跨海隧道衬砌混凝土结构的耐久性设计

2017-04-27杜宝义

四川水泥 2017年2期

关键词：跨海海底隧道管片

杜宝义

（中铁隧道勘测设计院有限公司天津 300133）

跨海隧道衬砌混凝土结构的耐久性设计

杜宝义

（中铁隧道勘测设计院有限公司天津 300133）

跨海隧道的地下水成分一般均与海水相似，隧道处于严苛的氯化物腐蚀环境，相对于常规隧道对衬砌结构的耐久性要求较高。本文通过调研、对比国内外跨海隧道工程的耐久性设计实例，总结了氯盐环境下的隧道结构耐久性设计方法，对类似工程具有一定的参考价值。

跨海隧道；氯盐环境；耐久性；衬砌结构

0 序言

混凝土结构在正常使用的过程，受内部作用、外部作用、人为因素和自然因素的交叉影响，随着使用年份的增加，结构完整性逐渐发生破坏，这必然会影响到结构的使用寿命和结构的安全性。而跨海隧道由于其环境的特殊性与工程的重要性，其耐久性设计更是决定工程使用安全与使用寿命的控制性因素。一方面，海水中的氯离子渗透到混凝土中，会加速混凝土的溶解侵蚀和冻融破坏，并促进钢筋的电化学腐蚀，另一方面，钢筋的锈蚀会进一步促进混凝土结构裂缝的产生和发展。对混凝土结构的破坏性巨大。鉴于此，对跨海隧道的结构耐久性进行分析研究是十分必要的。

1 过海隧道环境类别划分

目前国内关于混凝土结构耐久性方面设计和施工所依据的规范主要有：建设部颁发的《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）、原铁道部颁发的《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB10005-2010）、交通部颁发的《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTG/T B07-01-2006）等。它们对混凝土结构的环境类别划分的主要依据是工程所在地的地理作用环境、水域或土中的主要腐蚀性化学成分如Cl-、SO2-4、Mg2+、侵蚀CO2含量和pH值等以及运营阶段的隧道环境条件。

由于海底隧道地下水同上部海水往往存在联系，故其腐蚀环境一般为氯化物环境，《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB10005-2010）将其定为Ⅲ类，同时根据环境作用程度将其细化为轻微（A）、轻度（B）、中度（C）、严重（D）、非常严重（E）、极端严重（F）等六级。

海洋氯化物环境的作用等级

国内若干正建及已经修建完成的跨海隧道环境等级确定见表2-14。

表2-14 相关海（江）域工程环境类别划分及隧道相关情况

（JTG/T B07-01-2006）净高5.0m下约70m青岛胶州湾海底隧道（2006～2011）内侧III-E外侧III-D《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）7.8km净宽13.5m净高10.5m海底最深处42m盾构法厦门地铁3号线过海区间（2016～）III-E《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）3.9km外径6.7m，内径6.0m最深处位于海平面下约69m

根据调研结果，目前的跨海隧道混凝土结构设计多依据《混凝土结构耐久性设计规范》（TB10005-2010）及相关行业耐久性规范。过海隧道钢筋混凝土结构一侧接触海水，一侧接触空气，其环境作用等级一般为Ⅲ-E。青岛胶州湾海底隧道考虑到地域年平均气温相对较低，隧道外侧长期浸没在海水中，同空气隔绝，故将结构外侧环境降低一级，取为III-D。

2 提高混凝土结构耐久性的基本措施

一般隧道及地铁结构的设计使用年限均要求达到 100年，为保证混凝土结构具有良好的耐久性，首要的基本措施包扩正确选用混凝土原材料，限制混凝土的最大氯离子含量、最大含碱量、最大水胶比和最低强度等级，并优化选择混凝土的水泥种类、掺和料种类及其掺量，优选粗、细骨料；在满足混凝土抗渗性能条件下，配制满足耐久性要求的高性能混凝土。

1）原材料要求

氯盐环境下，宜采用硫酸盐水泥和普通硫酸盐水泥，不宜采用早强水泥及抗硫酸盐硅酸盐水泥。同时应采用大产量矿物掺合料，掺加优质粉煤灰、磨细矿渣粉等，用量宜为胶凝材料总量的20%～30%。

细骨料应选用级配合理、质地坚固、吸水率低、空隙率小的洁净天然中粗河砂，也可选用专门机组生产的人工砂，不得使用海砂。细骨料细度模数2.3～3.0，含泥量≤2%。，粗骨料应选用粒形良好、质地坚固、线胀系数小的洁净碎石。最大粒径宜≤30mm，且不应大于钢筋骨架最小间距的3/4。针片状含量≤5%，含泥量≤0.5%。

同时根据相关规范要求严格控制混凝土氯离子含量、水胶比及胶凝材料用量。

2）混凝土强度及构造要求

当混凝土强度等级提高时，混凝土孔结构较小，密实度提高，碳化速度变慢。另一方面，强度提高后，混凝土孔隙率降低，进而使得混凝土渗透性降低，氯离子扩散系数减小，降低钢筋锈蚀率。根据混凝土所处的环境类别及作用等级，确定混凝土最低强度等级、裂缝宽度限值和最小保护层厚度如表所示。

混凝土强度及构造要求

1）抗渗等级

混凝土是一种具有一定渗透性的材料，环境中的有害介质很容易通过表层混凝土的孔洞、裂缝进入混凝土内部与混凝土中的成分发生化学反应，破坏混凝土的结构，从而导致混凝土建筑整体出现耐久性问题。混凝土抗渗等级根据上部水头高度与混凝土结构厚度确定，如表所示。

