跨海地鐵盾構(gòu)管片混凝土耐久性及壽命預(yù)測(cè)分析

王金龍，劉偉寶，楊 虎，陸采榮

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063; 2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

廈門軌道交通2號(hào)線為廈門市第一條穿越海底的軌道交通線路，線路全長(zhǎng)39.1 km，全線設(shè)車站30座，平均站間距1.6 km，設(shè)計(jì)推薦采用盾構(gòu)法施工。軌道交通2號(hào)線所穿越的廈門西港海域，海岸線較順直。廈門軌道交通2號(hào)線跨海段地質(zhì)情況復(fù)雜多變，基巖面波動(dòng)起伏大，基巖構(gòu)造復(fù)雜，巖土層種類較多，巖土層的埋深、厚度及性能變化較大，且有多條風(fēng)化槽，屬于國(guó)內(nèi)首個(gè)跨海地鐵的實(shí)施案例，工程風(fēng)險(xiǎn)大，其成敗直接關(guān)系到整個(gè)2號(hào)線的成敗，成為2號(hào)線的重點(diǎn)和難點(diǎn)工程。

廈門軌道交通2號(hào)線跨海區(qū)間混凝土耐久性設(shè)計(jì)關(guān)系到百年大計(jì)。依據(jù)初勘階段水質(zhì)分析成果，結(jié)合地鐵盾構(gòu)隧道混凝土工況，按照設(shè)計(jì)使用年限100 年的目標(biāo)，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析并提出初步建議。在此基礎(chǔ)上通過(guò)開(kāi)展混凝土配合比優(yōu)化試驗(yàn)確定了智欣、三航、蕪湖等3種原材料方案的盾構(gòu)管片混凝土配合比，文中采用3種海洋環(huán)境混凝土壽命預(yù)測(cè)模型分別計(jì)算了推薦配合比混凝土的預(yù)測(cè)壽命。

1 環(huán)境類別和作用等級(jí)

綜合《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50476—2019)[1]和《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10005—2010)[2]對(duì)環(huán)境作用等級(jí)的劃分以及地鐵2號(hào)線跨海區(qū)間實(shí)際環(huán)境條件，為了滿足100年的耐久性設(shè)計(jì)要求，對(duì)于一側(cè)接觸海水或含有海水土體，另一側(cè)接觸空氣的海中或海底隧道配筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如盾構(gòu)管片、車站混凝土結(jié)構(gòu))，其環(huán)境作用等級(jí)不宜低于Ⅲ-E。受施工擾動(dòng)引起車站混凝土構(gòu)件接觸海水或含海水土體時(shí)，其環(huán)境作用等級(jí)也不宜低于Ⅲ-E。若結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處環(huán)境的年平均溫度高于20°C時(shí)，還應(yīng)按炎熱地區(qū)考慮，其環(huán)境作用等級(jí)為Ⅲ-F。當(dāng)混凝土構(gòu)件所在位置地下水或受施工擾動(dòng)后的地下水中含有氯離子質(zhì)量濃度在500～5 000 mg/L時(shí)按Ⅲ-D考慮。對(duì)于周邊永久浸沒(méi)于海水或埋于土中的構(gòu)件按Ⅲ-C考慮。

2 常見(jiàn)的混凝土壽命預(yù)測(cè)方法

混凝土的使用壽命預(yù)測(cè)方法主要有對(duì)比預(yù)測(cè)法、經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法、數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)法、加速試驗(yàn)預(yù)測(cè)法以及隨機(jī)預(yù)測(cè)法等[3-9]。

1)對(duì)比預(yù)測(cè)法

該方法的假定條件是：混凝土如果在某一期限內(nèi)是耐久的，則相似環(huán)境下的相似混凝土也將有同樣的壽命。顯然，由于材料、形狀、施工質(zhì)量、荷載和環(huán)境的變異性，每一種混凝土結(jié)構(gòu)往往是獨(dú)一無(wú)二的，不同的氣候條件也會(huì)影響混凝土的使用壽命。所以即便有相似的使用條件，將過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)直接用來(lái)比較不太合理。因此該方法使用甚少。

