跨海隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計

杜寶義

（中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司 天津 300133）

跨海隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計

杜寶義

（中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司 天津 300133）

跨海隧道的地下水成分一般均與海水相似，隧道處于嚴(yán)苛的氯化物腐蝕環(huán)境，相對于常規(guī)隧道對襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性要求較高。本文通過調(diào)研、對比國內(nèi)外跨海隧道工程的耐久性設(shè)計實例，總結(jié)了氯鹽環(huán)境下的隧道結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法，對類似工程具有一定的參考價值。

跨海隧道；氯鹽環(huán)境；耐久性；襯砌結(jié)構(gòu)

0 序言

混凝土結(jié)構(gòu)在正常使用的過程，受內(nèi)部作用、外部作用、人為因素和自然因素的交叉影響，隨著使用年份的增加，結(jié)構(gòu)完整性逐漸發(fā)生破壞，這必然會影響到結(jié)構(gòu)的使用壽命和結(jié)構(gòu)的安全性。而跨海隧道由于其環(huán)境的特殊性與工程的重要性，其耐久性設(shè)計更是決定工程使用安全與使用壽命的控制性因素。一方面，海水中的氯離子滲透到混凝土中，會加速混凝土的溶解侵蝕和凍融破壞，并促進鋼筋的電化學(xué)腐蝕，另一方面，鋼筋的銹蝕會進一步促進混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞性巨大。鑒于此，對跨海隧道的結(jié)構(gòu)耐久性進行分析研究是十分必要的。

1 過海隧道環(huán)境類別劃分

目前國內(nèi)關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面設(shè)計和施工所依據(jù)的規(guī)范主要有：建設(shè)部頒發(fā)的《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50476-2008）、原鐵道部頒發(fā)的《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》（TB10005-2010）、交通部頒發(fā)的《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（JTG/T B07-01-2006）等。它們對混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別劃分的主要依據(jù)是工程所在地的地理作用環(huán)境、水域或土中的主要腐蝕性化學(xué)成分如Cl-、SO2-4、Mg2+、侵蝕CO2含量和pH值等以及運營階段的隧道環(huán)境條件。

由于海底隧道地下水同上部海水往往存在聯(lián)系，故其腐蝕環(huán)境一般為氯化物環(huán)境，《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》（TB10005-2010）將其定為Ⅲ類，同時根據(jù)環(huán)境作用程度將其細化為輕微（A）、輕度（B）、中度（C）、嚴(yán)重（D）、非常嚴(yán)重（E）、極端嚴(yán)重（F）等六級。

海洋氯化物環(huán)境的作用等級

國內(nèi)若干正建及已經(jīng)修建完成的跨海隧道環(huán)境等級確定見表2-14。

表2-14 相關(guān)海（江）域工程環(huán)境類別劃分及隧道相關(guān)情況

（JTG/T B07-01-2006）凈高5.0m下約70m青島膠州灣海底隧道（2006～2011）內(nèi)側(cè)III-E外側(cè)III-D《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50476-2008）7.8km凈寬13.5m凈高10.5m海底最深處42m盾構(gòu)法廈門地鐵3號線過海區(qū)間（2016～）III-E《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50476-2008）3.9km外徑6.7m，內(nèi)徑6.0m最深處位于海平面下約69m

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，目前的跨海隧道混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計多依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》（TB10005-2010）及相關(guān)行業(yè)耐久性規(guī)范。過海隧道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一側(cè)接觸海水，一側(cè)接觸空氣，其環(huán)境作用等級一般為Ⅲ-E。青島膠州灣海底隧道考慮到地域年平均氣溫相對較低，隧道外側(cè)長期浸沒在海水中，同空氣隔絕，故將結(jié)構(gòu)外側(cè)環(huán)境降低一級，取為III-D。

2 提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的基本措施

一般隧道及地鐵結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限均要求達到 100年，為保證混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的耐久性，首要的基本措施包擴正確選用混凝土原材料，限制混凝土的最大氯離子含量、最大含堿量、最大水膠比和最低強度等級，并優(yōu)化選擇混凝土的水泥種類、摻和料種類及其摻量，優(yōu)選粗、細骨料；在滿足混凝土抗?jié)B性能條件下，配制滿足耐久性要求的高性能混凝土。

1）原材料要求

氯鹽環(huán)境下，宜采用硫酸鹽水泥和普通硫酸鹽水泥，不宜采用早強水泥及抗硫酸鹽硅酸鹽水泥。同時應(yīng)采用大產(chǎn)量礦物摻合料，摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰、磨細礦渣粉等，用量宜為膠凝材料總量的20%～30%。

