试论地铁结构的耐久性

1、精选优质文档-倾情为你奉上试论地铁结构的耐久性试论地铁结构的耐久性 摘 要：混凝土结构的强度和耐久性是两个重要的指标，然而在工程中往往只重视结构的强度，或片面追求高强度和耐久性而忽略了结构。本文结合地下结构和降解机制，从材料的选择、构造措施和施工措施三个方面，提出了改善耐久性的地铁结构设计要点，希望能引起设计师的关注。 关键词：地铁结构；耐久性设计；地铁工程 中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号： 地铁属于城市快速轨道交通系统，由于它不受气候条件约束和安全、快速运输的特点，成为城市公共客运交通的骨干网络。目前，除了北京、上海、天津、广州、深圳、沈阳、南京、重庆、香港、台北地铁投

2、入运营，青岛、武汉、长春、哈尔滨等17个城市的地铁也正在规划和建设中。大量的地铁工程建设，不仅可以解决大中型城市公共交通工具问题，更成为了重要国家经济繁荣和社会进步的象征。 地铁工程是不可逆的，一次性投资巨大，并且经常穿过城市中心区域，它的耐用性要求相对于其他土木工程比较高(设计使用寿命为100年的基准)。但近年来，已建成地铁在运营过程中出现一些问题，如上海浦路隧道由于渗漏严重而关闭维修;北京地铁投入运营几年后一个隧道内管道腐蚀穿孔;香港地铁杂散电流造成燃气管道腐蚀穿孔，最终导致气体泄漏事故。这些工程实例表明，长期环境影响下，地铁结构耐久性存在问题，地铁的维护、维修、改造以改善其耐久性往往价格

3、昂贵。它会浪费很多钱，影响正常使用地铁，缩短维修周期和使用寿命，严重时还威胁地铁列车安全的运行。因此，地铁结构耐久性问题是一个非常重要和迫切需要解决的问题。 1 概念 所谓混凝土结构耐久性，是指混凝土结构在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，结构构件在设计使用年限内，保持其适用性和安全性的能力。由于地铁结构多埋置于地下，与地下水、岩土介质紧密接触，加之各种突发性灾害等不确定性因素的影响，由此引发的各类耐久性问题越来越严重。另外，地铁工程属于城市公共轨道交通工程，投资大、建设周期长、质量要求高，主体结构工程设计使用年限为100年，因此，其结构耐久性设计至关重要。然而长期以来，很多地铁设计人员只

4、关注结构的安全性和适用性，而对结构的耐久性设计缺乏全面认识和充分的考虑。本文旨在对地铁结构的耐久性设计内容进行梳理归纳，提出自己的探讨观点。 2 混凝土结构的耐久性分析 混凝土结构的耐久性设计可分为传统的经验方法和定量计算方法。目前，环境作用下耐久性设计的定量计算方法尚未成熟到能在工程中普遍应用的程度。在各种劣化机理的计算模型中可供使用的还只局限于定量估算钢筋开始发生锈蚀的年限。因此，现行的钢筋混凝土结构设计规范中仍然是传统方法或是改进的传统方法。近年来，传统的经验方法有很大的改进，首先是按照材料的劣化机理确定不同的环境类别，在每一类别下再按温、湿度及其变化等不同环境条件区分环境作用等级，从而

5、更详细地描述环境作用。其次是对不同设计使用年限的结构构件，有不同的耐久性要求。 2.1耐久性内涵 混凝土结构的耐久性是指：环境作用下，结构在设计要求的目标使用期(设计基准期)内，在适当的维护条件下，保持其安全、使用功能和外观要求的能力。这里的环境是一个广义的概念：一切引起结构性能降级与破坏因素的综合。因此，混凝土结构的耐久性并不是仅与混凝土结构原材料和配合比有关的一种固有特性，而是一个整体性能指标(与整个结构有关)，还取决于包括力学环境、自然环境、使用环境以及混凝土生产工艺过程等其他因素2。混凝土结构的耐久性应综合考虑结构的承载能力极限状态(安全)和使用极限状态(使用功能和外观要求)，即在保证

6、结构安全的前提下，经济合理(适当的维护资金)的使用寿命(设计基准期)。 2.2混凝土结构的劣化机理 劣化与耐久性紧密相连，劣化就是结构经受环境作用所引起的性能降级与破坏。现代混凝土技术的发展为建筑业提供了更好的混凝土产品，大剂量高效减水剂及矿物掺合料的复合应用使硬化混凝土具有高密实度、高流动性和(早强)高强度，混凝土微结构的匀质性提高。但是水泥用量增大引起干缩和水化热过大产生的温度收缩，尤其是混凝土早期强度和弹性模量增长迅速，早期由于变形约束产生的拉应力明显增大，这两方面的原因使得混凝土在凝胶过程中产生大量的孔隙和微裂缝，导致整体匀质性下降2，3。微裂缝宽度在许多时候小于规范限制0. 2mm，

