隧道结构耐久性设计

隧道结构耐久性设计第一页，共47页。主要内容：一、耐久性的概念二、不重视耐久性设计引起的工程病害三、影响隧道结构耐久性的因素四、复合式衬砌结构的耐久性设计第二页，共47页。瑞士辛普伦山岭铁路隧道（SimplonTunnel）长约20公里，1890年开始施工，第一条隧道于1906年1月开通，第二条隧道因技术上的困难和第一次世界大战影响，直到1921年才开通。第三页，共47页。中国最早于1890年建成的狮球岭隧道第四页，共47页。1903年建成的第一座长度超过3km（3078m）的隧道——兴安岭隧道（双线断面，1993年全面套衬混凝土衬砌，改为单线行车）第五页，共47页。

所谓隧道结构耐久性，是指隧道结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，在预期的少维修、可维修、但不大修的条件下而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。通过进一步的分析可以发现，隧道结构耐久性与其所处环境、结构材料和结构本身等诸多方面有关，同时引起隧道结构耐久性失效的原因存在于结构的设计、施工及维护的各个环节。一、隧道结构耐久性的概念第六页，共47页。

一般来说，结构物随使用年限的增加，由于外部条件的变化和养护维修管理不善，结构物会慢慢劣化，其性能要降低，此劣化程度，视各种条件有很大的差异，这种结构物性能的历时变化，可用下图的劣化曲线表示，图的横轴表示经历年限，纵轴表示性能。从宏观上把握耐久性的概念！一、隧道结构耐久性的概念第七页，共47页。一、隧道结构耐久性的概念第八页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害1、“三阶段说”告诉我们进入第二阶段耐久性问题突显：发达国家基本建设的历史经验告诉我们，修建历程大致分为三个阶段：第一阶段为大规模新建；第二阶段为新建与维修改造并重；第三阶段重点逐渐转向既有建筑物的维修改造。第九页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害世界各国在第一阶段高速发展时往往重建设轻维护，加之设计标准低且质量问题也比较突出，所以当进入第二阶段时，既有建筑物耐久性不足，维修费用猛增，问题突显，苦不堪言。不仅桥梁、房屋等地上结构如此，隧道结构也不例外。部分隧道数据见下表：第十页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害各国维修费用、结构物劣化情况国家维修费用增加情况结构物劣化情况美国1975年由于腐蚀引起的损失达700亿美元，1985年则达1680亿美元，目前整个混凝土工程的价值约为6万亿美元，今后每年用于维修或重建的费用预计将高达3000亿美元，在未来五年内需投入16000亿美元改善基础设施的安全不良状态。对于1950～1960年代以后才大力修建的隧道结构来说，接近1/3的隧道在使用过程中出现了功能性问题和结构损伤。第十一页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害各国维修费用、结构物劣化情况国家维修费用增加情况结构物劣化情况日本日本预计结构物维护费和改建费仅建设省就超过2兆亿日元，是2003年的3倍，维护费用将成为日本财政的巨大负担。日本建设省对全国3529座公路隧道检查，发现60％以上的隧道都存在着不同程度的病害。铁路隧道病害也相当严重，其中高速铁路隧道曾相继发生三起掉块事件。第十二页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害各国维修费用、结构物劣化情况国家维修费用增加情况结构物劣化情况中国

