海底隧道二衬混凝土寿命预测模型研究

林 茂

（福建省交建集团工程检测有限公司，福建 厦门 361012）

0 引言

海底隧道所处的环境条件复杂，二衬混凝土是其重要的支撑结构，目前尚无有效方法预测其寿命。因此，能否实现设计的使用年限亦无法评估，鉴于此，本文引入预测模型对混凝土寿命进行研究。通过对混凝土腐蚀机理进行研究，确定影响因素最大的变量，建立相应数学模型，预测其寿命周期，同时推荐混凝土配合比使用的材料。

1 工程概况

厦门翔安海底隧道工程是我国第一条海底隧道，“十五”重点项目，实现了我国大陆海底隧道“零”的突破，该隧道属于三孔断面式隧道，中间的隧道用作服务区域，两边的隧道则供车辆行使，左右双向六车道，隧道全长约 5 950 m，穿越海底地段总长约 4 200 m，设计行车速度为 80 km/h，隧道建筑界限净高为 5.0 m，净宽 13.5 m，采用 CRD、双侧壁等工法钻爆修建。综合翔安隧道的地理环境及其重要的政治经济地位，属于一级重要基础设施工程，设计使用年限 100 年以上，按所处的环境作用等级为 E 级（近海或海洋环境的大气区）进行设计。根据结构设计计算提出的设计要求其二次衬砌混凝土强度 C45，抗渗等级 P12，强度保证率 95 %。为了达到设计使用年限，二衬混凝土的寿命研究意义重大。

2 混凝土使用寿命

混凝土使用寿命有三个方面的含义：第一，技术服役寿命表示使用时间达到了预计的无法继续劣化的时间；第二，功能服役寿命表示结构功能太旧，不符合业主使用要求的时间；第三，经济服役寿命表示修补结构所耗费的金钱比结构更换所耗费的金钱更多的时间［1］。本文所指的混凝土使用寿命说的是技术服役寿命，也就是混凝土从建造完成起直到结构不能使用的时间。根据相关文献［2］将混凝土的使用年限分成若干个阶段，本文的划分以分析结果为依据，共含有 3 个阶段：诱导期（T1）：混凝土投入使用起至钢筋钝化膜破裂的时间；发展期（T2）：由钢筋腐蚀开始，到混凝土表面出现裂缝的时间；失效期（T3）：自混凝土出现裂缝直至剥落或混凝土失去功能的时间。其中诱导期（T1）占整个使用寿命的大部分，因此研究的主要方向在第一阶段的使用寿命。

3 混凝土使用寿命预测方法

在预测混凝土使用年限时，可以使用以下几个方法［3］。

3.1 基于经验的预测方法

这种方法属于半定量的预测方式，是建立在模拟实验、现场勘查和经验积累的基础上的。在预测过程中，需要假设混凝土的施工过程中每一项操作都符合标准，因此混凝土的使用期限必将符合预期。如果设计的寿命不长，建设环境也不算太差，那么就能达到预期寿命，如果预期寿命很长、采用了新材料或者环境条件有变化，这种方法的可信度将大大降低。

3.2 基于性能比较的预测方法

以性能为基础进行比较预测的方式认为，如果某种混凝土在某段时间内的使用时间很长，那么当处于同种环境时，类似的混凝土的使用期限将与之相似。然而因为混凝土建设时的尺寸或其他因素上必然存在一定差异，且不同环境之间的差异难以避免，所以时间越长，预测的误差就越大；特别需要指出的是，若建设时使用了不同工艺或不同种类的原材料，那么使用该方法预测出的结果必然会产生巨大偏差，特别是如果使用的材料比较新，或工艺较复杂，那么该方式的可操作性也会降低。

3.3 加速试验预测方法

加速试验表示把混凝土放入侵蚀物质浓度较高的溶液内或向混凝土施加较高的应力，并提高实验环境的湿度与温度，以便让混凝土结构在短时间内出现退化。这种实验数据如果得到合理分析，就可以实现对混凝土的使用时限与性能的预测。在进行这类实验的设计时，应该尽量保证实验里的劣化机制等同于或类似于真实环境。实验设计最关键的部分是对加速系数的确定，但是要想确定这个系数，就必须分析长期的调查数据和实际经验，然而目前并没有掌握足够的数据和资料。因此如果能够获取所需的数据依据，就可以借助加速试验方法实现有效预测混凝土使用年限的目标。