7、对结构的承载力影响不大，但是客观上为外界侵蚀性介质提供了运移通道。侵蚀性介质渗入，通过一系列的物理、(电)化学作用，使得混凝土内的组分发生溶解反应和膨胀反应，微裂缝扩展，混凝土整体匀质性进一步恶化，侵蚀性介质加速作用，进入恶性劣化循环，混凝土开裂、剥落，整体性丧失，直至混凝土结构耐久性失效。混凝土结构劣化是指：在“环境”的作用下，外界侵蚀性介质进入混凝土的通道，通过一系列的物理、(电)化学作用，混凝土内的组分发生溶解反应和膨胀反应，造成结构性能降级与破坏。由此，提出混凝土结构劣化模型。劣化模型强调微裂缝和孔隙是引起混凝土劣化的初因，把混凝土的损伤原因归咎于环境作用使孔隙、裂缝扩展与连通，劣化过

8、程分为两个阶段：初级阶段，混凝土内组分及结构无明显损伤，但是混凝土的耐久性防护机制(1.抗渗性2.提供碱性环境)开始被侵蚀性介质突破；发展阶段，随着侵蚀性介质的逐步积聚，混凝土内组分及结构出现损伤，开始缓慢，尔后加速。 3 地铁结构的耐久性损伤机理 结构的耐久性损伤指结构性能随时间劣化的现象4。地铁工程的主体结构是钢筋混凝土结构，其结构形式和所处环境与其他建筑结构相比有其自身的特点。很显然，地铁结构的耐久性损伤因素必须结合其特点进行研究。地铁结构是由车站结构、区间隧道结构组成的典型地下线性结构，本身存在大量的结构裂缝。与大气环境下的工业与民用建筑相比，地铁结构所处环境更为复杂，结构内部与大气环

9、境接触(CO2、O2)，结构外部与岩土介质环境紧密相连，岩土介质的不均质性、非线性、流变性等特点使得结构应力状况复杂多变，同时，地下水中通常含有不同程度的侵蚀性介质(SO2-、Mg2+、Cl-)。地铁结构的耐久性损伤通常导致混凝土衬砌结构劣化开裂、剥落，钢筋和螺栓锈蚀，隧道内部渗漏。从地铁结构产生耐久性损伤的直接因素来看，可以将耐久性损伤因素分为结构因素、混凝土因素、地质因素，各因素之间交错发展、互相影响，共同造成了地铁结构的耐久性损伤。 3.1结构因素 地铁结构在施工过程中，为了方便施工会留有施工缝，考虑温度变化，沉降变化会预留伸缩缝和沉降缝，出入口、竖井、人防连通口、区间隧道结构、车站结构

10、之间存在接头，而衬砌接缝的数量更是一个巨大的数字。以上海地铁一号线工程为例，其盾构区间隧道衬砌环分为6块管片，环宽900mm，环间以17根纵向螺栓连接，纵向通缝拼装，若以每环环向接缝6处计，每长900m仅环缝就有6000处。大量的缝隙很可能成为结构的薄弱环节，虽然地铁结构防水措施相比其他结构要强，但是随着防水系统的老化，这些缝隙将成为结构裂缝，严重危害地铁结构的耐久性。 3.2混凝土因素 地铁结构混凝土衬砌往往要受到多种破坏因素的交互作用，有可能来自内部大气环境，也有可能来自外部岩土介质环境的侵蚀性。埋在地下水位以下的地铁结构会因溶解于水中的盐类随地下水由外到内缓慢的渗透到内壁，水分不断蒸发导

11、致盐类发生浓缩、积聚，使原本含量不高的地下水变成具有侵蚀性；管片接缝中渗漏进来的地下水中的侵蚀性盐类沉淀在管片表面，经蒸发浓缩也会导致混凝土局部形成严重侵蚀而导致混凝土的破坏。地铁结构处于地表以下，温差变化不会很大，混凝土遭受冻融破坏的可能性较小。 3.3 地铁结构的侵蚀机理 钢筋和混凝土共同工作的一个很重要的因素就是混凝土呈高度碱性，钢筋在高度碱性环境中会在表面生成一层致密的钝化膜，使钢筋具有良好的稳定性。一旦混凝土开裂后，空气中的二氧化碳等酸性气体会扩散到混凝土内部，通过化学反应降低混凝土的碱度，使混凝土碳化。混凝土碳化的进一步结果，就会破坏钢筋表面的钝化膜从而使钢筋失去稳定性，发生锈蚀。

