影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性因素綜述

熊 波

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074）

影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性因素綜述

熊 波

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074）

隧道襯砌混凝土的耐久性對(duì)隧道的健康運(yùn)營(yíng)具有重要的意義。隧道襯砌結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)劣化，將會(huì)引發(fā)一系列質(zhì)量問(wèn)題，造成大量的財(cái)力物力損失，嚴(yán)重情況下，甚至于引發(fā)安全問(wèn)題，造成人員傷亡。因此隧道襯砌耐久性問(wèn)題是不容忽視的。本文就交通隧道的特殊性，從環(huán)境、材料、施工等方面，多方面對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性劣化的原因機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)分析。

隧道；混凝土襯砌結(jié)構(gòu)；耐久性

前言

如今，混凝土作為世界上用量最大的工程建筑材料，幾乎任何一個(gè)工程建設(shè)項(xiàng)目都離不開混凝土。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為了應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式，隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的不斷成熟，混凝土結(jié)構(gòu)的數(shù)目也在不斷增加，因此對(duì)混凝土質(zhì)量要求也越來(lái)越高，混凝土的耐久性問(wèn)題也變得尤為重要[1-3]。我國(guó)作為最大的發(fā)展中國(guó)家，正從事著為世界所矚目的大規(guī)模基礎(chǔ)建設(shè)，而隧道建設(shè)事業(yè)，正是其中蓬勃發(fā)展的一個(gè)方面，近年來(lái)我國(guó)隧道建設(shè)的數(shù)目不斷增多，規(guī)模不斷擴(kuò)大。而混凝土作為隧道主要的建筑材料，其耐久性問(wèn)題是隧道建設(shè)必須重視的。而影響混凝土耐久性的因素大體可分為三類：環(huán)境因素、材料因素、人為因素。

一、影響混凝土耐久性的環(huán)境因素

一般來(lái)說(shuō)，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞都是從混凝土或者鋼筋的材料劣化開始，而環(huán)境因素與材料本身都會(huì)引起材料的劣化[4、5]。隧道修建于地質(zhì)條件復(fù)雜多變的地下空間，隧道襯砌混凝土接觸的環(huán)境非常特殊，它既要受內(nèi)部大氣環(huán)境的影響，又受隧道外部地層所含侵蝕性離子的侵蝕。在這樣的嚴(yán)酷環(huán)境下，各種有害因素的綜合作用，容易造成隧道結(jié)構(gòu)材質(zhì)劣化，使得隧道的使用功能和使用壽命的大大衰減，給結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)很大的隱患[6]?；诮Y(jié)構(gòu)所處環(huán)境的復(fù)雜，影響隧道混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性的環(huán)境因素有如下幾個(gè)方面：

1、酸性氣體引起的混凝土的中性化

混凝土的中性化就是混凝土構(gòu)件周圍環(huán)境里的酸性氣體或者液體侵入混凝土中，與水泥中的堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使得混凝土中的pH值下降的過(guò)程。二氧化碳作為一種大氣中常見的酸性氣體，使得所有與空氣接觸的混凝土表面都處在中性化過(guò)程中。這種中性化被稱為混凝土的碳化，混凝土的碳化會(huì)加劇混凝土的收縮，一定程度上導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫和結(jié)構(gòu)破壞，這為侵蝕性離子的侵入，提供了通道。而碳化對(duì)耐久性造成不利影響的實(shí)質(zhì)，就是由于混凝土堿性降低導(dǎo)致在高堿環(huán)境下鋼筋表面形成的致密氧化膜和鈍化膜遭到破壞，鋼筋失去了混凝土的保護(hù)作用，最終發(fā)生銹蝕。

隧道作為一個(gè)狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，這對(duì)空氣的流動(dòng)是十分不利的，而且隧道內(nèi)通行車輛的尾氣排放，使得隧道里面的CO2、SO2等酸性氣體的含量大量累積，這些氣體濃度越高越容易使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生碳化或者類似碳化的作用。

