探究基于耐久性的地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計要點和措施

嚴若明，武天宇

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300308）

1 引言

地鐵與其他地下建筑以及地面建筑不同，受所處位置、功能要求以及施工工藝等因素影響，地鐵結(jié)構(gòu)在耐久性方面具有特殊要求。地鐵結(jié)構(gòu)通常埋深在十幾米以下，地鐵車站以及隧道內(nèi)部二氧化碳濃度較高，地下水豐富，并含有大量有害離子，這些因素均會對地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。此外，地鐵建成投入運營后，會產(chǎn)生較強的雜散電流，對于地鐵結(jié)構(gòu)的鋼構(gòu)件會產(chǎn)生腐蝕作用，降低地鐵結(jié)構(gòu)強度。考慮到影響地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的因素較為復雜，因此，在設(shè)計中必須把握主體結(jié)構(gòu)及圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計等關(guān)鍵點，從而提高地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性。

2 影響地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的因素分析

2.1 雜散電流

目前，我國地鐵車輛采用的是直流牽引機車，在直流供電系統(tǒng)中，地鐵軌道被用作電流回流軌道，電流由變電站流出，然后經(jīng)過牽引網(wǎng)，最后通過回流軌道流入變電站。而大地與地鐵軌道間無法實現(xiàn)完全絕緣，電流經(jīng)過地鐵軌道流入變電站的過程中會向地鐵結(jié)構(gòu)中的鋼構(gòu)件、道床以及其他金屬部件泄漏，這部分電流稱之為雜散電流或迷流。相關(guān)研究表明，雜散電流對于鋼構(gòu)件、混凝土結(jié)構(gòu)均會產(chǎn)生較強的腐蝕作用，嚴重影響地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.2 混凝土碳化作用

混凝土水化過程中，內(nèi)部的水溶液會逐漸轉(zhuǎn)化為氫氧化鈣飽和溶液，這是一種強堿性溶液，會在混凝土內(nèi)部的鋼筋表面形成一層鈍化膜，對鋼筋起到保護作用。但是混凝土水化過程中受其他因素的影響，會導致混凝土內(nèi)部并不完全密實，還會存在部分空隙、氣泡，這就為二氧化碳進入混凝土內(nèi)部提供了通道。當二氧化碳進入混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，會溶解于孔隙水當中，并生成酸性物質(zhì)，這會導致混凝土pH 值降低，破壞混凝土內(nèi)部鋼筋表面的鈍化膜，進而導致鋼筋被腐蝕，而鋼筋腐蝕則會導致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，影響混凝土結(jié)構(gòu)強度與承載力。

2.3 氯離子侵蝕

氯離子是一種作用較強的去鈍化劑。若鋼筋表面氯離子的濃度過高，超出臨界點，氯離子就會侵入鋼筋表面的鈍化膜，并與鐵離子產(chǎn)生化學反應(yīng)，生成氯與鐵化合物，這會導致鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，從而造成鋼筋腐蝕，破壞混凝土結(jié)構(gòu)。硅酸鹽水泥中僅有少量氯化物，但混凝土外加劑中通常含有較多的氯化物，此外，鹽堿地區(qū)、近海地區(qū)以及需要采用氯鹽除冰地區(qū)，土壤環(huán)境中會存在較多氯離子，受氯離子侵蝕作用，地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性會受到較大影響。

2.4 施工因素

施工因素也可以說是人為因素。由于地鐵結(jié)構(gòu)施工具有一定的特殊性，要先進行圍護施工，后進行主體施工，而且施工環(huán)境均處于地下十幾米，因此，在施工過程中若現(xiàn)場管理不善、操作不當，均可能產(chǎn)生質(zhì)量隱患，進而對地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生影響。比如，因地鐵結(jié)構(gòu)整體性較差引發(fā)的不均勻沉降、防滲處理不當造成的漏水、混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護不當導致溫度應(yīng)力過大等，這些因素均會影響到地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性。但施工因素的影響可以通過構(gòu)建完善的質(zhì)量管理體系、運用先進的施工技術(shù)等手段消除，屬于可控因素。