3.4 数学模型预侧方法

借助数学模型来对使用年限进行预测在实际应用当中使用率较高，这种方式是否准确由环境与材料参数是否准确、模型是否合理决定。

3.5 寿命预测的随机方法

上述方式都是确定性方式，然而在测评混凝土耐久性的工作当中，由于对其使用年限产生影响的所有因素都具备不确定性，所以任何预测方式可能产生偏差。比如，混凝土扩散系数、混凝土钢筋保护层厚度等数据属于影响的随机变量，如果将它们作为预测混凝土使用年限的依据，得到的结果必然是一个失效概率下的时间，也就是说求出来的是某个使用年限下的失效概率大小，所以在预测混凝土使用年限时，可以引进随机的概率法。

4 海底隧道混凝土使用寿命预测模型

通常钢筋混凝土结构在正常大气环境下的耐久性由钢筋保护层厚度及混凝土碳化速度决定。如果在海洋大气环境下，混凝土就不仅受到外界环境的碳化作用及相应盐雾氯离子的渗透影响，由此钢筋的耐久性和混凝土碱度、氯离子含量都有关。在海洋大气环境中氯离子在电位差的影响下长久地渗透到混凝土中，并且空气中的二氧化碳会对混凝土形成持续的碳化，在上述两者的双重作用下钢筋腐锈及破免钝速度加快，此时混凝土钢筋腐蚀的速度由混凝土孔溶液碱度及孔溶液流离氯离子含量决定。通常混凝土碱度较高时能够有效抑制氯离子含量高造成的锈蚀，混凝土碱度较低时尽管处于低含量氯离子游离状态钢筋也会腐锈，通常化学结合状态的氯离子不会造成钢筋的腐蚀，可是在混凝土碳化时化学结合态的氯离子会转换为游离态，综上所述，两者的耦合作用会加快钢筋腐蚀速度。

所以本文将［Cl-］与［OH-］定为腐蚀变量，外界的游离氯离子及混凝土碳化在海洋大气环境下就会作用在钢筋四周，对混凝土中微小的毛细孔道中的溶液造成钢筋锈蚀所产生的临界值以及经时变化的模型进行分析。假设这两个变量共同使钢筋达到脱钝化临界值如式（1）所示。

因处于阀值时氯离子渗透深度即碳化引起混凝土碱度最大时的碳化程度，氯离子渗透的混凝土钢筋腐蚀碱度阀值较大，所以含有氯离子的混凝土会出现碳化反应还未开始 CSH 值却已达到钢筋锈蚀的阀值，所以下式即为经简化的含氯离子的混凝土和钢筋锈蚀 pH 阀值相适应碳化模型，如式（2）、式（3）所示。

根据以上方程不仅能够求得具体不同碳化时间，沿混凝土保护层厚度方向的最大氯离子浓度值，同时可求得钢筋锈蚀临界状态下的氯离子阀值，基于钢筋腐蚀阀值与氢氧根浓度、氯离子浓度的关系方程，能够求得氯离子和碳化作用双重耦合下钢筋混凝土在各个保护层厚度的最大应用年限，如式（4）、式（5）所示。

式中：k为盐雾氯离子的质量流量（在混凝土表面上单位面积所沉积单位时间的）；Cf为氯离子含量（混凝土中）；Dcl-为氯离子表观扩散系数（大气条件中）。

其中，还可以进一步简化，可以简化为式（6）。

式中：Dcl-，0为饱和条件下混凝土氯离子扩散系数；f（RH）、f（T）、f（t）、f（C）所对应的是混凝土的相对湿度、周边环境温度、作用在混凝土的使用时间以及碳化深度对氯离子扩散系数影响函数，如式（7）～（9）所示。

式中：mt为对于普通混凝土可按照mt=2.5w/c-0.6 计算；对于掺工业废渣混凝土可按照mt=0.2+0.4

式中：各符号所表示的指标为（碳化深度）；E为碳化反应活化能；R为摩尔气体常数；T为自然碳化时的绝对温度；T0为293K，碳化时的绝对温度；D0CO2（ε）为碳化等因素对混凝土微观结构孔隙率影响的二氧化碳扩散系数。

