隧道结构耐久性设计

隧道结构耐久性设计

主讲老师：张俊儒主要内容：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。中国最早于1890年建成的狮球岭隧道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）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一、隧道结构耐久性的概念二、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。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：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。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。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％。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：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二、讲不重摧视耐灰久性定设计闷引起脑的工蔑程病泳害成渝高虑速公路胖中梁山孕隧道二、参不重烫视耐塞久性赢设计带引起脂的工岂程病礼害东北筑林区章铁路转隧道二、挪不重单视耐主久性怖设计型引起赌的工角程病士害新疆穿牲越天山网的独库壁公路二例号隧道啊（玉希巾莫勒盖富）二、望不重昼视耐妖久性券设计品引起鸭的工掏程病阅害目前，歉我国铁甩路隧道休既有42层00多公里陆，在建47尼00多公炎里，饲拟建500耕0多公里伐，开始死进入第普二阶段妥。耐久性收严重不韵足，安扯全事故傍时有发礼生，维衬修费用暖不断增暖长，百狭年大计内成为一抖句空谈从。到了坊该解造决耐剥久性纷问题阶的时文候了偿！二、不讨重视耐介久性设清计引起括的工程演病害2、“5倍定律”告诉简我们如玩何做：国外顷学者摘曾用陈“五腾倍定跟律”付形象怕地描抓述了毫混凝由土结满构耐骄久性犹设计距的重项要性龟，即运设计久阶段公对钢纳筋防狗护方鲁面少拼花1美元，点那么就榨意味着星：发现钢济筋锈蚀健时再采域取措施加将追加痛维修费5元；到混凝棵土表面腹顺筋开鞋裂时再法采取措疾施将追蔬加维修催费25美元；到严透重破殃坏时需再采嘉取措丑施将殿追加挺维修蚕费125美元。二、堡不重盘视耐脖久性慎设计组引起秋的工每程病旁害从结亡构寿斑命阶恼段的坏源头粪抓起备，越奏早越奴好：提高僚设计尖水平线和标尊准控制施企工质量早期照维护二、柔不重强视耐款久性猛设计会引起课的工仍程病烫害3、“为时未稳晚说”隧道数量第一阶碧段第二寻阶段第三阶桌段中国铁绣路隧道二、保不重深视耐轧久性佣设计洒引起劝的工迹程病障害前车咳之鉴探告诫姨我们液不要蚁重蹈陶覆辙情，亡殿羊补扭牢，馆为时默未晚覆。抢救已蹲进入维月修期的侧既有隧躺道的后价期维修乡丰养护；抓好托未进遍入维车修期机的新居建隧统道的恭早期贯维修乳养护蛮；狠抓伯在建翼隧道春的施疲工质汉量和睬运营驰期的奇早期滑维护旋；对拟建希隧道从柄头抓起节：适当提搬高设计基准严格衫控制棉施工质量强化早期维修渴养护——开展全扰寿命期征的耐久性探设计。功在当筹代，利饿在千秋册。留下政遗产，究不留遗愿憾！三、影佳响隧道妹结构耐苦久性的无因素影响高堡速铁路堪隧道结树构耐久孟性的主当要因素蝴就是结筝构物所垒处的环球境，《铁路混左凝土结代构耐久兴性设计傅暂行规脖定》（铁建国设[20妥05]哗157号）传把混庙凝土潮结构砖所处慰的环盈境类听别概怒况为沈：碳化环饼境、氯篮盐环境是、化学成侵蚀环蒸境、冻伟融破坏优环境和犯磨蚀环践境。对于座高速铁验路隧道画，一般妄不考虑级磨蚀环期境。三、影侄响隧道斗结构耐少久性的汇因素碳化环霉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三、影刊响隧道证结构耐极久性的胆因素氯盐婶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三、刻影响球隧道伏结构勤耐久流性的葡因素化学侵迹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—三、机影响喉隧道劫结构途耐久磁性的揉因素冻融纽奉破坏叛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+水位变动区除了播环境搭因素铃对高辱速铁默路隧扁道耐秀久性终影响屯以外帖，空气撑压缩圣波以及列车振慌动作用垮也是满对其母影响鄙的主独要因菌素。衔有初撇始裂手纹的有衬砌缸结构彻，在雄气动历压力练波正胳压、狠负压谊的反焦复作群用下庙，衬旁砌结犹构将圣产生笨疲劳豆，裂沟纹不劲断扩查展，洒直到洽断裂圣破坏旱；同燃时，脉衬砌攻结构勉底部公在列缎车振骗动荷屿载的雀作用摄下，易也容忠易出黄现疲乡丰劳性五破坏注。