城市地下混凝土结构耐久性评估方法及工程应用分析

唐孟雄，陈晓斌，胡贺松，周治国

（1.广州市建筑集团有限公司，广东广州 510440；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410083；3.广州市建筑科学研究院有限公司，广东广州 510440）

0 引言

城市地下混凝土结构，如城市轨道交通地下结构，常受水分、盐分和化学物质侵蚀，导致其耐久性损失。结构耐久性评估是确保长期稳定和安全、降低维修成本和践行绿色建筑理念的重要环节，做好该工作具有重要意义（Cai et al.， 2020； Gartner et al.， 2020； 袁洋和郭伟， 2020； 刘映晶等， 2022； 莫莉和王平， 2023）。城市地下混凝土结构耐久性评估涉及到勘察、设计、施工和运营环节（Guo et al.，2018； 林宜光， 2023； 蔡渝新和刘清风， 2023； Tian et al.， 2023； 罗大明等， 2024； 夏晋等， 2024），评估方法的实用性是现场能否得到应用的重要保障。对此，近年来许多学者开展了相关研究。当前研究普遍认为影响地下结构耐久性的主要因素是碳化作用、氯离子和硫酸根离子的侵蚀（唐孟雄等，2012； 陈晓斌等， 2009），这些因素共同决定了地下建筑物的耐久性能及其在长期环境影响下的稳定性。在这些影响因素中，学者对氯离子研究关注较高，通过试验和理论系统分析了氯离子对钢筋混凝土结构造成的严重危害（Shi et al.， 2012； Boğa and Topçu， 2012； Dang et al.， 2021； 黄杨等， 2022； 陈昊翔等， 2023）。另外，部分学者从结构全寿命周期性能劣化过程出发，提出了基于钢筋锈蚀的混凝土结构耐久性极限状态，明确了典型构件的腐蚀作用等级和混凝土结构耐久性分级标准，提出了防腐蚀措施方案（唐孟雄和陈晓斌， 2010； 林政园等，2020； 罗大明和牛荻涛， 2022； 胡铖等， 2022； 胡正涛等， 2023）。为提高混凝土耐久性，学者通过试验研究了混凝土的力学性能、耐久性能和变形性能，获得了高耐久性能混凝土配合比（Youm et al.，2016； 刘庆方等， 2022； 杜继新等， 2023； 辛照东，2023），也有学者通过理论及模拟方法进行在役混凝土的表观劣化发展过程的模拟分析与评价（叶新一和李全旺， 2022； 张彦飞等， 2023； 兰素恋等，2023）。已有研究表明通过评估，可以早期发现潜在问题，如裂缝、腐蚀或其他破损，从而采取及时的维护或修复措施。混凝土结构耐久性评估是确保结构安全和长寿命的关键步骤。虽然在城市地下混凝土结构耐久性已经取得了许多研究成果，提出了针对不同环境的耐久性评估方法（李晓妮，2020； 谷慧等， 2021； 陈颖等， 2023），但是依然缺乏现场容易操作的评定方法，特别是城市轨道交通混凝土结构耐久性评估方面。

针对目前存在的不足，在调查和研究的基础上，按照技术合理、经济可行、现场容易操作的工作原则，提出一种简化的城市地下混凝土结构耐久性评估方法，包括评估程序、耐久性等级划分、耐久性调查和典型环境耐久性评估。该方法能够快速评估城市地下混凝土结构耐久性，并划分耐久性等级，为城市地下混凝土结构维修和养护提供参考。