細骨料應(yīng)選用級配合理、質(zhì)地堅固、吸水率低、空隙率小的潔凈天然中粗河砂，也可選用專門機組生產(chǎn)的人工砂，不得使用海砂。細骨料細度模數(shù)2.3～3.0，含泥量≤2%。，粗骨料應(yīng)選用粒形良好、質(zhì)地堅固、線脹系數(shù)小的潔凈碎石。最大粒徑宜≤30mm，且不應(yīng)大于鋼筋骨架最小間距的3/4。針片狀含量≤5%，含泥量≤0.5%。

同時根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求嚴(yán)格控制混凝土氯離子含量、水膠比及膠凝材料用量。

2）混凝土強度及構(gòu)造要求

當(dāng)混凝土強度等級提高時，混凝土孔結(jié)構(gòu)較小，密實度提高，碳化速度變慢。另一方面，強度提高后，混凝土孔隙率降低，進而使得混凝土滲透性降低，氯離子擴散系數(shù)減小，降低鋼筋銹蝕率。根據(jù)混凝土所處的環(huán)境類別及作用等級，確定混凝土最低強度等級、裂縫寬度限值和最小保護層厚度如表 所示。

混凝土強度及構(gòu)造要求

1）抗?jié)B等級

混凝土是一種具有一定滲透性的材料，環(huán)境中的有害介質(zhì)很容易通過表層混凝土的孔洞、裂縫進入混凝土內(nèi)部與混凝土中的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞混凝土的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致混凝土建筑整體出現(xiàn)耐久性問題。混凝土抗?jié)B等級根據(jù)上部水頭高度與混凝土結(jié)構(gòu)厚度確定，如表 所示。

混凝土抗?jié)B等級要求

工程埋置深度H（m）設(shè)計抗?jié)B等級H＜10 P6 10≤H＜20 P8 20≤H＜30 P10 H≥30 P12

2）國內(nèi)跨海隧道的混凝土性能指標(biāo)

工程名稱 混凝土強度等級 保護層厚度 抗?jié)B等級廈門翔安海底隧道（2005～2010）C50 / P12青島膠州灣海底隧道（2006～2011）C50 內(nèi)側(cè)60mm外側(cè)50mm S12廈門地鐵3號線過海區(qū)間（2016～）C50 60 P12

工程名稱 水泥材料 電通量 氯離子擴散系數(shù)㎡/s最大水膠比膠凝材料用量廈門翔安海底隧道（2005～2010）P·O42.5 P·II42.5＜800c（56d）＜2×10-12（90d）0.36 360青島膠州灣海底隧道（2006～2011）P·O52.5 / ＜4×10-12（28d）0.34 360廈門地鐵3號線過海區(qū)間（2016～）P.I52.5 P.II52.5＜1000c（56d）＜2×10-12（90d）0.36 360

3 提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的附加措施

（1）常用防腐蝕附加措施

在提高混凝土本身的自防腐蝕性能的基礎(chǔ)上，工程中大多數(shù)還要采取一些附加的防腐措施，常用的手段有：

1）混凝土表面涂層

涂層應(yīng)具有良好的耐堿性、附著性和耐蝕性；底層涂料尚應(yīng)具有良好的滲透能力；表層涂料尚應(yīng)具有抗老化性；

2）環(huán)氧涂層鋼筋；

采用環(huán)氧涂層鋼筋的混凝土，應(yīng)為耐久性混凝土，可同時摻加鋼筋阻銹劑。

3）鋼筋阻銹劑；

阻銹劑可與高性能混凝土、環(huán)氧涂層鋼筋、混凝土表面涂層等聯(lián)合使用，并具有疊加保護效果。

4）聚丙烯纖維；

海洋環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)保護層較厚，在養(yǎng)護及使用過程中易發(fā)生開裂。添加聚丙烯纖維可有效控制裂縫發(fā)展，其摻量一般介于0.6～1.5kg/m3。過高的摻量會增加混凝土拌合難度，同時纖維易打球，影響混凝土澆筑質(zhì)量。