2)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法

該方法根據(jù)既有工程經(jīng)驗(yàn)和研究基礎(chǔ)，制定一系列保證結(jié)構(gòu)在環(huán)境作用下達(dá)到期望使用年限的技術(shù)措施與要求，一般也叫做定性預(yù)測(cè)法。現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常使用這種方法預(yù)估混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，其基本思路是如果混凝土結(jié)構(gòu)能嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)的要求去實(shí)施，那么結(jié)構(gòu)將會(huì)達(dá)到所需的壽命。當(dāng)結(jié)構(gòu)的壽命要求較低或周圍環(huán)境比較簡(jiǎn)單時(shí)，可以采用這種方法預(yù)測(cè)；但是當(dāng)結(jié)構(gòu)使用壽命要求較高或周圍環(huán)境比較復(fù)雜多變時(shí)，這種預(yù)測(cè)方法會(huì)因缺乏相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)而不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

3)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)法

該方法是根據(jù)結(jié)構(gòu)具體的環(huán)境作用，使用耐久性數(shù)學(xué)模型對(duì)構(gòu)件的材料指標(biāo)或者結(jié)構(gòu)指標(biāo)提出量化的要求，稱為定量預(yù)測(cè)方法。目前采用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)使用壽命是應(yīng)用比較廣泛的一種方法，這種預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度與模型選取是否合理以及材料環(huán)境與模型參數(shù)選取是否準(zhǔn)確有很大關(guān)系。

4)加速試驗(yàn)預(yù)測(cè)法

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行混凝土的耐久性試驗(yàn)大多采用加速試驗(yàn)，例如采用較高腐蝕濃度、較高溫度或濕度加速混凝土的劣化過(guò)程。進(jìn)行加速試驗(yàn)的突破點(diǎn)在于確定室內(nèi)加速系數(shù)，這需要通過(guò)大量的調(diào)查研究和多年的工作積累，從而收集相似環(huán)境下實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露的相關(guān)數(shù)據(jù)。隨著自然暴露試驗(yàn)越來(lái)越多，加速試驗(yàn)預(yù)測(cè)方法有望成為今后預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的重要方法。

5)隨機(jī)預(yù)測(cè)法

上面介紹壽命預(yù)測(cè)方法都屬于確定性的方法，即將結(jié)構(gòu)使用壽命的所有影響因素作為確定的值，由此得到的結(jié)構(gòu)使用壽命也是一個(gè)確定的值。但是在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命預(yù)測(cè)時(shí)，無(wú)論采用哪一種壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)則，由于影響結(jié)構(gòu)使用壽命的因素很多，都不可能是個(gè)定值，而是一個(gè)隨機(jī)變量。如混凝土保護(hù)層厚度往往會(huì)有施工誤差，在工程實(shí)際中是服從正態(tài)分布的隨機(jī)變量，擴(kuò)散系數(shù)也不是一個(gè)定值，因此計(jì)算出的結(jié)構(gòu)使用壽命也應(yīng)該是一個(gè)滿足一定概率分布的隨機(jī)變量，因此采用隨機(jī)變量概率法進(jìn)行混凝土使用壽命預(yù)測(cè)是比較科學(xué)合理的，但相對(duì)來(lái)說(shuō)使用起來(lái)非常復(fù)雜，還需要大量研究積累。

3 廈門軌道交通混凝土壽命預(yù)測(cè)方法

3.1 《海港工程高性能混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》(JTS 257-2—2012)評(píng)定方法

《海港工程高性能混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》(JTS 257-2—2012)評(píng)定方法(簡(jiǎn)稱JTS評(píng)定方法)是主流的壽命預(yù)測(cè)方法之一，給出了明確的極限狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)和每個(gè)階段時(shí)間的計(jì)算公式。方法將海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕劣化進(jìn)程所經(jīng)歷的時(shí)間，分為3個(gè)階段：混凝土中鋼筋開(kāi)始銹蝕階段ti、混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂階段tc、混凝土功能明顯退化階段td，混凝土結(jié)構(gòu)使用年限te是這3個(gè)階段時(shí)間和。即：

te=ti+tc+td

(1)

