基于全壽命劣化分析的海底盾構(gòu)隧道管片安全保障對策研究

劉四進(jìn)，何川，孫齊，封坤

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

一、前言

隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性是與時間相關(guān)的，是由襯砌結(jié)構(gòu)外界環(huán)境（如水土荷載、地質(zhì)條件、腐蝕類型等）和本身因素（接縫、裂縫、滲漏和孔隙結(jié)構(gòu)等）共同作用下所達(dá)到的使工程結(jié)構(gòu)正常使用的年限。區(qū)別于一般的城市市政隧道和山嶺隧道，海底盾構(gòu)隧道最大的不同在于其長期賦存于高壓力的海水環(huán)境中，在承受高濃度氯離子侵蝕的同時，還長期承受隧道外圍壓力的影響，兩者的耦合促進(jìn)作用使得海底隧道服役環(huán)境更為惡劣，加之盾構(gòu)隧道管片襯砌自帶的接頭薄弱環(huán)節(jié)，對海底盾構(gòu)隧道的耐久性、結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)期安全性能帶來巨大的挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外學(xué)者針對海域環(huán)境中隧道結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行了大量的研究[1～5]，但是，這些研究主要集中于對襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及腐蝕劣化特征的評價方面，并未考慮隧道服役時間因素的影響，難以實(shí)現(xiàn)全壽命周期內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)的定量評價與壽命預(yù)測。鑒于此，筆者以海底盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)——管片接頭為切入點(diǎn)，在分析既有管片接頭侵蝕劣化研究成果的基礎(chǔ)上，引入隧道服役時間因素，建立可實(shí)現(xiàn)海水壓力滲透與氯離子侵蝕的管片接頭全壽命侵蝕劣化分析模型，分析了全壽命周期（100年）內(nèi)海底隧道管片接頭漸進(jìn)式侵蝕劣化的規(guī)律，研究海水壓力與氯離子含量對管片接頭侵蝕劣化的影響，探討了壓力滲透對管片外排鋼筋銹蝕時間的影響，并基于全壽命侵蝕劣化分析，提出保障海底盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)長期安全的最經(jīng)濟(jì)、最合理的對策。

二、典型的管片接頭侵蝕劣化研究

目前，國內(nèi)外學(xué)者對氯離子侵蝕管片接頭的研究較少，工藤泉[6]以東京灣越灣公路盾構(gòu)隧道為背景進(jìn)行了盾構(gòu)隧道接頭耐久性防腐實(shí)驗(yàn)，以探明螺栓表面處理后的耐腐蝕性能。試驗(yàn)中設(shè)置了三種螺栓：①普通螺栓；②普通鋼螺栓施加鋅粉酪酸保護(hù)膜；③普通鋼螺栓施加氟化乙烯樹脂涂層。并對以上三種螺栓進(jìn)行了90天的鹽水噴霧試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)②、③兩種螺栓未發(fā)生材質(zhì)變化、具有耐腐蝕性，根據(jù)試驗(yàn)腐蝕量計(jì)算得到②、③兩種螺栓在不同環(huán)境下的耐腐蝕暴露時間（見表1），相當(dāng)于在重工業(yè)地區(qū)具有30～50年的防腐蝕能力。

楊林德等[7]通過理論分析，在Matlab環(huán)境下編程分析管片開裂和接縫滲漏對管片混凝土內(nèi)氯離子侵蝕運(yùn)移的影響，通過多參數(shù)分析和數(shù)據(jù)擬合得到了鋼筋起銹時間與保護(hù)層厚度、裂縫深度的關(guān)系，得出了管片開裂和接頭滲漏對管片鋼筋銹蝕的加速促進(jìn)作用。

王永東[8]將海底隧道全壽命氯離子侵蝕周期劃分為三個階段：氯離子擴(kuò)散階段、鋼筋銹蝕階段（自由膨脹、膨脹應(yīng)力產(chǎn)生、混凝土開裂）及保護(hù)層開裂階段；進(jìn)一步分析了海底隧道的耐久性，推導(dǎo)得到了海底隧道耐久性壽命預(yù)測模型，并與DuraCrete模型進(jìn)行了比較，所得結(jié)果見表2。結(jié)果顯示：預(yù)測模型結(jié)果與DuraCrete模型相近，為今后海底隧道壽命預(yù)測及可靠度分析提供了參考。