（2）工程實例分析

對國內(nèi)外江底、海底隧道進行了對比分析，梳理已建工程在特定環(huán)境下的防腐措施。

工程名稱 相關(guān)參數(shù) 施工部位 防腐措施膠州灣隧道混凝土強度等級為C50，水膠比為0.32～0.33。背土側(cè)環(huán)境類別為III-E，迎土側(cè)環(huán)境類別為III-D。暗挖段（1）對外側(cè)圍巖進行了注漿堵水加固。（2）采用了國內(nèi)最高性能的C35高性能噴射混凝土和鋼格柵，加上國內(nèi)首次采用的多重防腐錨桿。（3）鋪設(shè)一層土工布和防水板，最后是一層防火涂料。丹麥斯托貝爾特跨海鐵路隧道埋深海平面以下75m，內(nèi)徑7.7m，外徑8.8m。（1）對預(yù)制鋼筋骨架浸以環(huán)氧，形成環(huán)氧涂層。（2）在管片中布置了振弦式應(yīng)變傳感器和振弦式孔隙水壓計測試腐蝕情況傳感器。南京長江隧道管件外徑14.5m，內(nèi)徑13.3m，與最高水位埋深約60m?；炷翞镃60低水化熱PI或PII型混凝土。環(huán)境等級V-D。混凝土表面涂層防護。上海打浦路隧道管片外徑10m，內(nèi)徑8.8，最大埋深34m。（1）整個上風(fēng)道內(nèi)表面涂刷聚合物水泥涂料，兼有防水、耐久及外觀改造。（2）管片內(nèi)壁安裝腐蝕速率探測器，長期監(jiān)測螺栓銹蝕，并以靜態(tài)電阻應(yīng)變儀監(jiān)測拉桿受力狀態(tài)松弛過程。美國波士頓地鐵雙孔沉管隧道建于1896年，美國首條沉管隧道。2.5mm厚的PCS-335灰色芳香族聚脲涂層，再施加75mm厚的水泥砂漿保護層獅子洋鐵路隧道盾構(gòu)段長4.6km，內(nèi)徑9.8m，外徑10.18m，最大埋深水面下64m。（1）管片混凝土外表面涂刷多功能混凝土防護劑。（2）管片混凝土中摻加改性聚丙烯纖維（摻量為1.5kg/m3），降低混凝土凝結(jié)過程中的早期收縮裂縫，并有利于結(jié)構(gòu)的耐火性。南京緯三路隧道盾構(gòu)段長約4km，內(nèi)徑13.3m，外徑14.5m。管片混凝土中摻加聚丙烯纖維（摻量為1.5kg/m3），外涂水泥基滲透結(jié)晶防水涂料（1.5kg/m2）。上海長江隧道管片強度等級C60，內(nèi)徑13.7m，外徑15.0m，江中段埋深約30m盾構(gòu)段管片外側(cè)涂刷保護膜做硅烷溶液防水處理。施做焦油氯磺化聚乙烯與焦油酸性環(huán)氧復(fù)合型涂料。對管片施做絕緣保護以防電化作用而銹蝕鋼筋

對于附加防腐措施的選擇以及是否采用，要依據(jù)實際工程需求，工程造價，耐腐蝕性能優(yōu)劣等因素綜合考慮。例如廈門翔安海底隧道和南京玄武湖隧道就只是單方面注重混凝土結(jié)構(gòu)本身的耐腐蝕性能，并沒有在表層施加附加的防腐措施。而丹麥海峽隧道則對鋼筋進行了環(huán)氧處理并布置了腐蝕情況監(jiān)測傳感器。膠州灣隧道則是對支護錨桿進行了塑料套管和注漿隔離的雙重技術(shù)，加強支護結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性?？傮w來說，由于表面涂層具有成本低，施工便利等特點，實際工程中混凝土的附加防腐蝕措施基本偏向于表面涂層的方式。

4 結(jié)論及建議

（1）跨海隧道外側(cè)與海水接觸，內(nèi)部與高濕度的鹽霧接觸，使用環(huán)境相對一般隧道更為惡劣，目前國內(nèi)跨海隧道通常按照Ⅲ-E氯鹽環(huán)境選取設(shè)計參數(shù)，其外側(cè)環(huán)境作用等級也可根據(jù)情況降低一級。

（2）跨海隧道的耐久性設(shè)計應(yīng)從兩方面著手，一方面，混凝土的強度、保護層、原材料應(yīng)滿足相關(guān)環(huán)境等級要求，另一方面，可根據(jù)工程具體情況，配合使用混凝土涂層、鋼筋涂層、外加劑等輔助手段。

TU7

B

1007-6344（2017）02-0111-02