1 耐久性评估方法

1.1 评估程序

城市轨道交通工程混凝土结构耐久性评估是一个复杂且系统的过程，其核心目标是确保结构的长期性能和安全。首先，前期调研与资料收集是基础。需要深入了解混凝土结构的设计、施工和使用历史，包括所使用的材料、施工方法、历年的维护记录等。这些资料为后续的评估提供了宝贵的参考信息。其次，现场实地检查。通过观察和记录混凝土结构的外观，找出裂缝、脱落或其他可见的损伤。这一步骤可以迅速了解结构的整体状况。接下来是非破坏性检测。采用超声波、电磁波探测等技术，对混凝土内部进行详细的检查，寻找内部裂缝、空腔或其他潜在问题。然后进行化学和机械性能测试。通过取样并在实验室进行分析，了解混凝土的成分、强度、耐久性以及是否存在潜在的腐蚀风险。最后，数据分析与报告编制。整合所有收集到的数据，进行深入的分析，确定混凝土结构的当前状况，预测其未来的性能，并提出相应的维护和修复建议。

当遇到以下情况时，必须进行耐久性评估：（1）结构达到设计使用年限但仍需继续使用；（2）主要部件出现如钢筋锈蚀或保护层裂缝损伤；（3）结构的功能或所处环境发生重大变化；（4）结构性能因时间退化需进行鉴定；（5）地下结构存在严重渗水，影响其正常功能；（6）其他任何可能影响其耐久性的情况。针对这些情况，进行评估不仅能确保结构的安全性，还能确保其长期稳定运行。评估工作流程见图1。

图1 耐久性评定工作流程Fig.1 Durability assessment workflow

图2 外观调查评估现场Fig.2 Visual inspection assessment site

图3 离子含量测试与钢筋锈蚀验证Fig.3 Ion content testing and reinforcement corrosion verification

1.2 耐久性等级划分

城市轨道交通工程混凝土结构的耐久性等级评定是确保其长期稳定和安全运营的关键。评定的依据主要包括结构的外观调查、所处的环境类别以及是否受到杂散电流腐蚀等因素的影响。在这些评定条件中，最不利的因素往往是最关键的，因为它可能暗示结构存在的最大风险。

外观调查是对混凝土结构进行直观检查，寻找裂缝、腐蚀、脱落或其他可见损伤。这一步骤可以迅速了解结构的整体状况，为后续评估提供初步信息。环境类别指的是混凝土结构所处的外部环境。例如，盐雾环境、工业排放或高湿度环境都可能加速混凝土结构的退化过程。因此，了解并评估结构所处的环境是非常重要的。杂散电流腐蚀是指由于电流的非正常路径流动导致的金属腐蚀。这种腐蚀可能会加速钢筋的退化，从而影响混凝土结构的整体性能。

按照技术合理、经济可行、现场容易操作的工作原则，耐久性等级评定依据外观调查、环境类别、杂散电流腐蚀等条件，取最不利结果，城市轨道交通工程混凝土结构耐久性等级可按表1评定。

表1 耐久性等级评定Table 1 Durability level assessment

2 耐久性调查分析

耐久性现状外观调查内容应包括外观质量、尺寸偏差、外观损伤与缺陷、构件裂缝情况、渗漏水情况等。进行外观检查时，应涵盖若干关键项目，包括：对混凝土强度的测定、保护层厚度的评估、钢筋腐蚀程度的检查。此外，根据需要，还应考虑执行环境水质分析和土壤腐蚀性的评估。可按表2评价结构耐久性外观等级。

表2 结构耐久性外观评定等级Table 2 Visual assessment level of structural durability

3 典型环境耐久性评估

3.1 碳化侵蚀环境

大气碳化腐蚀的城市轨道交通工程地下混凝土结构耐久性评估，应包括下列内容：碳化腐蚀环境指标检测、碳化腐蚀耐久性外观调查、构件和结构碳化深度检测、碳化导致钢筋锈蚀情况检测。

混凝土保护层碳化耐久性评定等级按表3划分。当碳化深度超过混凝土保护层厚度时，应该评价钢筋锈蚀风险，钢筋锈蚀风险耐久性等级可按表4划分。依据《既有混凝土结构耐久性评定标准》GB/T 51355，在碳化环境下对混凝土结构的耐久性进行评估时，建议使用几个关键指标：钢筋开始锈蚀时的耐久性裕度系数、混凝土保护层由于锈胀引起开裂的耐久性裕度系数，以及混凝土保护层因锈胀而产生裂缝宽度的耐久性裕度系数。这些指标中的最低值应用于确定整体结构的耐久性。