分析上述研究可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有成果均未考慮海底隧道所處環(huán)境中海水壓力滲透作用的影響（見圖1）。海水作為腐蝕離子侵蝕運(yùn)移的載體，使得全壽命周期內(nèi)管片混凝土處于壓力水頭作用下的緩慢滲流狀態(tài)，管片混凝土從外至內(nèi)漸進(jìn)性地從“非飽和狀態(tài)”向“飽和狀態(tài)”演變（時間效應(yīng)）；此外，管片接頭的接縫面處于雙向滲透侵蝕狀態(tài)，為海底隧道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)及優(yōu)先劣化位置，其全壽命周期內(nèi)的侵蝕劣化性能對整個海底盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的長期安全性能評價、維修養(yǎng)護(hù)及長期安全性能影響顯著。為此，筆者擬引入服役時間因素，建立可考慮海水壓力滲透與侵蝕環(huán)境影響的管片接頭全壽命侵蝕劣化分析模型，分析其全壽命劣化性能。

表1 不同環(huán)境下螺栓的耐腐蝕暴露時間

表2 DuraCrete模型與預(yù)測模型的結(jié)果比較

圖1 海底盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境示意圖

三、管片接頭全壽命侵蝕劣化模型

本節(jié)以海底盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)——管片接頭為重點(diǎn)研究對象，采用GeoStudio有限元軟件，建立管片接頭全壽命周期內(nèi)氯離子侵蝕劣化的數(shù)值分析模型，如圖2所示。

數(shù)值分析模型采用“以直代曲”方式，采用直梁管片構(gòu)件模擬，重點(diǎn)分析管片接頭的接縫面位置對兩側(cè)管片A、管片B的氯離子侵蝕及鋼筋銹蝕的影響。計(jì)算分析過程中，首先采用瞬態(tài)滲流的模式，計(jì)算分析不同水壓作用下、全壽命周期內(nèi)管片接頭鄰近區(qū)域的滲流演變規(guī)律；而后采用對流–彌散分析方法，重點(diǎn)分析不同水壓、不同外界離子濃度作用下，全壽命周期內(nèi)管片接頭鄰近區(qū)域的侵蝕劣化規(guī)律。

模型材料采用均勻、連續(xù)、各向同性材料，其中防水橡膠與傳力襯墊均為不透水材料。根據(jù)抗?jié)B等級與滲透指標(biāo)的關(guān)系[9,10]，管片混凝土（抗?jié)B等級為P12）的滲透系數(shù)k及體積含水率w取值分別為1.11456×10–6m/d、0.001，體積壓縮系數(shù)為1.0×10–6kPa，橫向和縱向彌散度均為0.04，氯離子擴(kuò)散系數(shù)取值為4.8×10–12m2/s。

四、管片接頭全壽命侵蝕劣化分析

（一）管片內(nèi)部海水滲透規(guī)律

全壽命周期內(nèi)，管片混凝土從外至內(nèi)漸進(jìn)性地從“非飽和狀態(tài)”向“飽和狀態(tài)”演變，處于緩慢滲流狀態(tài)，計(jì)算得到管片混凝土內(nèi)海水滲透深度隨時間的變化關(guān)系如圖3所示。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著海底隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)服役時間的延長，海水在管片混凝土內(nèi)部的滲透深度不斷增大，且在同等條件下，襯砌斷面所受外水壓越大，海水對管片的滲透侵蝕越嚴(yán)重。

圖2 管片接頭全壽命周期內(nèi)的侵蝕劣化分析模型

圖3 不同水壓力下海水滲透深度隨時間的變化關(guān)系

（二）離子含量變化規(guī)律

根據(jù)盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，接縫面位置處于雙向侵蝕滲透狀態(tài)，其附近位置處的離子含量分布呈現(xiàn)出局部橫、縱向不均勻性，選取不同位置的監(jiān)測點(diǎn)（見圖4）分析管片接頭區(qū)域全壽命周期內(nèi)侵蝕劣化的演變規(guī)律。

1.外水壓對接縫面位置處侵蝕劣化的影響

以鄰近管片接縫面的斷面A為例，當(dāng)管片外表面氯離子含量為0.6%時，管片接頭近端氯離子侵蝕劣化規(guī)律如圖5所示。

由圖5可知，隨著海底隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)服役時間的延長，管片接縫面位置處氯離子含量不斷增大，體現(xiàn)出近管片外表面測點(diǎn)增幅較大的特點(diǎn)，如近外表面A-①、A-②測點(diǎn)的氯離子含量增速和增幅明顯大于靠近管片內(nèi)側(cè)測點(diǎn)A-⑤、A-⑥；分析不同外水壓條件下的侵蝕劣化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，外水壓越大管片內(nèi)同一位置的氯離子含量也越大，如外水壓為0.10 MPa、0.50 MPa時，A-⑤測點(diǎn)的氯離子含量在服役100年時分別為0.05659%、0.3076%。可見，外水壓的增大對管片內(nèi)部氯離子侵蝕有促進(jìn)作用，且越靠近管片外表面，高水壓促進(jìn)作用越明顯。