三、的影响城隧道够结构与耐久铜性的吨因素以日本帝一座隧五道的混挣凝土掉挑块事故伟来加以揪分析说呼明：三、井影响萝隧道叨结构斧耐久推性的黎因素根据讯调查天结果宫，外违部原径因中详否定册了地惯压、贤水压焦作用馆、地抢震、鹅接近孤施工惯、冻术胀压狐力的通影响爪。关于列蓝车振动锈和空气钩压变动央，在事外故发生亡地点，范对列车继走行时罚衬砌混友凝土的飘动态进谁行了量论测，其愚结果如撞下。·列车浪振动径：最挨大0.3彩kin独e（衬砌兴表面切铅线方向钳）；最大0.饱1k卧in秘e（衬怜砌表率面法盆向方品向）公；·空气压暂变动：痰最大6kP昌a（列车遥尾部通且过时的直压力下愉降）·应变：第最大12μ（衬砌枕表面切主线方向浆）；三、铲影响若隧道第结构蚁耐久略性的林因素一般产说，块使衬雅砌开伴裂的卡振动柱速度混是20~道30k亚ine，使混看凝土开蓬裂的拉阿应变一万般是200移μ左右，典因此列岭车振动捏、空气封压变动泰、应变养不会成飞为剥落罚的主要加原因。讯但是，杯空气压母变动和是列车振致动的反超复作用康，对开雨裂的发写展是有沙影响的搏。因此行，进行储了空气堵压反复卡变动影拖响的试萝验。三、影钱响隧道页结构耐症久性的亡因素空气压迅反复变喉动影响沟的试验辟结果是耐：·随着答荷载巨的反久复作叶用，崭开裂集的端际部的现混凝样土发扁生疲光劳，狗微细柳的开刻裂徐乓徐发邻生；·最终是笛开裂急迹剧发展牛而剥落；·开裂唇的深章度越火深，左在少条许的号反复勒次数傅就破盼坏了。根据这投个结果烈，预计希实际的低剥落形鼻状、荷盖载的形舒态、荷疫载的水但平（5kP疤a），隆反复删次数胳（剥维落发通生预谱计12旧0万次告），报认为疲劳安破坏是造成邪剥落的弊可能性键的主要攀原因。三、影脱响隧道狭结构耐荒久性的槽因素另外耐，高录速铁戒路隧步道是皮修建掘在自尚然地秋层中聋的一钞种地假下结钓构物解，在竹其使面用过肌程中汽，作非用于终衬砌师结构酬上的外力不句断演变，有软时会型产生烂预料躁不到欢的外箭力，侄这也宝是影低响隧蛛道结宰构耐嗽久性妈的一悦个重章要因伐素，患在耐骨久性痒设计造中应仍引起油足够笋重视转。三、影闯响隧道章结构耐屠久性的贺因素四、复伪合式衬忠砌结构抚耐久性口设计在目前逐我国的欲高速铁慨路隧道册中，支初护结构章多数都平采用复谣合式衬侦砌，复挥合式衬么砌包括纹初期支哨护和二管次衬砌夹两部分钥，所以缘瑞在隧道掉结构耐察久性设猛计中，策要分别笼考虑初叙期支护雀和二次束衬砌的穷耐久性雁。在复使合式衬讨砌结构汽耐久性叫设计中塘，要包就括以下柴主要内裂容：·明确混慕凝土结犹构的使库用环境透类别与岗环境作誓用等级局；·提出界混凝疾土结潮构的股设计骡使用链年限危；·设计条与结乡丰构耐耀久性绕有关悦的结跑构构奏造措罚施；·提出混堡凝土原摇材料品督质要求尽、配合泰比主要奖参数及令耐久性但的具体方指标；·提出亿确保轧混凝蚀土耐乔久性硬的施阻工质阿量关兆键控奶制要侵求与躁措施岗；·确定邮钢筋膨混凝译土保群护层锯厚度回；·提出棉对结涝构应伸采取宗的防更腐蚀虫附加棚措施枪；·明确结超构使用洋过程中悟的检测达、养护败、维修逝或局部煎更换的述要求。四、复晨合式衬训砌结构抹耐久性豆设计初期策支护转的耐糠久性对于薪铁路篇隧道害结构战来说恶，初汇期支蠢护一射般包押括喷尸混凝汁土、崇锚杆客、钢春架等甲，所怪以对弹每一乡丰种支席护措怠施都币应进梳行耐月久性致设计春。（一产）扒喷混饼凝土1在腐轮蚀性乏严重骨的场捷合，嗽喷混求凝土张的强铜度等输级应穷不应饿低于厉二次局衬砌堤混凝息土的乏强度蒙等级丸；2喷混凝女土的强胆度要满秀足长期芬强度（28稍d）的要转求，且1d的抗压沃强度不届宜小于10逃MP大a。（二）院锚杆锚杆跪宜采动用全窗长灌棉浆式恳锚杆富，并返应设王置垫里板。桌在腐约蚀性太环境搏中，术应采诸用防学腐蚀倡的灌倒浆材育料或船者采腊用耐贞腐蚀毯的纤丈维锚比杆。（三）昆钢架喷混管凝土僚内设健置的均钢架呈靠围捕岩侧葛的保碍护层润厚度傻不小篇于40m微m，靠另纺一侧不仗小于30酬mm。四、复谁合式衬期砌结构催耐久性翁设计二次牵衬砌左的耐呜久性铁路邀隧道扇的二悬次衬酱砌基术本上税是由稻混凝念土或吼钢筋华混凝殖土材划料构方成的水，因种此二婚次衬中砌的喇耐久稍性问筛题归磁根到猜底还即是混浆凝土机的耐笛久性朝问题睛。混列凝土堪结构吨耐久香性按器学科捞及影爬响因锻素可顿分为疤：材列料学粒科和须结构控工程霸学科圣，具园体见狭下图扛。混凝土完结构耐隶久性研猴究分类四、巴复合湖式衬呜砌结法构耐令久性迷设计从图中晓可以看荷出，对混凝土区材料产生漏影响举的主颂要因忘素有落：钢扒筋锈徒蚀、之冻融广循环刚、碱—骨料反乌应、化隆学作用俱和混凝渗土配比直，以及承物理、汤化学和拾生化过软程和环活境侵蚀影等，所悄以，材愧料学科译对混凝纷土结构亦耐久性铅研究的馆目的主丽要在于解决混赚凝土结译构设计歌、施工银、和使非用维修唤中的构标造措施，如设敞计中的败防水、倍裂缝限关制指标固、施工征中的水防灰比大搭小、外党加剂类巩型、使安用维修碗中的补画强措施仔等。四、复发合式衬绘砌结构松耐久性则设计结构帖工程党学科顽对混臣凝土五结构使耐久是性研默究分戴为抗逆力与返荷载破变化屯的研惊究，糖