考虑氯盐侵蚀作用下的盾构隧道结构力学特性研究

孟鹏

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430056）

0 引言

根据国内外研究数据统计，因混凝土耐久性病害而造成的工程问题非常严重［1-3］。隧道设计使用年限要求为100 年，在各项防腐措施、混凝土保护措施、钢筋保护措施的作用下，混凝土的寿命预测、力学性能研究非常重要［4，5］。对于跨海盾构隧道领域，特别是针对内部行车、外部与周围地层接触的圆形特殊结构，耐久性的研究还较少［6，7］。

国内外在耐久性方面研究通常为混凝土及钢筋材料、混凝土结构构件、混凝土的自身结构三个方向。目前国内关于材料和构件的研究已非常深入，研究了各种外界环境对混凝土材料工作性能的影响，如大气、海水、化学侵蚀等。关于结构耐久性的研究主要集中在结构耐久性的评定和寿命预测两方面，国内在该方面的研究起步较晚，研究的主要目的是解决新建钢筋混凝土结构的设计或对建成结构的耐久性评估预测。

考虑到耐久性对氯盐侵蚀环境下的隧道结构影响很大，其结构受力研究较少，因此，文中通过数值计算方法，研究隧道衬砌在氯盐侵蚀环境下全寿命周期内力学特性的变化规律，并考虑衬砌结构劣化，进行参数敏感性分析，研究衬砌结构全生命周期内的结构承载力变化特征。

1 工程概况

孟加拉卡纳普里河底隧道位于孟加拉湾入海口，隧道采用盾构法修建，为80km/h双向双洞4车道公路水下隧道。盾构段长约2450m，管片外径11.8m，管片厚度50cm，采用C50混凝土。该地区属于热带季风气候区，年降雨量充沛，雨季明显。地下水类型为潜水。主要土层为黏性土层和砂土层。

地区的水质分析如表1所示。根据地勘报告对水质的分析结果，区域场地内地表水对管片结构、钢筋在长期浸水、干湿交替条件下具弱腐蚀性。地下水中的SO42-对混凝土结构的腐蚀为弱腐蚀，侵蚀性CO2对混凝土腐蚀为强腐蚀，Cl-对隧道混凝土结构中的钢筋具有强腐蚀性。

表1 场地土体腐蚀性评价

2 盾构隧道有限元模型计算

2.1 有限元模型建立

根据地勘资料及孟加拉国河底隧道典型横断面，并考虑盾构隧道为细长平面应变结构，建立二维有限元模型进行计算。图1给出有限元模型网格。为了保证模型尽可能的反应实际工程，同时考虑数值模拟的边界效应，模型长130m，宽度70m，模型两侧约束水平位移，底部约束竖向位移。隧道管片采用线弹性梁单元模拟，同时考虑管片间的接头刚度。地层参照该项目实际土层选取典型断面，即盾构被全断面砂层包裹的情况。

图1 有限元模型

2.2 参数选取

管片采用50cm厚的C60混凝土材料，管片接头刚度按8000kN·m/rad考虑。结构参数如表2所示。

表2 结构参数

第1层为淤泥质粉质粘土，厚度5.6m；第2层为粉砂，厚度7.3m；第3层为粉细砂，厚度33m，第4层为厚层密实的粉细砂，主要矿物成份为石英、长石等，该层强度较高，力学性质较好，厚度为33.2m；第5 层为密实粉细砂，颗粒级配差，成分较均匀，厚度为11m；第六层为粉质粘土，具低压缩性，强度高，力学性质好，厚度为3m。地层参数见表3。

表3 地层参数

根据牛荻涛公式，计算可得钢筋锈胀导致混凝土保护层锈裂的临界钢筋锈蚀率为9.24%。目前的试验研究一般以到钢筋锈蚀率达到临界锈蚀率为止，其后的力学性态与锈裂前已相同，因此研究重点研究锈裂前的力学性能变化。临界锈蚀率条件下计算所得的弹性模量衰减率如表4所示。

表4 不同混凝土等级锈裂临界时弹性模量衰减率

根据计算所得临界钢筋锈蚀率，且项目选用的混凝土等级为C60，混凝土管片达到临界状态时的弹性模量衰减率为45.61%，选择弹性模量衰减率45%作为分析的最大值C60混凝土的钢筋锈蚀时间，约为41.4年。

2.3 模拟步骤

管片腐蚀劣化的模拟过程如下：

（1） 建立分析区域内的有限元模型，施加重力，进行初始地应力平衡。

（2） 通过软化弹性模量法，降低开挖区域弹性模量，应力释放系数为0.6、0.4。

（3） 激活外管片单元，模拟外管片的施工。

（4） 将开挖区域的土体单元“杀死”，模拟土体开挖。

（5） 依次降低外管片弹性模量5%，直至45%。

3 结果分析

3.1 盾构隧道在氯盐腐蚀下的管片结构内力与变形分析

按照文中的计算步骤，研究单洞隧道在未腐蚀和腐蚀后隧道变形及受力。图2给出了腐蚀前隧道的土体变形图，图3给出了腐蚀后隧道的土体变形图。

图2 隧道腐蚀前土体变形图（单位：m）

图3 隧道腐蚀后周围土体变形量绝对值等值图（单位：m）

从腐蚀前后土体及衬砌的变形和受力结果来看，腐蚀后周围土体的变形加大。腐蚀前后管片的受力结果：隧道的竖向变形从3.5cm 减小至2.1cm，衬砌顶部弯矩从586kN·m 减小至412kN·m。结果表明随着衬砌的腐蚀程度的增加，管片刚度降低，管片的劣化，衬砌的力学性能在逐渐下降。