3 基于耐久性的地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

3.1 控制影響耐久性的因素

上文分析了影響地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的因素，除施工因素需加強施工環(huán)節(jié)質(zhì)量管控外，其他影響因素均需在設(shè)計階段采用相應(yīng)的防控措施，具體如下：（1）對于雜散電流造成的鋼筋腐蝕問題，在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計階段可考慮在回流軌地鐵軌道上增加排流網(wǎng)密度，以防止雜散電流流散。同時，針對回流軌附近的鋼筋或其他金屬部件，可考慮摻入抗腐蝕材料，以抵御雜散電流的影響，增強該部位鋼筋抗腐蝕性能。對于回流軌周圍的混凝土結(jié)構(gòu)，可根據(jù)結(jié)構(gòu)形式以及環(huán)境特征合理設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，并在混凝土結(jié)構(gòu)外側(cè)增設(shè)防腐蝕涂層，進而降低雜散電流的影響[1]。（2）針對混凝土碳化作用的影響，在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，可根據(jù)碳化理論預測碳化作用的影響。當碳化深度達到鋼筋表面也就是混凝土保護層厚度時鋼筋開始腐蝕，相反，若確定了混凝土保護層厚度就可以反推出鋼筋開始腐蝕前的結(jié)構(gòu)壽命，這樣就可以在設(shè)計階段根據(jù)項目設(shè)計標準確定混凝土保護層厚度，從而控制混凝土碳化作用的影響。

3.2 合理選擇材料

在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要滿足耐久性要求，則必須要考慮材料因素，合理選擇材料是確保地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的重要手段。影響地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的主要材料為鋼筋與混凝土，因此，對這兩種材料的選擇極為關(guān)鍵，首先，關(guān)于鋼筋材料的選擇，需要考慮到雜散電流、氯離子侵蝕以及地下水腐蝕等因素，要求鋼筋材料必須具備良好的抗化學腐蝕性能、抗電化學腐蝕性能，從而提高鋼筋材料的耐久性。其次，關(guān)于混凝土材料的選擇，需要重點考慮3 方面的因素：（1）要確保所選擇的混凝土材料在澆筑施工過程中因水化熱所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力在允許范圍，以防止混凝土出現(xiàn)裂縫，影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，同時，要求混凝土材料具備良好的抗?jié)B性能[2]。（2）為減少混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙及氣泡，確?；炷羶?nèi)部結(jié)構(gòu)密實，選擇混凝土材料時要考慮材料的堿活性，確?；炷敛牧暇邆淞己玫男阅?，從而降低混凝土碳化作用的影響，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。（3）由于地鐵運行環(huán)境差異性較大，且土壤中也存在較多的侵蝕物，為此，提高混凝土性能也非常關(guān)鍵，具體可選擇骨料以及減水劑等最大限度地降低混凝土水膠比例。

3.3 優(yōu)化地鐵結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計

在地鐵結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計方面，從耐久性角度考慮，需要在確保設(shè)計效果的基礎(chǔ)上最大限度地優(yōu)化地鐵結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計。具體而言，需要考慮以下幾方面：（1）在地鐵結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計上，要充分確保構(gòu)件的均勻性，盡可能減少棱角，從而有效控制混凝土結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力與收縮應(yīng)力。由于地鐵結(jié)構(gòu)通常為長條形結(jié)構(gòu)，因此，需要合理設(shè)計縱向鋼筋的布設(shè)，同時，要根據(jù)地下環(huán)境以及項目設(shè)計要求合理確定混凝土保護層厚度，從而確?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性。（2）在地鐵結(jié)構(gòu)各部分構(gòu)件設(shè)計上，要確保構(gòu)件形態(tài)的合理性，盡可能地避免構(gòu)件附近出現(xiàn)有害物質(zhì)或地下水聚集，若有必要應(yīng)做好排水設(shè)計。（3）要考慮到當?shù)罔F局部結(jié)構(gòu)被破壞后整體結(jié)構(gòu)的耐久性，尤其是易受到侵蝕的局部結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡可能弱化這部分結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性，從而確保地鐵整體結(jié)構(gòu)的耐久性。

3.4 科學設(shè)計地鐵結(jié)構(gòu)施工方案

科學的地鐵結(jié)構(gòu)施工方案設(shè)計能夠有效控制施工因素對地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的影響，因此，設(shè)計人員要高度重視施工方案設(shè)計。比如，混凝土結(jié)構(gòu)施工方案設(shè)計可以采用分層澆筑的施工方式，以降低混凝土澆筑施工過程中因水化熱所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力[3]，保障混凝土澆筑施工質(zhì)量，防止混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，能夠避免內(nèi)部鋼筋被腐蝕，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。對于裸露在空氣環(huán)境中的金屬構(gòu)件，為防止受到雜散電流、水汽以及其他有害物質(zhì)的侵蝕，可以在構(gòu)件表面增加防銹蝕涂層，以提高金屬構(gòu)件的抗腐蝕性能。

4 基于耐久性的地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計措施

4.1 圍護結(jié)構(gòu)