鋼筋開(kāi)始銹蝕階段所經(jīng)歷的時(shí)間ti按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：c為混凝土保護(hù)層厚度，mm；Dt為混凝土氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)，10-12m2/s；erf為誤差函數(shù)；Ccr為混凝土中鋼筋開(kāi)始發(fā)生銹蝕的臨界氯離子濃度，%；C0為混凝土中的初始氯離子濃度，%；γ為氯離子雙向滲透系數(shù)，角部區(qū)取1.2，非角部區(qū)取1.0；Cs為混凝土表面氯離子濃度，%。

混凝土有效擴(kuò)散系數(shù)Dt按式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Dt為混凝土氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)，10-12m2/s；Dref為快速試驗(yàn)方法測(cè)定的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，10-12m2/s；tref為參考試驗(yàn)時(shí)間，a；t為混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)衰減期，a；n為混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的衰減系數(shù)；U為混凝土氯離子擴(kuò)散過(guò)程的活化能，取35 000 J/mol；R為理想氣體常數(shù)，取8.314 J/(K·mol)；T0為參考溫度，取293 K；T為環(huán)境溫度。

混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂階段所經(jīng)歷的時(shí)間tc按式(4)計(jì)算：

(4)

式中：c為混凝土保護(hù)層厚度，mm；d為鋼筋原始直徑，mm；fuck為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；λ1為保護(hù)層開(kāi)裂前鋼筋平均腐蝕速度，mm/a。

混凝土功能明顯退化階段所經(jīng)歷的時(shí)間td按式(5)計(jì)算：

(5)

式中：td為自保護(hù)層開(kāi)裂到鋼筋截面積減小到原截面積90%所經(jīng)歷的時(shí)間，a；d為鋼筋原始直徑，mm；λ2為保護(hù)層開(kāi)裂后鋼筋平均腐蝕速度，mm/a。

3.2 《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 220：2007)評(píng)定方法

與JTS評(píng)定方法相比，《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 220：2007)評(píng)定方法(簡(jiǎn)稱CECS評(píng)定方法)[10]考慮了氯離子擴(kuò)散的時(shí)間依賴性，鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間ti的預(yù)測(cè)公式見(jiàn)式(6)：

(6)

式中：D0為氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/a；ti為鋼筋開(kāi)始銹蝕的時(shí)間，a；α為氯離子擴(kuò)散系數(shù)時(shí)間依賴系數(shù)，可按α=0.2+0.4(wFA/50+wSG/70)計(jì)算，其中wFA為粉煤灰摻量，%，wSG為礦渣粉摻量，%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))；Mcr為鋼筋銹蝕的臨界氯離子濃度，kg/m3；Ms為混凝土表面氯離子濃度，kg/m3。

3.3 多因素耦合評(píng)定方法(MFC)

多因素耦合評(píng)定方法[11]基于大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)簡(jiǎn)化的理論模型開(kāi)發(fā)出的考慮混凝土材料參數(shù)(水膠比、粉煤灰摻量、氯離子結(jié)合能力、擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間依賴性)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)(擴(kuò)散維數(shù)、保護(hù)層厚度)和環(huán)境參數(shù)(干濕循環(huán)、溫度、凍融等)的多因素耦合壽命預(yù)測(cè)模型。鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間t的預(yù)測(cè)公式見(jiàn)式(7)：

(7)

4 壽命預(yù)測(cè)結(jié)果

4.1 《海港工程高性能混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》(JTS 257-2—2012)預(yù)測(cè)結(jié)果

分別對(duì)采用智欣料、三航料、蕪湖料的混凝土推薦配合比進(jìn)行耐久性預(yù)測(cè)。混凝土推薦配合比如表1所示，通過(guò)試驗(yàn)獲得推薦配合比的初始氯離子含量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和立方體抗壓強(qiáng)度，作為預(yù)測(cè)模型的部分基本參數(shù)取值，如表2所示。

表1 混凝土推薦配合比

表2 推薦配合比的混凝土性能取值

地鐵隧道環(huán)境溫度相對(duì)于外部氣溫更穩(wěn)定，在秋冬季節(jié)，地鐵隧道內(nèi)環(huán)境溫度會(huì)比室外氣溫高。外界大氣溫度與區(qū)間隧道環(huán)境溫度之差，隨著外界大氣溫度的降低而增大，特別是進(jìn)入冬季以后，外界大氣溫度急劇下降，而區(qū)間隧道環(huán)境溫度由于土壤的蓄熱效應(yīng)和列車運(yùn)行等影響，下降幅度并不明顯。廈門市區(qū)年平均氣溫20.9 ℃，因此取環(huán)境溫度T=294 K。