表3 混凝土保护层碳化耐久性评定等级Table 3 Durability assessment level for carbonation of the concrete protective layer

表4 碳化腐蚀钢筋锈蚀风险耐久性评定等级Table 4 Durability assessment level for the risk of steel corrosion due to carbonation

3.2 冻融环境评估

冻融环境作用耐久性外观调查，包括保护层厚度、表面剥落率、相对平均剥落深度，平均等级如表5所示。冻融环境作用导致钢筋锈蚀情况与锈蚀率检测，并做锈蚀情况评价。必要时主要承载构件和结构的承载性能检测，并做承载能力评价。

表5 冻融环境作用的耐久性等级Table 5 Durability level under the influence of freeze-thaw environments

3.3 氯盐腐蚀环境

氯盐环境作用的地下混凝土结构耐久性评估内容应包括：氯盐腐蚀环境指标检测、氯盐腐蚀耐久性外观调查、氯盐导致钢筋锈蚀情况与锈蚀率检测，并做锈蚀情况评价。必要时主要承载构件和结构的承载性能检测，并做承载能力评价。参考《既有混凝土结构耐久性评定标准》GB/T 51355，在考虑氯盐环境中的城市轨道交通混凝土结构耐久性极限状态时，建议采取两个关键指标进行评估：一是钢筋开始出现锈蚀的耐久性极限状态裕度系数，二是混凝土保护层由于锈胀导致的开裂的耐久性极限状态裕度系数。这两个指标中较低的一个应用于确定结构的整体耐久性评价。氯盐环境作用的城市轨道交通混凝土结构耐久性，可按表6评定耐久性等级。

表6 氯盐环境作用的耐久性评定等级Table 6 Durability assessment level under the influence of chloride environments

3.4 硫酸盐腐蚀环境

硫酸盐侵蚀环境混凝土结构耐久性极限状态，采用极限状态裕度系数进行评定，可按表7进行等级评定。参考《既有混凝土结构耐久性评定标准》GB/T 51355，计算极限状态裕度系数。

表7 硫酸盐腐蚀环境的耐久性评定等级Table 7 Durability assessment level in sulfate corrosion environments

3.5 杂散电流影响

杂散电流造成钢筋锈蚀，钢筋锈蚀膨胀导致保护层开裂剥落。杂散电流腐蚀环境耐久性病害评估。杂散电流腐蚀耐久性评估内容包括：运营环境中杂散电流强度与分布情况；电流腐蚀耐久性外观调查，包括表面剥落率、钢筋锈蚀情况与锈蚀率检测。必要时主要承载构件和结构的承载性能检测。可按表8评定耐久性等级。

表8 杂散电流腐蚀环境的耐久性评定等级Table 8 Durability assessment level in stray current corrosion environments

4 案例应用分析

4.1 案例简介

广州市某人防工程建于20世纪60年代，已经历了五十多年的时光。主隧道的深度大约在-28.5～-38.5 m，平均深度接近40 m。隧道主要穿行于砂岩、含砾的中细砂岩和粉砂质泥岩层，其中大部分岩层保持较好的完整性。在岩层裂隙较为显著区域，可以见到中细砂岩中夹杂着薄层砾岩和泥钙铁质胶结物。隧道区域还包括燕山期的变质花岗岩和岩体破碎带，以及局部的溶洞、小断层和断层破碎带。而衬砌结构完全位于地下水位线以下，因此经常处于地下水浸泡或干湿循环状态，导致其内外部湿度条件存在显著差异。该结构主要面临碳化和氯盐腐蚀环境的挑战，但并未受到冻融环境和硫酸盐腐蚀环境的影响，同时也避免了杂散电流的侵蚀。