2、水文環(huán)境的作用

（1）凍融循環(huán)的影響

混凝土受凍融循環(huán)是影響混凝土耐久性的一個(gè)重要原因,混凝土凍融剝蝕和開裂也是我國(guó)北方地區(qū)隧道的常見病害。水的物理狀態(tài)的改變是形成凍融現(xiàn)象的根本原因。

其破壞機(jī)理即為混凝土微孔隙中的水,在溫度正負(fù)交錯(cuò)作用下,形成凍脹壓力和滲透壓力聯(lián)合作用的疲勞應(yīng)力[7]。在疲勞應(yīng)力作用下,混凝土表層產(chǎn)生剝蝕現(xiàn)象,并逐漸向深處發(fā)展,如果混凝土襯砌背后地下水儲(chǔ)存豐富,隨著凍脹力的增加,混凝土可能直接發(fā)生開裂破壞，從而影響隧道建筑物的安全。

（2）混凝土堿集料反應(yīng)

堿集料反應(yīng)指混凝土集料中的某些活性礦物與混凝土微孔中的堿溶液所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。堿主要來(lái)自水泥熟料、外加劑，集料中活性材料主要是 SiO2和硅酸鹽、碳酸鹽等。這種反應(yīng)只能發(fā)生在濕潤(rùn)環(huán)境下，它會(huì)引起明顯的混凝土體積膨脹和開裂，改變混凝土的微結(jié)構(gòu)，使得混凝土的各力學(xué)性能明顯下降，嚴(yán)重影響其使用。

3、溫度環(huán)境的影響

溫度的影響，主要是考慮到氣溫的變化，會(huì)改變分子的無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。又因?yàn)樗淼谰哂幸欢ǖ姆忾]性，其內(nèi)部沒(méi)有很大的溫差，而汽車排放的 CO2氣體和熱量堆積，它的溫度和濕度會(huì)比外界一般的大氣環(huán)境高，這樣會(huì)加速襯砌混凝土耐久性的損傷。

二、影響混凝土耐久性的材料因素

1、塑性收縮引起的混凝土劣化

混凝土澆筑后,在重力的作用下,粗骨料等比重大的顆粒緩慢沉降密實(shí),水、氣泡等比重小的組分浮至混凝土面層,出現(xiàn)分層現(xiàn)象。混凝土因沉降豎向體積縮小，并且當(dāng)坍落度越大,保水性越差,凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)及混凝土越厚時(shí),沉降收縮量越大,在下沉過(guò)程中若受到鋼筋阻擋,便形成沿鋼筋方向的裂縫。

2、干縮

混凝土在硬化過(guò)程中水分逐漸蒸發(fā)散失,使水泥石中的凝結(jié)膠體干燥收縮產(chǎn)生變形,由于受到圍巖和模板的約束,變形產(chǎn)生應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),就會(huì)出現(xiàn)干縮裂縫。干縮裂縫多為表面性裂縫,走向沒(méi)有固定規(guī)律。

3、水化熱的影響

大體積混凝土由于水泥在水化過(guò)程中產(chǎn)生的大量水化熱得不到散發(fā)。導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度升高，當(dāng)混凝土塊體內(nèi)部的溫度與外部環(huán)境溫度相差很大，以致所形成的溫度應(yīng)力或溫度變形超過(guò)混凝土當(dāng)時(shí)的抗拉強(qiáng)度或極限拉伸值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫，此種裂縫的出現(xiàn)會(huì)引起鋼筋的銹蝕。

三、影響混凝土耐久性的人為因素

影響混凝土耐久性的人為因素，主要是施工方面的影響，隧道工程施工質(zhì)量直接影響混凝土的耐久性。施工時(shí)，混凝土密實(shí)性沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，施工質(zhì)量差，混凝土有麻面、蜂窩、裂紋等缺陷，給腐蝕溶液提供了侵蝕通道，導(dǎo)致混凝土劣化，降低耐久性。

1、對(duì)原材料選取、控制不嚴(yán)

隧道襯砌混凝土膠凝材料以普通硅酸鹽水泥為主，材料成分單一，級(jí)配差且品質(zhì)不高，混凝土密實(shí)度和耐久性能差。膠凝材料是混凝土最主要的材料，膠凝材料的顆粒微觀級(jí)配不好，混凝土孔隙率大，其密實(shí)性就差，影響混凝土的耐久性。