2.管片接頭近端與遠(yuǎn)端氯離子的分布差異

以0.50 MPa外水壓工況為例，分析得到管片接頭近端、遠(yuǎn)端的離子侵蝕劣化規(guī)律如圖6所示。

從圖5、圖6中可以看出，當(dāng)外水壓一定時，與接縫面距離不同、氯離子含量分布不同。具體表現(xiàn)為距離管片接縫面越近，管片內(nèi)部的氯離子濃度越大，如距接縫面分別為25 mm（圖5（c））、75 mm（圖6（a））和175 mm（圖6（b））的④號位置在服役50年時，氯離子含量分別為0.344%、0.202%和0.126%，管片接頭距接縫面375 mm（圖6（c））位置處各測點(diǎn)氯離子含量分布曲線與175 mm處基本重合，可見越靠近接縫面、氯離子含量越大，體現(xiàn)出氯離子含量分布的橫向不均勻性；與接縫面距離相同的位置線上，如距接縫面A=25 mm的①、②、③、④號位置，在100年時氯離子含量分別為0.59%、0.58%、0.54%和0.46%，氯離子含量分布體現(xiàn)出隨著深度的增大而逐步減小的特點(diǎn)，體現(xiàn)出氯離子含量的縱向不均勻性。

圖4 管片接頭區(qū)域監(jiān)測點(diǎn)示意圖（單位：mm）

圖5 管片接頭近端氯離子含量分布曲線

3. 外界腐蝕離子濃度變化的影響

以0.50 MPa外水壓工況為例，得到不同外界腐蝕離子濃度作用下，管片接縫面位置處（斷面A）的離子侵蝕劣化規(guī)律，如圖7所示。

從圖7可以看出，當(dāng)管片外界的氯離子濃度不同時，全壽命周期內(nèi)管片內(nèi)部的氯離子含量隨著位置的不同而不同，如管片表面氯離子含量為0.5%、0.6%和0.7%時，A-①測點(diǎn)在100年時氯離子含量分別為0.5%、0.6%和0.7%，而A-⑥號測點(diǎn)氯離子含量分別為0.12%、0.14%和0.16%，內(nèi)部氯離子含量變化并不明顯。

可見，提高表面氯離子含量對靠近管片外表面位置處的氯離子含量影響較大，隨著氯離子侵蝕深度的拓展，這種影響逐漸減弱；當(dāng)表面的氯離子含量不同時，氯離子含量變化曲線的趨勢相同，同一位置達(dá)到相同含量所需的時間不同，如管片表面氯離子含量為0.5%、0.6%和0.7%時，A-④測點(diǎn)氯離子含量達(dá)到0.2%所需的時間分別為34年、29年和26年，可見增大管片外表面的氯離子濃度可縮短近外表面位置累積到同一氯離子含量的侵蝕時間。

五、基于全壽命劣化分析的海底盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)安全保障對策

（一）全壽命周期內(nèi)鋼筋的銹蝕和劣化分析

對于鋼筋混凝土海底隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)，其全壽命周期內(nèi)劣化的主要標(biāo)志為管片內(nèi)部鋼筋是否發(fā)生銹蝕。根據(jù)文獻(xiàn)[11,12]，以鋼筋表面氯離子濃度達(dá)到0.4%為鋼筋已發(fā)生銹蝕的判定依據(jù)?；诖?，以氯離子含量0.6%為例，得到管片外排鋼筋不同測點(diǎn)（見圖8）位置處的氯離子含量分布圖如圖9所示。