5 混凝土使用寿命预测计算

根据上述分析，混凝土耐久性主要考虑其所处的环境条件，因为在盐雾环境下二氧化碳在混凝土中的扩散性能和混凝土的抗碳化能力，根据混凝土碳化与氯离子共同作用在混凝土上所建立的寿命预测数学模型，可以得到混凝土氯离子含量和相应氢氧根的浓度，这样可以求解出在海洋大气环境下，混凝土的使用寿命即为在盐雾积聚渗透及碳化两个因素共同作用下达到满足结构临界失效状态下的使用时间。查阅相关资料如果混凝土表层按 10 mm 进行计算，考虑混凝土密度按2.39 g/c m3进行计算，表层混凝土氯离子含量达到 0.35 % 时，盐雾沉积为 30 年，则每年盐雾沉积量即混凝土表面氯离子质量流量为 1.17×10-4/年；表层混凝土氯离子含量达到 0.35 % 时，盐雾沉积为 50 年，则每年盐雾沉积量即混凝土表面氯离子质量流量为 0.7×10-4/年。因为试验的盐雾浓度会对碳化速度产生相应影响，影响系数考虑按 0.95，而碳化的作用使混凝土中结合氯离子处于不稳定状态，因此不考虑氯离子结合能力不论混凝土配合比是否选择掺粉煤灰或矿渣粉。

结合之前的分析结果，选取掺粉煤灰和矿渣粉复掺配比进行分析，在相对湿度为 70 % 时的气体扩散系数与氯离子扩散系数进行分析计算，结果如表 1 所示。

表1 相对湿度（70 %）混凝土气体扩散系数计算结果

从表 1 结果分析可以得出在相同的水胶比下添加粉煤灰及矿渣粉的水泥混凝土，二氧化碳扩散系数比没有添加的小，但当水胶比较大时候添加粉煤灰及矿渣粉反而会导致 CO2扩散系数的增大；从表 2 结果分析可以得出添加粉煤灰及矿渣粉的水泥混凝土氯离子扩散系数较小，但当受到外界腐蚀后，氯离子扩散系数增长较快。可以得出在较小的水胶比条件下，添加粉煤灰及矿渣粉的水泥混凝土具有较好的耐久性能。

表2 氯离子扩散系数计算与测试结果

通过对混凝土使用寿命预测方法的分析、预测模型的选取及预测模型的计算得出：

1）结合翔安海底隧道的环境，选取基于氯离子渗透和碳化共同作用的预测模型；

2）在较小的水胶比下，添加粉煤灰及矿渣粉的水泥混凝土具有较好的耐久性。

6 海底隧道运营期管理要点

从前面研究结果表明，海底隧道耐久性与碳化深度、氯离子浓度、pH 值等有关，为了保证翔安海底隧道达到设计年限，需加强运营期间的管理，具体包括以下几点。

1）通风系统管理。选取合适的通风方式和通风机，保证隧道内气体流通，减少二氧化碳等有害气体浓度，减少有害气体对二衬混凝土的侵蚀。

2）加强排水通道的检修。地下排水通道需定期检修，避免排水不畅引起水对混凝土的侵蚀。

3）隧道防水耐久性的检查及监控。海底隧道的外界工作环境长期处在高水压的状态，周围地下水及渗透的海水会对隧道锚杆及混凝土产生较大的腐蚀作用，因此可能引发：隧道衬砌混凝土和锚杆等结构长期在高渗透海水的腐蚀作用下、周边地下水渗流场会因为隧道混凝土衬砌受高水压作用及防排水措施设计以及施工的缺陷造成改变。因此必须定期进行检查，及时发现隧道防排水异常，及时采取有效的控制措施，减少危害的产生。

7 结语

本文通过研究建立海底隧道二衬混凝土寿命预测模型，分析确定影响腐蚀变量的关键因子，对混凝土碳化及氯离子渗透作用于混凝土造成钢筋锈蚀的临界值及其经时变化模型进行分析，推算该结构的使用寿命，具有很好的意义。在混凝土配合比设计阶段充分考虑高性能耐久性的因素，同时在混凝土生产、运输、浇筑等过程进行有效控制，最后通过对运营期的有效管理，采取多方面的管理和控制措施，隧道运营效果良好，满足预期寿命的要求。当然为了实现本项目百年大计的目标，尚需持续监测工程运营过程的相关技术参数，不断优化寿命预测模型的可靠性。Q