2、混凝土澆筑和振搗

隧道襯砌混凝土在灌注時(shí)，往往由于操作不當(dāng)造成襯砌混凝土灌注、振搗不密實(shí)，特別是拱頂混凝土的灌注工藝不易控制，表面易產(chǎn)生蜂窩麻面，混凝土局部有空洞，這些問(wèn)題對(duì)混凝土的影響是致命的，當(dāng)混凝土質(zhì)量不過(guò)關(guān)時(shí)，根本無(wú)法抵御環(huán)境對(duì)它的侵蝕作用，其設(shè)計(jì)使用年限也達(dá)不到要求。

3、二襯拆模時(shí)間

二次襯砌拆模時(shí)間過(guò)早，造成二襯強(qiáng)度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)法保障二次襯砌結(jié)構(gòu)密實(shí)。并且拆模太早，一旦初支變形尚未完全收斂，則會(huì)造成襯砌混凝土過(guò)早受力，混凝土沒(méi)有硬化而被損傷，使襯砌過(guò)早開裂，嚴(yán)重影響其耐久性。

4、隧道防水與通風(fēng)措施差

對(duì)隧道混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，影響其耐久性環(huán)境可歸結(jié)為兩種，一個(gè)是大氣環(huán)境，一個(gè)是地下水環(huán)境，而水環(huán)境又對(duì)其他因素產(chǎn)生促進(jìn)影響，一旦隧道防水措施沒(méi)有做好，地下水滲透到隧道內(nèi)，不僅影響營(yíng)運(yùn)安全，還會(huì)誘發(fā)別的有害作用，比如水中的硫酸根離子氯離子對(duì)混凝土的侵蝕，亦或是在高寒地區(qū)發(fā)生凍害作用，這都會(huì)影響隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

基于隧道內(nèi)部的大氣環(huán)境，隧道通風(fēng)就有其必要性，尤其是對(duì)大長(zhǎng)隧道，通風(fēng)的作用不僅僅只是保障一個(gè)良好的行車環(huán)境，通過(guò)將隧道內(nèi)的酸性氣體排出去，還可以有效地降低混凝土的碳化或者類碳化過(guò)程。延長(zhǎng)混凝土碳化到鋼筋位置的時(shí)間。

5、養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)嚴(yán)重缺失

在我國(guó)大多數(shù)山嶺隧道中，襯砌結(jié)構(gòu)均沒(méi)有進(jìn)行特別的養(yǎng)護(hù)，一般采用同條件養(yǎng)護(hù)方法。而長(zhǎng)大隧道洞口段和洞內(nèi)溫濕度變化較大，短隧道受外界環(huán)境溫濕度影響較大，同一養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)很難滿足所有區(qū)段的養(yǎng)護(hù)，故隧道結(jié)構(gòu)混凝土的質(zhì)量得不到保證。因此，隧道修建時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)不同程度地出現(xiàn)初裂，強(qiáng)度得不到保證，隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題突出。

結(jié)語(yǔ)

隧道工程的耐久性問(wèn)題,既受到外界環(huán)境的影響,又由混凝土本身的特點(diǎn)決定,因此，影響混凝土耐久性的因素是多方面的,其中涉及到材料、配合比設(shè)計(jì)、施工工藝和養(yǎng)護(hù)維修。不過(guò)在實(shí)施過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)各環(huán)節(jié)的控制,嚴(yán)格把關(guān),最終還是可以達(dá)到耐久性的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。最后，對(duì)于隧道混凝土耐久性問(wèn)題，這一問(wèn)題不僅僅只是隧道襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性，還包括隧道路面結(jié)構(gòu)，隧道防水管道，電纜設(shè)備管道等多方面的耐久性問(wèn)題，這些也是需要重視的方面。

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TU528

A

1007-6344（2016）07-0044-02

熊波（1991—），男，湖南益陽(yáng)人，重慶交通大學(xué)碩士研究生。