圖6 管片內(nèi)不同位置處氯離子分布曲線

圖7 外界不同氯離子濃度下管片內(nèi)的氯離子含量分布曲線

分析圖9中鋼筋的銹蝕結(jié)果可知，當(dāng)不考慮水壓作用時，管片外排鋼筋位置處的氯離子含量隨著服役時間的延長而不斷累積，但出現(xiàn)鋼筋銹蝕的測點(diǎn)僅為鄰近管片接縫面的測點(diǎn)①位置處（圖9（a）），可見在不考慮水壓影響下，管片接頭的削弱作用（接縫面處雙向滲透侵蝕狀態(tài)）僅體現(xiàn)在管片接縫面較小的區(qū)域內(nèi)，對距接縫面遠(yuǎn)端的鋼筋影響較小；進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，因管片接頭接縫面處于雙向滲透侵蝕狀態(tài)，管片外排鋼筋順筋方向體現(xiàn)出縱向不均勻銹蝕的特點(diǎn)。當(dāng)管片外側(cè)水壓為0.50 MPa時，測點(diǎn)①、測點(diǎn)⑦位置的鋼筋發(fā)生銹蝕的時間分別為7年、28年，可見，水壓力的增大加速了管片外排鋼筋的銹蝕和劣化?？紤]外水壓的壓力滲透作用后，在無外水壓作用時（圖9（a）），此時僅測點(diǎn)①發(fā)生鋼筋銹蝕，但隨著水壓的增大，如圖9（b）在0.10 MPa水壓作用下，測點(diǎn)①～⑦均發(fā)生銹蝕，測點(diǎn)①、⑦發(fā)生銹蝕的時間分別為8年、72年。而當(dāng)水壓達(dá)到0.50 MPa（圖9（c））時，運(yùn)營28年后所有測點(diǎn)（①～⑦）均發(fā)生銹蝕，起銹時間大大提前。

筆者進(jìn)一步分析不同外水壓、不同鋼筋位置在全壽命周期內(nèi)的侵蝕劣化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，隨著管片外水壓的增大，氯離子的侵蝕速率也越大（曲線陡、斜率大），且在服役100年后達(dá)到的最大氯離子含量的量值也越大，水壓促進(jìn)了腐蝕離子的侵蝕。當(dāng)外水壓較小時或無壓狀態(tài)下，最大氯離子含量處于0.05%～0.6%時，鋼筋不同位置最大氯離子含量差異較大；但隨著外水壓的不斷增大，鋼筋不同位置的氯離子含量差異不斷減小。如在0.50 MPa高水壓下，鋼筋不同位置的最大離子含量處于0.54%～0.6%，不均勻差異較小，可見，外水壓的增大明顯減小了順筋方向的不均勻腐蝕和劣化的差異。

（二）海底盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)安全保障對策

海底盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)中的管片接頭為整體襯砌結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，極易成為高水壓與腐蝕離子侵蝕劣化的首要位置，通過對全壽命周期內(nèi)的侵蝕和劣化分析可以發(fā)現(xiàn)，管片接頭的接縫面對兩側(cè)的削弱影響有限，并未波及整個管片襯砌結(jié)構(gòu)。

圖8 外排鋼筋區(qū)域監(jiān)測點(diǎn)示意圖

圖9 外排鋼筋不同位置處氯離子含量分布曲線

分析圖9可以發(fā)現(xiàn)，全壽命周期內(nèi)管片襯砌結(jié)構(gòu)在高水壓與海水腐蝕環(huán)境作用下發(fā)生漸進(jìn)性侵蝕劣化，遠(yuǎn)離管片接頭接縫面的測點(diǎn)⑥、⑦，其銹蝕劣化過程幾乎同步，外排鋼筋開始銹蝕的時間相同，均處于單向滲透離子侵蝕運(yùn)移狀態(tài)，管片接頭的接縫面對管片襯砌結(jié)構(gòu)的削弱影響可忽略不計(jì)；而測點(diǎn)①～⑤位置在管片接頭局部雙向滲透侵蝕作用下，受到管片接頭接縫面削弱作用的影響，其鋼筋銹蝕時間各不相同，隨著與接縫面距離的減小而不斷減小。根據(jù)測點(diǎn)的位置關(guān)系，可確定管片接頭接縫面削弱影響范圍近似為距管片接頭接縫面距離約等于管片厚度的兩側(cè)范圍內(nèi)，如圖10所示。