据成都铁路局统计，目前铁路隧道每年维修费用需求量达5亿元人民币左右，但可悲的是仅能到位1亿元人民币，依然维持着“癌症疗法”，预计今后增长速度惊人。1997年铁路隧道技术状态检查统计：既有隧道5000余座，总延长2500km左右，大部分存在不同程度的病害，有的还相当严重，失格隧道3270座，占隧道总数的65％。其中严重漏水的1502座，占失格隧道的46％；严重腐蚀裂损的710座，占22％；仰拱或铺底变形损坏的318座，占9.8％；坍拱掉块的404座，占12.4％。1998年底统计：铁路隧道受腐蚀而裂损的有734座，占隧道总数的23.2％。第十三页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害内昆铁路手扒岩隧道部分隧道病害实例如图：第十四页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害内昆铁路手扒岩隧道第十五页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害关兴公路庞家寨隧道第十六页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害关兴公路蛇形坡隧道第十七页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害成渝高速公路宋家沟一号隧道第十八页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害成渝高速公路中梁山隧道第十九页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害成渝高速公路中梁山隧道第二十页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害成渝高速公路中梁山隧道第二十一页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害东北林区铁路隧道第二十二页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害新疆穿越天山的独库公路二号隧道（玉希莫勒盖）第二十三页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害目前，我国铁路隧道既有4200多公里，在建4700多公里，拟建5000多公里，开始进入第二阶段。耐久性严重不足，安全事故时有发生，维修费用不断增长，百年大计成为一句空谈。到了该解决耐久性问题的时候了！第二十四页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害2、“5倍定律”告诉我们如何做：国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性，即设计阶段对钢筋防护方面少花1美元，那么就意味着：发现钢筋锈蚀时再采取措施将追加维修费5元；到混凝土表面顺筋开裂时再采取措施将追加维修费25美元；到严重破坏时再采取措施将追加维修费125美元。第二十五页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害从结构寿命阶段的源头抓起，越早越好：提高设计水平和标准控制施工质量早期维护第二十六页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害3、“为时未晚说”隧道数量第一阶段第二阶段第三阶段中国铁路隧道第二十七页，共47页。二、不重视耐久性设计引起的工程病害前车之鉴告诫我们不要重蹈覆辙，亡羊补牢，为时未晚。抢救已进入维修期的既有隧道的后期维修养护；抓好未进入维修期的新建隧道的早期维修养护；狠抓在建隧道的施工质量和运营期的早期维护；对拟建隧道从头抓起：适当提高设计基准严格控制施工质量强化早期维修养护——开展全寿命期的耐久性设计。功在当代，利在千秋。留下遗产，不留遗憾！第二十八页，共47页。三、影响隧道结构耐久性的因素

影响高速铁路隧道结构耐久性的主要因素就是结构物所处的环境，《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》（铁建设[2005]157号）把混凝土结构所处的环境类别概况为：

碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、冻融破坏环境和磨蚀环境。对于高速铁路隧道，一般不考虑磨蚀环境。第二十九页，共47页。三、影响隧道结构耐久性的因素碳化环境环境作用等级环境条件特征T1室内年平均相对湿度＜60%长期在水下（不包括海水）或土中T2室外环境室内年平均相对湿度≥60%T3水位变动区干湿交替第三十页，共47页。三、影响隧道结构耐久性的因素氯盐环境环境作用等级环境条件特征L1长期在海水水下区离平均水位15m以上的海上大气区离涨潮岸线100～300m的陆上近海区L2离平均水位15m以内的海上大气区离涨潮岸线100m以内的陆上近海区海水潮汐区或浪溅区（非炎热地区）L3海水潮汐区或浪溅区（南方炎热地区）盐渍土地区露出地表的毛细吸附区遭受氯盐冷冻液和氯盐化冰盐侵蚀部位第三十一页，共47页。三、影响隧道结构耐久性的因素化学侵蚀环境化学侵蚀类型环境作用等级H1H2H3H4硫酸盐侵蚀环境水中SO42-含量（mg/L）≥200≤600＞600≤3000＞3000≤6000＞6000强透水性环境土中SO42-含量（mg/kg）≥2000≤3000＞3000≤12000＞12000≤24000＞24000弱透水性环境土中SO42-含量（mg/kg）≥3000≤12000＞12000≤24000＞24000—盐类结晶侵蚀环境土中SO42-含量（mg/kg）—≥2000≤3000＞3000≤12000＞12000酸性侵蚀环境水中PH值≤6.5≥5.5＜5.5≥4.5＜4.5≥4.0—二氧化碳侵蚀环境水中侵蚀性CO2含量（mg/L）≥15≤40＞40≤100＞100—镁盐侵蚀环境水中Mg2+含量（mg/L）≥300≤1000＞1000≤3000＞3000—第三十二页，共47页。三、影响隧道结构耐久性的因素冻融破坏环境环境作用等级环境条件特征D1微冻地区+频繁接触水D2微冻地区+水位变动区严寒和寒冷地区+频繁接触水微冻地区+氯盐环境+频繁接触水D3严寒和寒冷地区+水位变动区微冻地区+氯盐环境+水位变动区严寒和寒冷地区+氯盐环境+频繁接触水D4严寒和寒冷地区+氯盐环境+水位变动区第三十三页，共47页。