地鐵工程施工過程中應(yīng)先進行圍護結(jié)構(gòu)施工，這是開展后續(xù)施工活動的基礎(chǔ)和保障，因此，地鐵圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計極為關(guān)鍵。目前，使用較為廣泛的地鐵圍護結(jié)構(gòu)類型較多，不同形式的圍護結(jié)構(gòu)側(cè)重點有所不同，在具體設(shè)計過程中，需要重點考慮以下幾方面：（1）圍護結(jié)構(gòu)的形式必須契合施工區(qū)域的地質(zhì)條件特征，比如，軟弱地層和常規(guī)地層所采用的圍護結(jié)構(gòu)就有較大差異，這樣才能確保圍護結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)施工環(huán)境，保障施工安全。（2）圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計要具備可行性，即圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計在特定施工環(huán)境下可以順利實施，不僅使其所受到的限制性較小，還可以起到良好的支護效果。（3）圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計要符合項目防護等級，充分考慮到地表沉降等多種因素影響，有效保障施工安全。（4）圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮到經(jīng)濟性與技術(shù)性，要在確保圍護結(jié)構(gòu)耐久性的基礎(chǔ)上盡可能控制圍護結(jié)構(gòu)成本，盡可能采用先進技術(shù)手段。

4.2 主體結(jié)構(gòu)

針對地鐵主體結(jié)構(gòu)，在具體設(shè)計時，設(shè)計方案需要從安全、經(jīng)濟、施工方便性等方面進行對比。地鐵主體結(jié)構(gòu)施工中選擇現(xiàn)澆混凝土框架式施工方式，在結(jié)構(gòu)布局上，以平臺寬度作為重要參照標準，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)布局同平臺寬度的密切結(jié)合。而最為核心的問題就是地鐵主體結(jié)構(gòu)的耐久性問題，地鐵工程設(shè)計使用年限為100 a，因此，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計與圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計不同，圍護結(jié)構(gòu)屬于臨時性工程措施，而主體結(jié)構(gòu)則直接關(guān)系到地鐵工程的運營使用壽命。因此，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計要將耐久性作為重要衡量指標，考慮主體結(jié)構(gòu)形變、結(jié)構(gòu)沉降、結(jié)構(gòu)破壞等方面，并在設(shè)計環(huán)節(jié)解決這些問題，充分滿足地鐵主體結(jié)構(gòu)耐久性要求。

4.3 圍護結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)的作業(yè)方式

關(guān)于圍護結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)的作業(yè)方式，目前，比較常用的有單一墻與復合墻兩種結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣，具體需要根據(jù)地鐵工程實際情況以及施工需要進行選擇。單一墻結(jié)構(gòu)的構(gòu)造相對比較簡單，由于其不需要增加內(nèi)力構(gòu)件，因此，對于內(nèi)外鋼筋的強度要求較低，整體施工成本相對較低。在實際設(shè)計過程中，根據(jù)結(jié)構(gòu)耐久性要求，需要考慮到預留鋼筋的設(shè)計，同時，也要考慮到墻體結(jié)構(gòu)的密實性，確保其具備良好的抗?jié)B性能，針對關(guān)鍵節(jié)點或部位還需要增加防水設(shè)計。單一墻結(jié)構(gòu)最大的缺陷在于耐久性相對較差，從耐久性設(shè)計角度考慮，在圍護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)中一般不采用單一墻結(jié)構(gòu)，但若是以地下連續(xù)墻作為擋土墻的單一墻結(jié)構(gòu)，再增加防水設(shè)計，也能使單一墻結(jié)構(gòu)具備較好的耐久性。復合墻結(jié)構(gòu)在地鐵圍護結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)中使用相對比較廣泛，其在結(jié)構(gòu)耐久性方面相較于單一墻結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢。若地鐵圍護結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)對耐久性具有特殊要求，復合墻結(jié)構(gòu)還可以通過增加永久性抗浮構(gòu)件與抗力構(gòu)件來提高結(jié)構(gòu)耐久性等級，這也是復合墻結(jié)構(gòu)被廣泛采用的重要原因。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著我國城市化進程不斷加快，城市規(guī)模不斷擴張，人口急劇增加，交通壓力必然越來越大，因此，地鐵將成為大中型城市緩解城市交通壓力的必然選擇。而在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計中，耐久性是需要重點考慮和研究的問題，這直接關(guān)系著地鐵的運營安全以及使用壽命，設(shè)計人員需充分考慮影響地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的因素，并通過對設(shè)計方案進行優(yōu)化與完善來提高地鐵結(jié)構(gòu)耐久性。