因此，為滿足海底盾構(gòu)隧道在全壽命周期內(nèi)的安全服役要求，在管片襯砌薄弱環(huán)節(jié)——管片接頭兩側(cè)約等于管片厚度的范圍內(nèi)，進(jìn)行耐腐蝕設(shè)防設(shè)計(jì)及重點(diǎn)維修養(yǎng)護(hù)，可提高整體隧道襯砌結(jié)構(gòu)的耐侵蝕能力及長期安全性能。此外，根據(jù)鋼筋累積到臨界腐蝕離子濃度的時間與混凝土保護(hù)層厚度正相關(guān)（保護(hù)層厚度（c）越大、氯離子侵蝕時間越長）的關(guān)系，也可采用提高混凝土保護(hù)層厚度實(shí)現(xiàn)延緩鋼筋銹蝕、保障隧道結(jié)構(gòu)安全的目的，如圖11所示。

由于水土荷載、周圍氯離子侵蝕及內(nèi)部運(yùn)營環(huán)境的共同作用，整體管片襯砌結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)的安全承載性能將發(fā)生緩慢地衰退，加之盾構(gòu)管片襯砌結(jié)構(gòu)屬于由管片拼裝而成的多體拼接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)本身自帶管片接頭薄弱環(huán)節(jié)，若對全隧道斷面進(jìn)行整體耐久性防腐設(shè)防及重點(diǎn)維修養(yǎng)護(hù)，將極大地增加隧道修建及維修成本。

根據(jù)上述研究結(jié)果，可在管片接頭局部的有限區(qū)域進(jìn)行最經(jīng)濟(jì)、最合理的設(shè)防（見圖12、圖13），通過提高耐腐蝕設(shè)防范圍內(nèi)混凝土的抗?jié)B等級、在區(qū)域管片外側(cè)或者內(nèi)外兩側(cè)增加表面防腐涂層、適當(dāng)提高混凝土保護(hù)層厚度等方式，可以最經(jīng)濟(jì)、最合理地增加腐蝕離子對危險(xiǎn)區(qū)域的侵蝕難度，延緩鋼筋的銹蝕速度，提高全壽命周期內(nèi)海底高水壓環(huán)境、復(fù)雜離子侵蝕環(huán)境、內(nèi)部運(yùn)營環(huán)境等多環(huán)境耦合作用下的管片襯砌結(jié)構(gòu)安全儲備能力，延緩或減弱多環(huán)境耦合作用對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的不利影響，提高整體管片襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性，為海底盾構(gòu)隧道的管片安全提供有效的技術(shù)保障。

六、結(jié)語

圖10 海底盾構(gòu)隧道管片接頭耐腐蝕設(shè)防范圍示意圖

圖11 海底盾構(gòu)隧道管片鋼筋保護(hù)層厚度（c）示意圖

圖12 海底盾構(gòu)隧道管片接頭安全保障對策示意圖

圖13 海底盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)安全保障對策示意圖

本文以海底盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)——管片接頭為切入點(diǎn)，建立可實(shí)現(xiàn)海水壓力滲透與氯離子侵蝕運(yùn)移的管片接頭全壽命侵蝕劣化分析模型，分析了全壽命周期（100年）內(nèi)海底隧道管片接頭的侵蝕劣化規(guī)律，明確了高水壓與氯離子侵蝕對海底盾構(gòu)隧道侵蝕劣化的不利影響；并基于全壽命周期內(nèi)的侵蝕劣化分析，提出了海底盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)最經(jīng)濟(jì)、最合理的耐腐蝕設(shè)防及維修養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵區(qū)域，采用局部提高設(shè)防范圍內(nèi)混凝土的抗?jié)B等級、在管片外側(cè)或者內(nèi)外兩側(cè)增加表面防腐涂層、適當(dāng)提高混凝土保護(hù)層厚度等方式，可提高全壽命周期內(nèi)多環(huán)境耦合作用下的管片襯砌結(jié)構(gòu)安全儲備能力，減弱多環(huán)境耦合作用對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的不利影響，提高整體管片襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性，可為海底盾構(gòu)隧道管片的長期安全提供有效的技術(shù)保障。

在隧道結(jié)構(gòu)的全壽命周期內(nèi)，與設(shè)計(jì)、施工階段相比，結(jié)構(gòu)在長期服務(wù)運(yùn)營和維修養(yǎng)護(hù)階段具有在役周期長、賦存環(huán)境復(fù)雜、腐蝕劣化累積等特點(diǎn)，長期處于城市富水環(huán)境、近海和海洋環(huán)境中的盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)更易出現(xiàn)病害，對其結(jié)構(gòu)性能的科學(xué)評價與量化尤為重要與緊迫，如何保障盾構(gòu)隧道工程的系統(tǒng)可靠性及長期安全性仍將是我國科技工作者面臨的一大技術(shù)挑戰(zhàn)。

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