大橫琴山隧道工程混凝土耐久性質量控制研究*

周 健，肖時輝，彭巨情，李 鵬，張 碩

1.中鐵十六局集團有限公司，北京 100018

2.珠海大橫琴股份有限公司，廣東 珠海 519000

3.廣州市建筑科學研究院有限公司，廣東 廣州 510440

4.華南理工大學，廣東 廣州 510641

我國陸路水路航空基礎設施建設如火如荼，其中隧道總數(shù)和總長度增長迅猛。截至2018 年底，中國正在運營的鐵路隧道共計15117 座，總長16331km[1]，公路隧道共計17738 處，總長17236km[2]，隧道的建設投入仍在不斷增大。隧道工程主要以鋼筋混凝土結構為主，一般陸上隧道處于圍巖的覆蓋之下，水底隧道則處于江河湖海水底表面或水底地層之下，建設隱蔽性強，易受各種劣化因素的影響[3]。

1 工程概況

大橫琴山隧道工程（一期）地處珠海市橫琴新區(qū)，是橫琴新區(qū)路網骨架三條快速路和“兩橫、一縱、一環(huán)”的主干道中“一縱”中心大道的南延伸段。路線北起香江路與中心大道交叉口，路線沿中心大道向南，隧道下穿已建橫琴大道，下穿待建珠機城軌二期工程，上跨已建長隆隧道，一期終點位于規(guī)劃環(huán)島南路北側，路線全長約5.81km。

2 工程主要環(huán)境特點

工程結構的長期服役性能與其所處的自然環(huán)境密切相關，決定了應重點控制的耐久性指標種類。

工程位于亞熱帶海洋性季風氣候帶，年降水量大，補給面積廣，地下水含量豐富。地下水可沿基巖裂隙和覆蓋層孔隙到達隧道結構處。同時，根據(jù)勘察報告中的水質評價，地下水對隧道的混凝土和鋼筋材料具有微至中腐蝕性，這對隧道結構健康服役會產生不利影響。

項目所處場地斷裂構造極其發(fā)育，由于節(jié)理密集，巖體破碎，透水性強，通過大氣降水滲入補給，形成地下水富集區(qū)。又因常年雨水充沛，地下水位較高，因此隧道混凝土結構除了面對地下水的腐蝕作用，還受到一定水壓力的影響。另外，在隧道明挖段和進出口段，水位變化因氣候、季節(jié)而異，與場地外側海水水力聯(lián)系密切，互呈補排關系，且受潮水影響較大，水位不穩(wěn)定，因此混凝土結構會面臨頻繁的干濕交替作用。綜上所述，需要重視腐蝕性地下水與水壓或干濕循環(huán)的共同作用對隧道混凝土耐久性造成的影響。

3 耐久性指標測控

3.1 混凝土原材料耐久性指標測控

混凝土原材料中的侵蝕性組分是影響混凝土耐久性的主要因素，在混凝土設計配合比已經確定的前提下，保證隧道混凝土的耐久性質量應首先從源頭上控制各原材料中的有害成分含量。

氯離子是誘發(fā)混凝土中鋼筋銹蝕的因素之一，應對各類原材料的氯離子含量進行嚴格控制。根據(jù)《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）的要求，水泥中的氯離子含量不應大于0.06%；根據(jù)《砂漿和混凝土用硅灰》（GB/T 27690—2011）和《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》（GB/T 18046—2017），硅灰和礦渣粉的氯離子含量限值分別為0.1%和0.06%；根據(jù)《鐵路混凝土結構耐久性設計規(guī)范》（TB 10005—2010），粉煤灰的氯離子含量限值為0.02%；對于鋼筋混凝土和預應力混凝土用砂，根據(jù)《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》（JGJ 52—2006）規(guī)定，砂的氯離子含量分別不應大于0.06%和0.02%；對于鋼筋混凝土和預應力混凝土拌和用水，根據(jù)《混凝土用水標準》（JGJ 63—2006），拌和用水的氯離子含量對應分別不超過500mg/L 和350mg/L。原材料氯離子含量的控制結果最終體現(xiàn)在混凝土拌和物氯離子含量上。混凝土拌和物氯離子含量應達到《混凝土質量控制標準》（GB 50164—2011）對潮濕且含有氯離子環(huán)境的要求。

混凝土的內環(huán)境一般呈堿性，堿可與骨料中的活性成分發(fā)生化學反應，嚴重時可導致混凝土的脹裂破壞，因此堿-骨料反應對混凝土耐久性是一種潛在危害。應避免使用具有堿活性的骨料，但當砂、石的來源已確定并經檢驗存在一定堿活性時，應嚴格控制混凝土中的總堿含量，這同樣也需要從原材料入手。《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）要求水泥中的堿含量不應大于0.6%；《砂漿和混凝土用硅灰》（GB/T 27690—2011）規(guī)定硅灰的總堿量限值為1.5%；《混凝土用水標準》（JGJ 63—2006）針對鋼筋混凝土、預應力混凝土和素混凝土的拌和用水的堿含量限值規(guī)定相同，均為1500mg/L。綜上所述，最終應控制混凝土內的堿含量不超過3kg/m3。

