌混凝土保護層偏差。膠州灣海底隧道 1 m和2 m高程襯砌混凝土保護層厚度偏差測試結果如圖5所示。

由圖5可知：海底隧道左、右線襯砌混凝土保護層偏差為-6～15 mm和-4～15 mm，滿足耐久性設計計算時考慮保護層最大負偏差10 mm的要求，有助于提高海底襯砌混凝土的服役壽命。

2.6 海底隧道混凝土芯樣強度

為得到襯砌混凝土實體的強度及氯離子擴散系數(shù)，對海底隧道襯砌混凝土現(xiàn)場取芯。襯砌混凝土芯樣表觀形貌良好，混凝土結構致密，少見空洞、大氣泡等現(xiàn)象，這表明襯砌混凝土結構體致密，澆注效果良好。對芯樣混凝土測試其強度，其結果如圖6所示。

圖5 海底隧道襯砌混凝土保護層偏差Fig.5 Cover thickness varied of lining concrete in jiaozhou bay subsea tunnel

圖6 芯樣抗壓強度Fig.6 Compressive strength of drilled lining concrete core sample

圖7 混凝土芯樣氯離子擴散系數(shù)Fig.7 Chloride diffusion coefficients of drilled lining concrete core sample

對各芯樣測試其氯離子擴散系數(shù)，其結果如圖 7所示。圖6和圖7中：A1和A2分別為右線左邊墻1號和2號芯樣；B1，B2和B3分別為右線右邊墻1～3號芯樣；C1和C2分別為左線左邊墻1號和2號芯樣。

由圖6可知：海底隧道左、右線襯砌混凝土鉆芯樣強度均達到50 MPa，滿足設計要求。由圖7可知：膠州灣海底隧道左、右線襯砌混凝土芯樣氯離子擴散系數(shù)均值分別為3.39×10-12m2/s 和1.6×10-12m2/s，滿足設計要求。

2.7 海底隧道襯砌檢測

對膠州灣海底隧道第 4合同段的 YK8+850～YK7+640 km 和第 3合同段的 ZK8+814.3～ZK7+806 km間襯砌混凝土質量采用地質雷達進行檢測，檢測時沿隧道縱向的左、右邊墻，左、右拱腰以及拱頂布設5條測線[16]，二襯厚度偏差如圖8所示。

圖8 隧道二襯混凝土厚度偏差Fig.8 Varied thickness of lining concrete in subsea tunnel

由圖8可知：膠州灣海底隧道澆注二襯混凝土厚度偏差為1.0～3.5 cm，均超過設計值，滿足設計要求，這有效地保證了襯砌混凝土的密實度。檢測結果表明：在已施工里程范圍內，二襯與初襯之間未發(fā)現(xiàn)脫空異常區(qū)，僅在左線隧道的ZK8+722 km右邊墻等4個點和右線隧道的YK8+745 km拱頂?shù)?個點出現(xiàn)混凝土膠結較差，異常率小于2%。

3 結論

(1) 海底隧道標準養(yǎng)護和現(xiàn)場養(yǎng)護襯砌混凝土3 d強度大于30 MPa，28 d強度大于60 MPa；與標準養(yǎng)護相比，現(xiàn)場養(yǎng)護襯砌混凝土 28 d抗壓強度降低6%～7%。

(2) 海底隧道左、右線已施工襯砌混凝土回彈強度分別為58～75 MPa和53～66 MPa，滿足設計強度要求。襯砌混凝土在洞口處強度比其他部位的略低，建議對襯砌隧道洞口段進行防水處理。

(3) 海底隧道左、右線襯砌混凝土氯離子擴散系數(shù)均值分別為2.1×10-12m2/s和2.7×10-12m2/s，低于設計要求；左、右線襯砌混凝土抗?jié)B等級滿足設計要求的 S12；左、右線襯砌混凝土保護層偏差分別為-6～15 mm 和-4～15 mm。

(4) 襯砌混凝土芯樣表觀形貌良好，結構致密，芯樣抗壓強度大于50 MPa，海底隧道左、右線氯離子擴散系數(shù)均值分別為 3.39×10-12m2/s和 1.60×10-12m2/s，滿足設計要求。襯砌混凝土厚度符合設計要求，二襯與初襯間無脫空異常區(qū)，混凝土膠結異常率小于2%。

致謝：膠州灣海底隧道施工單位中鐵隧道局和中鐵十八局為本文提供了襯砌混凝土調查數(shù)據(jù)及地質雷達測試數(shù)據(jù)，并對本試驗提供了幫助，在此表示感謝！

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