推薦配合比雙摻粉煤灰和礦渣粉，因此取Dref為90 d實(shí)測(cè)值。

ti的計(jì)算依據(jù)式(2)進(jìn)行，各參數(shù)的取值依據(jù)混凝土所處的環(huán)境按相應(yīng)規(guī)定取值和計(jì)算得出。各參數(shù)取值及ti的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 ti計(jì)算參數(shù)取值及結(jié)果

tc的計(jì)算依據(jù)式(4)進(jìn)行，各參數(shù)取值及tc的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 tc計(jì)算參數(shù)取值及結(jié)果

td的計(jì)算依據(jù)式(5)進(jìn)行，各參數(shù)取值及td的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 td計(jì)算參數(shù)取值及結(jié)果

因此，由JTS評(píng)定方法預(yù)測(cè)的各推薦配合比的使用年限te如表6所示。

表6 JTS評(píng)定方法預(yù)測(cè)的各推薦配比使用年限 Tab.6 Predicted service life for recommended mixes by the JTS method 單位：a

由表6可知，推薦配合比使用年限te的預(yù)測(cè)結(jié)果在117～144 a，均大于100 a，能夠滿足使用100 a的要求。

4.2 《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 220：2007)預(yù)測(cè)結(jié)果

由CECS評(píng)定方法預(yù)測(cè)的各推薦配合比的使用年限te如表7所示。由表7可知，推薦配合比使用年限te的預(yù)測(cè)結(jié)果在136～172 a，均大于100 a，能夠滿足使用100 a的要求。

表7 CECS評(píng)定方法預(yù)測(cè)的各推薦配比使用年限 Tab.7 Predicted service life for recommended mixes by the CECS method 單位：a

4.3 多因素耦合(MFC)預(yù)測(cè)結(jié)果

由多因素耦合(MFC)方法預(yù)測(cè)的各推薦配合比的使用年限te如表8所示。由表8可知，推薦配合比使用年限te的預(yù)測(cè)結(jié)果在103～139 a，均大于100 a，能夠滿足使用100 a的要求。

表8 多因素耦合評(píng)定方法預(yù)測(cè)的各推薦配比使用年限 Tab.8 Predicted service life for recommended mixes by multi-factor coupling evaluation method 單位：a

4.4 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

如圖1所示，采用CECS方法預(yù)測(cè)得出的壽命最長(zhǎng)，在136～172 a，采用MFC方法預(yù)測(cè)得出的壽命最短，為103～139 a，3種預(yù)測(cè)模型計(jì)算得出的混凝土壽命均大于100 a。CECS方法計(jì)算得出的ti值比JTS方法計(jì)算出的ti值高17～28 a，這是由于CECS考慮了氯離子擴(kuò)散的時(shí)間依賴性，即考慮了氯離子侵入混凝土結(jié)構(gòu)的能力隨時(shí)間的增長(zhǎng)不斷降低的影響。MFC方法計(jì)算得出的ti值比JTS方法算出的ti值低2～15 a，這是由于MFC模型充分考慮了多因素耦合作用下材料的劣化影響導(dǎo)致性能衰退速度明顯加快，因此計(jì)算得出的鋼筋開(kāi)始銹蝕時(shí)間也會(huì)相應(yīng)縮短。

圖1 三種預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

綜合《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50476—2019)和《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10005—2010)對(duì)環(huán)境作用等級(jí)的劃分以及地鐵2號(hào)線跨海區(qū)間實(shí)際環(huán)境條件，按混凝土中鋼筋開(kāi)始銹蝕階段ti、混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂階段tc、混凝土功能明顯退化階段td三個(gè)階段考慮，分別使用《海港工程高性能混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》(JTS 257-2—2012)、《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 220：2007)、多因素耦合評(píng)價(jià)(MFC)等3種預(yù)測(cè)方法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)使用年限進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果表明，廈門軌道交通地鐵2號(hào)線盾構(gòu)管片混凝土使用年限在103～172 a。推薦配合比使用年限即使按最保守的計(jì)算模型，其計(jì)算結(jié)果仍大于100年，能夠滿足使用100年的要求。