图4给出了隧道管片最大弯矩绝对值和弹性模量衰减率关系图，可以看出，随着弹性模量衰减率的增大，管片的弯矩值逐渐减小。如图5 给出了隧道管片最大弯矩绝对值和锈蚀时间关系图，可以看出，随着锈蚀时间的增加，管片弯矩逐渐减小。图6 给出了隧道洞周竖向收敛值和锈蚀时间关系图，可以看出随着锈蚀时间的增加，隧道竖向收敛值逐渐增加。图7 给出了隧道洞周侧向收敛值和锈蚀时间关系图，可以看出，随着锈蚀时间的增加，隧道水平收敛增加速率较快。

图4 隧道管片最大弯矩绝对值和弹性模量衰减率关系

图5 隧道管片最大弯矩绝对值和锈蚀时间关系

图6 隧道洞周竖向收敛值和锈蚀时间关系

图7 隧道洞周侧向收敛值和锈蚀时间关系

由于外部荷载的作用，管片在外荷载的作用下变形类似于扁圆状，中间压扁，两侧向外突出，管片分块之间有一定转角，其中最大位移发生在管片拱顶处。随着氯离子对钢筋混凝土的腐蚀，外管片的刚度逐步降低，土体和衬砌的内力和位移发生变化。随着管片腐蚀劣化，管片的弯矩也逐步降低，位移逐渐变大。

3.2 混凝土等级对氯盐腐蚀下的盾构隧道影响

试验和相关研究都表明，混凝土等级的提高有利于提高混凝土的抗腐蚀能力，主要有两方面的原因：其一，高等级的混凝土原料，水灰比等的要求和等级都更高，而混凝土在氯盐作用下的腐蚀本质上是氯离子侵入混凝土引起钢筋锈蚀，而这些因素可以大大减缓氯离子的侵入；另一方面结构的劣化本质上是由于钢筋锈蚀膨胀后对周围混凝土产生挤压作用，产生各种裂缝，降低结构的性能，而高等级的混凝土往往有更高的强度和刚度，因此在腐蚀环境下能更为有效地抵抗结构的劣化作用。

分别对管片采用C30、C40 和C50 等级的混凝土并结合钢筋锈蚀率时程函数进行计算，计算结果如图8和图9所示。

图8 不同混凝土等级下拱顶沉降和锈蚀时间关系

图9 不同混凝土等级下拱顶沉降变化量和锈蚀时间关系

从图8 可以看出，盾构隧道在力学性能下降的情况下，顶端位移初期较为平缓，钢筋锈蚀率和弹性模量衰减率较低增长速度比较平缓，两者后期开始迅速增长。在钢筋腐蚀的早期，由于钢筋锈蚀率较低且钢筋和混凝土之间存在一定的空隙，因此对构件整体力学性能影响较小。随着对混凝土的挤压产生裂缝，钢筋的锈蚀和混凝土构件性能的下降都呈现出加速的趋势。

从图9 中可以看到，混凝土等级的提高也能够抑制顶端位移随着腐蚀推进的增长，这与我国的混凝土结构耐久性规范的规定是一致的，腐蚀环境越严重，混凝土等级的最低等级应当越高。

4 提高盾构隧道管片耐久性工艺要求

考虑到氯盐侵蚀环境下，混凝土管片的耐久性要求高，应从施工控制、浇筑、预制、连接件及质量体系的方面等严格把关，提高盾构隧道管片的耐久性，施工工艺要求如下：

（1） 严格控制混凝土搅拌及浇筑过程的用水量和用水质量，其中用水氯离子含量不超过500mg/L，硫酸盐含量（以SO42-计）不得超过2000mg/L。未经处理或检测的海水和江水严禁直接用于近海盾构隧道工程管片浇筑中。

（2） 根据混凝土相关规范及标准，严格控制浇捣过程工艺流程及质量，成型后的管片外弧面混凝土收水间隔时间以管片外弧面混凝土表面已达到初凝来控制。管片浇注成型后，在初凝前宜再次进行压面。

（3） 注重提高管片的预制技术的提高，包括钢膜控制、钢筋骨架制作、混凝土配制搅拌、成型、蒸汽养护、脱模修补、二次养护。

（4） 确保管片连接件的耐久性，包括螺栓、弹性密封垫、软木衬垫、剪力销、定位杆、二次注浆孔结构等。

（5） 建立严格的质量控制体系，确保各个环节的记录、检查、核对、验收，确保施工流程标准化，对整个浇筑体系的材料、工艺、模具、堆放、进出场、工艺等做到流程化管理。

5 结语

（1） 管片在外荷载的作用下变形类似于扁圆状，最大位移发生在管片拱顶处。随着管片腐蚀劣化，管片的弯矩也逐步降低，位移逐渐变大，水平收敛逐渐变大。

（2） 混凝土等级的升高可有效抑制管片变形，增强结构耐久性；随着对混凝土的挤压产生裂缝，钢筋的锈蚀和混凝土构件性能的下降都呈现出加速的趋势；腐蚀环境越严重，混凝土等级的最低等级应当越高。

（3） 从混凝土用水、混凝土浇筑过程、预制技术、连接件耐久性、质量控制体系等角度，提出了提高盾构隧道管片耐久性工艺。