混凝土抗渗等级要求

工程埋置深度H（m）设计抗渗等级H＜10 P6 10≤H＜20 P8 20≤H＜30 P10 H≥30 P12

2）国内跨海隧道的混凝土性能指标

工程名称混凝土强度等级保护层厚度抗渗等级厦门翔安海底隧道（2005～2010）C50 / P12青岛胶州湾海底隧道（2006～2011）C50 内侧60mm外侧50mm S12厦门地铁3号线过海区间（2016～）C50 60 P12

工程名称水泥材料电通量氯离子扩散系数㎡/s最大水胶比胶凝材料用量厦门翔安海底隧道（2005～2010）P·O42.5 P·II42.5＜800c（56d）＜2×10-12（90d）0.36 360青岛胶州湾海底隧道（2006～2011）P·O52.5 / ＜4×10-12（28d）0.34 360厦门地铁3号线过海区间（2016～）P.I52.5 P.II52.5＜1000c（56d）＜2×10-12（90d）0.36 360

3 提高混凝土结构耐久性的附加措施

（1）常用防腐蚀附加措施

在提高混凝土本身的自防腐蚀性能的基础上，工程中大多数还要采取一些附加的防腐措施，常用的手段有：

1）混凝土表面涂层

涂层应具有良好的耐碱性、附着性和耐蚀性；底层涂料尚应具有良好的渗透能力；表层涂料尚应具有抗老化性；

2）环氧涂层钢筋；

采用环氧涂层钢筋的混凝土，应为耐久性混凝土，可同时掺加钢筋阻锈剂。

3）钢筋阻锈剂；

阻锈剂可与高性能混凝土、环氧涂层钢筋、混凝土表面涂层等联合使用，并具有叠加保护效果。

4）聚丙烯纤维；

海洋环境下，混凝土结构保护层较厚，在养护及使用过程中易发生开裂。添加聚丙烯纤维可有效控制裂缝发展，其掺量一般介于0.6～1.5kg/m³。过高的掺量会增加混凝土拌合难度，同时纤维易打球，影响混凝土浇筑质量。

（2）工程实例分析

对国内外江底、海底隧道进行了对比分析，梳理已建工程在特定环境下的防腐措施。

工程名称相关参数施工部位防腐措施胶州湾隧道混凝土强度等级为C50，水胶比为0.32～0.33。背土侧环境类别为III-E，迎土侧环境类别为III-D。暗挖段（1）对外侧围岩进行了注浆堵水加固。（2）采用了国内最高性能的C35高性能喷射混凝土和钢格栅，加上国内首次采用的多重防腐锚杆。（3）铺设一层土工布和防水板，最后是一层防火涂料。丹麦斯托贝尔特跨海铁路隧道埋深海平面以下75m，内径7.7m，外径8.8m。（1）对预制钢筋骨架浸以环氧，形成环氧涂层。（2）在管片中布置了振弦式应变传感器和振弦式孔隙水压计测试腐蚀情况传感器。南京长江隧道管件外径14.5m，内径13.3m，与最高水位埋深约60m。混凝土为C60低水化热PI或PII型混凝土。环境等级V-D。混凝土表面涂层防护。上海打浦路隧道管片外径10m，内径8.8，最大埋深34m。（1）整个上风道内表面涂刷聚合物水泥涂料，兼有防水、耐久及外观改造。（2）管片内壁安装腐蚀速率探测器，长期监测螺栓锈蚀，并以静态电阻应变仪监测拉杆受力状态松弛过程。美国波士顿地铁双孔沉管隧道建于1896年，美国首条沉管隧道。2.5mm厚的PCS-335灰色芳香族聚脲涂层，再施加75mm厚的水泥砂浆保护层狮子洋铁路隧道盾构段长4.6km，内径9.8m，外径10.18m，最大埋深水面下64m。（1）管片混凝土外表面涂刷多功能混凝土防护剂。（2）管片混凝土中掺加改性聚丙烯纤维（掺量为1.5kg/m3），降低混凝土凝结过程中的早期收缩裂缝，并有利于结构的耐火性。南京纬三路隧道盾构段长约4km，内径13.3m，外径14.5m。管片混凝土中掺加聚丙烯纤维（掺量为1.5kg/m3），外涂水泥基渗透结晶防水涂料（1.5kg/m2）。上海长江隧道管片强度等级C60，内径13.7m，外径15.0m，江中段埋深约30m盾构段管片外侧涂刷保护膜做硅烷溶液防水处理。施做焦油氯磺化聚乙烯与焦油酸性环氧复合型涂料。对管片施做绝缘保护以防电化作用而锈蚀钢筋

对于附加防腐措施的选择以及是否采用，要依据实际工程需求，工程造价，耐腐蚀性能优劣等因素综合考虑。例如厦门翔安海底隧道和南京玄武湖隧道就只是单方面注重混凝土结构本身的耐腐蚀性能，并没有在表层施加附加的防腐措施。而丹麦海峡隧道则对钢筋进行了环氧处理并布置了腐蚀情况监测传感器。胶州湾隧道则是对支护锚杆进行了塑料套管和注浆隔离的双重技术，加强支护结构的耐腐蚀性。总体来说，由于表面涂层具有成本低，施工便利等特点，实际工程中混凝土的附加防腐蚀措施基本偏向于表面涂层的方式。