12、 地铁混凝土结构埋置于地下岩土体中，还可能与地下水接触，因而其耐久性的影响因素相对于地面结构更具复杂性和不确定性。一方面，由于土壤及地下水中的各种离子（包括CI-、S042+、Mg2+等）的作用，化学腐蚀对钢筋锈蚀的作用明显。另一方面，地铁列车采用直流电力牵引，受各种因素的影响，不可避免地存在一定的泄漏电流(也称迷流)。地铁迷流会对车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀，降低地铁结构的强度和耐久性。另外，工程所处的地质环境特点不同，土体的流变性和固结度也有差异。由于地铁隧道周围环境土体、土层的不均质性，在地铁隧道建成后，隧道周围土体的差异沉降会引起地铁结构的受荷不均，进一步引发结构变形，

13、产生裂缝。同时，由于地铁结构多处于地下，这就给后期的观测、模拟、试验等工作带来较大难度，也不利于结构耐久性问题的及时发现和采取补救措施。此外，由于各地区地质条件的差异，地铁混凝土结构所处的环境特点不同，结构的侵蚀机理也不尽相同。 4 地铁结构耐久性设计要点 从前面的分析可以看出，结构的耐久性是一项综合性能，虽然结构在不同环境条件下的破坏过程各不相同，但是对地铁结构来说，提高耐久性的措施有一个共同之处：控制结构裂缝。其主要设计要点大致可从材料选择、构造措施和施工措施三个方面考虑。 4.1 材料选择 地铁车站大体积浇筑的混凝土应减小水化热产生的温度应力，地下车站顶、底板、侧墙混凝土应具有较好的自防

14、水性能。因此，地铁结构中的水泥材料应选择碱含量小，水化热低，干缩性小，耐热性、抗水性、抗腐蚀性、抗冻性等性能良好的水泥。混凝土集料的选择应考虑其碱活性，宜使用非碱活性骨料，防止“碱骨料反应”造成的危害。还应选择合理的级配，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的密实度。 在地铁结构设计中，由于地质条件的差异，土体环境中各种侵蚀性物质的存在在所难免，采用高性能混凝土也是提高结构耐久性的一种重要途径。即采用高性能的优质水泥级配良好的优质骨料优质参和料和高效减水剂，并利用高效减水率尽量降低混凝土的水胶比。 4.2 构造措施 结合地铁结构的自身特点，改善结构耐久性的构造措施主要包括： (1)地铁的结构形

15、式、布置应尽量保持构件截面均匀，避免截面突变出现尖角、棱角，从而减小混凝土收缩应力和荷载应力的集中。 (2)考虑到地铁结构多为长宽比较大的长条形结构，其结构配筋应加强纵向分布钢筋，宜按照“细而密”的原则配置，控制混凝土的收缩裂缝。 (3)结构构件应按其使用环境设计其相应的混凝土保护层厚度。 (4)结构设计应控制混凝土的裂缝宽度，预防外界介质渗入内部腐蚀钢筋。 (5)地铁结构的节点构造设计也应考虑构件受局部损坏后的整体耐久能力。 (6)混凝土结构构件的形状和构造应有效地避免水、汽和有害物质在混凝土表面的积聚，地铁结构应进行有效的防水层设计。 (7)地铁设计中应考虑针对防迷流的设计内容，杂散电流防

16、护一般按照“以堵为主，以排为辅，堵排结合，加强监测”的原则设计。 4.3 施工措施 地铁明挖结构通常采用分段施工，有效地释放过程中产生的水泥水化热引起的温度应力，避免结构产生温度裂缝而导致钢筋腐蚀。暴露于外环的混凝土结构组件、紧固件、连接件和其他金属部件，采取表面可靠的防腐措施。恶劣环境作用下合理的防腐附加措施或多个保护策略，如在具体形式的连接电阻、锈剂、防腐剂、水溶性聚合物树脂，在混凝土构件表面涂层或覆盖防护材料，选择环氧涂层钢筋，并采取必要的措施如阴极保护。施工应严格考虑固化系统、施工维修方法、维修时间、混凝土强度等级、施工环境、组件大小和许多其他因素。 无论如何，设计师应该重视耐久性混凝土结构设计思想