该隧道的横截面设计为直墙半圆拱形式，其中边墙与底板是分开设计的。在地质条件较差的区域或分支口处，采用了钢筋混凝土衬砌以增强结构稳定性。隧道的主通道部分的净宽度为3 m，净高度为2.85 m，总净面积约7.8 m2。拱顶和侧壁的混凝土厚度通常在300～400 mm之间，而底板的混凝土厚度则为100 mm。自九号工程启用以来，已经进行了多次维修工作，主要针对隧道渗水问题进行注浆封堵。在进行外观检查时，重点关注了混凝土裂缝、钢筋锈蚀、地下水渗漏情况以及钢筋保护层的厚度。环境因素的调查主要集中在温度、相对湿度以及二氧化碳浓度的测定。现场的测试工作包括了混凝土碳化深度、混凝土强度（通过抽芯法）、钢筋锈蚀程度、钢筋保护层厚度、钢筋锈蚀量以及混凝土中氯离子含量的检测。

4.2 分项评估

在对主隧道进行外观检查和评估时，发现了多个问题点，包括渗水和滴水现象、抹灰溶解、墙面出现起泡、发黄和霉变等。此外，局部区域的混凝土表面出现了损坏、裂缝以及蜂窝状和麻面状现象。由于隧道的衬砌结构防水性较差，导致其长期处于干湿交替的环境中，这对其结构的耐久性产生了负面影响。隧道衬砌中存在许多裂缝，并且在某些部分，混凝土内的钢筋锈蚀情况较为严重。据观察，其表面剥落率在5%～10%之间，主要构件的尺寸偏差范围为1%～5%。根据表2中最不利的结果，结构耐久性的外观评定等级被定为Ⅳ级。

碳化侵蚀环境：碳化深度测试结果统计显示，最小碳化深度为0 mm，最大碳化深度为29 mm，相对碳化深度0.3≤d＜0.5。依据表3混凝土保护层碳化耐久性评定等级为Ⅲ级。依据《既有混凝土结构耐久性评定标准》GB/T 51355，碳化环境作用钢筋开始锈蚀极限状态耐久性裕度系数1.2＜ξd＜1.7，依据表4碳化腐蚀钢筋锈蚀风险耐久性评定等级为Ⅲ级。

氯盐腐蚀环境：在主体结构工程钻取混凝土芯样，同时打开隧道衬砌观看钢筋锈蚀外观和测试钢筋锈蚀量，采用化学滴定法测试隧道结构混凝土总氯离子含量。总氯离子含量测试结果见表9所示。所打开的部位钢筋全部已经生锈。混凝土氯离子平均含量为0.08%。

表9 氯离子含量检测结果Table 9 Test results of chloride ion content

通过电化学技术对隧道结构内的钢筋锈蚀情况进行了详细的调查。在907A出口附近的主隧道区域，钢筋的锈蚀测试结果表明，电极电位的最高值达到了-230 mV，而最低值则为-450 mV。尽管一些钢筋的锈蚀程度相对较轻，但隧道的拱顶部分的钢筋存在锈蚀现象。总体来看，这些发现指示出结构的耐久性状况存在问题。

4.3 综合评价

按照技术合理、经济可行、现场容易操作的工作原则，取最不利结果，如表10所示，该混凝土结构耐久性等级评定等级为Ⅳ级。

5 结论

（1）按照技术合理、经济可行、现场容易操作的工作原则，结合耐久性等级评定依据外观调查、环境类别、杂散电流腐蚀等条件，提出一种分项评估、综合评判的城市地下混凝土结构耐久性评估简化方法。

（2）城市地下结构中，封闭的地下空间集聚了较高的CO2浓度、相对湿度和温度，加快了地下结构耐久性破坏。该结果为加强广州市地下空间结构耐久性维护管理和新建工程决策提供了基础数据。

（3）城市地下混凝土结构耐久性评估简化方法案例分析表明，该方法得到的结果与工程实际相符，具有良好的可操作性，评价结论容易得到。预测计算结果可有效指导城市地下结构的维护。

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