3.2 針對外環(huán)境的混凝土耐久性指標控制

大橫琴山隧道所在地地下水含量豐富且含有氯離子、硫酸根離子等侵蝕性離子，并存在高水壓和干濕交替作用，因此應有針對性地對這些環(huán)境下的混凝土耐久性進行考查，有計劃地對工程現(xiàn)場澆筑的混凝土耐久性指標進行測控，耐久性質量控制應貫穿整個施工階段。

混凝土的抗?jié)B性和抗氯離子的侵蝕性一直是隧道工程關注的要點?；炷量?jié)B等級在設計階段便根據(jù)環(huán)境條件和結構重要性進行確定，大橫琴山隧道主體結構的混凝土設計抗?jié)B等級為P8，應在澆筑時預留試塊以備測試，按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）進行室內試驗。混凝土抗氯離子滲透性和鋼筋保護層厚度可以決定隧道結構中鋼筋的銹蝕起始時間?；炷恋目孤入x子滲透性可由兩種耐久性指標表征：混凝土電通量和氯離子遷移系數(shù)。兩項測試均為室內試驗，需要使用工程現(xiàn)場澆筑的試塊進行試驗，試驗方法應符合《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）的要求。大橫琴山隧道在耐久性設計時并未對這兩項指標進行明確要求，但仍可進行相應測試，在已知氯離子擴散性和鋼筋保護層厚度的情況下，可大致推測氯離子在混凝土中的遷移深度并判斷鋼筋是否存在銹蝕風險，從而制訂運營維護計劃。

上述指標均可在標準規(guī)范中找到相應測試方法，然而針對高水壓或干濕交替作用下混凝土侵蝕性離子遷移規(guī)律的測試方法暫未形成統(tǒng)一標準，尚未收錄至規(guī)范中。已有文獻[4,5]揭示了兩種作用對離子遷移速率的促進作用，若不考慮，可能會高估混凝土結構的抗侵蝕性，因此有必要針對具體侵蝕場景設計專用方法開展試驗研究。通過地下水質分析，得到各類侵蝕性離子的濃度，在試驗室中可配制相似溶液用于模擬真實水環(huán)境。大橫琴山隧道部分區(qū)域巖體透水性強，大氣降水充沛時，隧道結構會面臨高水壓作用。大橫琴山海拔約200m，估計極端情況下隧道結構將承載200m 水頭壓力，即2MPa 水壓，可采用專用增壓設備模擬該水頭壓力，考查該環(huán)境下混凝土內侵蝕性離子的遷移規(guī)律；通過對工程所在地的氣溫和降雨數(shù)據(jù)進行收集分析，獲取年干濕循環(huán)數(shù)量和對應的氣溫變化規(guī)律，再通過干濕循環(huán)試驗機模擬該環(huán)境條件，考查干濕交替作用對混凝土耐久性的影響。通過這些試驗，在一定程度上推斷侵蝕性環(huán)境中混凝土的耐久性退化速率，為后期運營維護提供參考。

4 指標控制重點區(qū)域

隧道工程所采用的混凝土配合比在施工過程中雖已基本固定，但商品混凝土質量會隨著原材料批次、生產設備運轉狀態(tài)、澆筑現(xiàn)場溫度和濕度等多種因素的變化而發(fā)生改變，為規(guī)避這種不確定性，對現(xiàn)場澆筑的混凝土進行耐久性指標測控是非常必要的。對所有批次的商品混凝土進行耐久性指標測試會耗費大量人力物力，而有針對性地選擇測控重點區(qū)域既能節(jié)約成本，又能抓住質量控制關鍵。

對于大橫琴山隧道工程，其測控重點可以歸納為三類：一是隧道出入口區(qū)域，該區(qū)域受到頻繁的干濕交替作用，不利于混凝土的長期服役；二是隧道與斷裂破碎帶的交匯處，該區(qū)域更易富集地下水，隧道混凝土結構受到更直接的地下水侵蝕作用，并可能面臨更高水頭壓力作用；三是與其他隧道路線的交匯點，該區(qū)域結構承受的荷載較復雜，復雜荷載與復雜水環(huán)境為結構耐久性帶來更多不確定性，因此必須對該區(qū)域進行重點測控。

5 結束語

隧道工程混凝土結構時常面臨較惡劣的外部環(huán)境，遭遇侵蝕性水環(huán)境的概率遠大于地上建筑。而且隧道作為區(qū)域間聯(lián)系的重要交通紐帶，長期的健康運營服役尤為重要，因此對隧道混凝土進行耐久性指標測控應作為隧道工程建設中的必要組成部分。針對內、外環(huán)境因素，應對施工過程中商品混凝土的各類原材料進行耐久性質量控制，還應針對工程具體環(huán)境制訂專用耐久性研究方案，如此不僅可以有效保證工程壽命，還可為運營期的維護提供參考。