除了环境因素对高速铁路隧道耐久性影响以外，空气压缩波以及列车振动作用也是对其影响的主要因素。有初始裂纹的衬砌结构，在气动压力波正压、负压的反复作用下，衬砌结构将产生疲劳，裂纹不断扩展，直到断裂破坏；同时，衬砌结构底部在列车振动荷载的作用下，也容易出现疲劳性破坏。三、影响隧道结构耐久性的因素第三十四页，共47页。以日本一座隧道的混凝土掉块事故来加以分析说明：三、影响隧道结构耐久性的因素第三十五页，共47页。

根据调查结果，外部原因中否定了地压、水压作用、地震、接近施工、冻胀压力的影响。关于列车振动和空气压变动，在事故发生地点，对列车走行时衬砌混凝土的动态进行了量测，其结果如下。

·列车振动：最大0.3kine（衬砌表面切线方向）；最大0.1kine（衬砌表面法向方向）；

·空气压变动：最大6kPa（列车尾部通过时的压力下降）

·应变：最大12μ（衬砌表面切线方向）；三、影响隧道结构耐久性的因素第三十六页，共47页。一般说，使衬砌开裂的振动速度是20~30kine，使混凝土开裂的拉应变一般是200μ左右，因此列车振动、空气压变动、应变不会成为剥落的主要原因。但是，空气压变动和列车振动的反复作用，对开裂的发展是有影响的。因此，进行了空气压反复变动影响的试验。三、影响隧道结构耐久性的因素第三十七页，共47页。

空气压反复变动影响的试验结果是：

·随着荷载的反复作用，开裂的端部的混凝土发生疲劳，微细的开裂徐徐发生；

·最终是开裂急剧发展而剥落；

·开裂的深度越深，在少许的反复次数就破坏了。根据这个结果，预计实际的剥落形状、荷载的形态、荷载的水平（5kPa），反复次数（剥落发生预计120万次），认为疲劳破坏是造成剥落的可能性的主要原因。三、影响隧道结构耐久性的因素第三十八页，共47页。

另外，高速铁路隧道是修建在自然地层中的一种地下结构物，在其使用过程中，作用于衬砌结构上的外力不断演变，有时会产生预料不到的外力，这也是影响隧道结构耐久性的一个重要因素，在耐久性设计中应引起足够重视。三、影响隧道结构耐久性的因素第三十九页，共47页。四、复合式衬砌结构耐久性设计

在目前我国的高速铁路隧道中，支护结构多数都采用复合式衬砌，复合式衬砌包括初期支护和二次衬砌两部分，所以在隧道结构耐久性设计中，要分别考虑初期支护和二次衬砌的耐久性。在复合式衬砌结构耐久性设计中，要包括以下主要内容：·明确混凝土结构的使用环境类别与环境作用等级；·提出混凝土结构的设计使用年限；·设计与结构耐久性有关的结构构造措施；第四十页，共47页。·提出混凝土原材料品质要求、配合比主要参数及耐久性的具体指标；·提出确保混凝土耐久性的施工质量关键控制要求与措施；·确定钢筋混凝土保护层厚度；·提出对结构应采取的防腐蚀附加措施；·明确结构使用过程中的检测、养护、维修或局部更换的要求。四、复合式衬砌结构耐久性设计第四十一页，共47页。初期支护的耐久性对于铁路隧道结构来说，初期支护一般包括喷混凝土、锚杆、钢架等，所以对每一种支护措施都应进行耐久性设计。（一）喷混凝土

1在腐蚀性严重的场合，喷混凝土的强度等级应不应低于二次衬砌混凝土的强度等级；

2喷混凝土的强度要满足长期强度（28d）的要求，且1d的抗压强度不宜小于10MPa。（二）锚杆锚杆宜采用全长灌浆式锚杆，并应设置垫板。在腐蚀性环境中，应采用防腐蚀的灌浆材料或者采用耐腐蚀的纤维锚杆。（三）钢架喷混凝土内设置的钢架靠围岩侧的保护层厚度不小于40mm，靠另一侧不小于30mm。四、复合式衬砌结构耐久性设计第四十二页，共47页。二次衬砌的耐久性铁路隧道的二次衬砌基本上是由混凝土或钢筋混凝土材料构成的，因此二次衬砌的耐久性问题归根到底还是混凝土的耐久性问题。混凝土结构耐久性按学科及影响因素可分为：材料学科和结构工程学科，具体见下图。混凝土结构耐久性研究分类四、复合式衬砌结构耐久性设计第四十三页，共47页。