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1、公路隧道 2 0 1 1年第 2期 总第 7 4期 隧道 结构 耐久性研 究综述 鞠 颂 山东建筑大学土木工程学院济南2 5 0 1 0 1 摘 要我国铁路隧道的修建已有十多年的历史 公路隧道正进入建设的高潮期 隧道结构的耐久性应该引起足 够的重视 从设计 施工阶段就开始考虑今后的耐久性问题 本文总结了目前隧道工程耐久性研究的成果 希望能 够 引起 广大研究及设计施 二 人员的关注和重视 关 键 词隧道结构耐久性研究成果 1 问题 的提 出 在合理的设计 施工和维修管理条件下 隧道结 构物会具有 良好 的承载性 耐久性和满足耐久性要 求的使用寿命 但如设计 施工不当或对某些潜在 的因素考虑不周
2、 或维修管理不善 就会出现劣化现 象或加速劣化的发展 从而造成结构物耐久性 的降 低或使用寿命 的缩短 最近 日本一些有识之士提 出 2 0 2 0年 的警钟 即 日本将从土建大 国变成修缮大 国 2 0 2 0年 的 结构物维护费和改建费 仅建设省就超过 2兆 日元 是今天的 3 倍 维护费用将成为 国家财政 的巨大负 担 我国铁路隧道的修建 已有 十多年 的历史 许多 隧道都已经进入高维修管理 阶段 维修费用将大幅 度的增长 这是不容忽视 的 公路 隧道正进入建设 的高潮期 应该从一开始就重视引入 少 维修 的概 念 使结构物具有符合要求的耐久性 对于隧道结构来说 由于我 国修建隧道结构
3、尤 其是 大型隧道结构 的时期较晚 还未 出现大面积的 隧道结构耐久性 问题 但 由于在修建过程 中未考虑 隧道结构的耐久性 问题 隧道结构 的耐久性问题必 将会大量出现 如早期建设的成昆铁路 自渡 口至碧 鸡关段 8 0 9 6 左右的隧道都曾返修 上海打浦路越 江 隧道 因混凝土碳化 混凝土衬砌渗流严 重而多次封 闭大修 北京 香港地铁发生迷流腐蚀导致结构裂损 加剧影响运行等 由这些事例显示的耐久性 问题 的 严重性应 当得 到足够重视 以铁路隧道为例 由于 老的铁路隧道衬砌结构绝大都采用素混凝土构筑 所 以不存在钢筋锈蚀问题 但 由于设计缺陷以及取 用的混凝土强度等级过低 隧道衬砌的裂损
4、 腐蚀和 渗漏现象非常普遍 根据 1 9 7 2 年铁道部对全国 3 0 7 0年代修建的 9 4座隧道进行的调查 有 9 3 2 9 6 的隧道混 凝土衬 砌开裂 裂 缝长 度 占隧道 长度 的 1 9 2 而 1 9 9 7年的调查表明 铁路隧道发生裂损 的数量约 占当年 隧道拥有量 的 1 0 铁道部科学 研究 院西南分院也对广州 沈 阳等铁路局所辖 的部 分隧道进行抽样调查 漏水 隧道仅 占 5 0 4 有 的 区段高达 9 4 严重漏水的约为调查数量的三分之 一 导致了铁路钢轨锈蚀 道床翻浆 电力牵引设备 漏电 从而危害正常运行 此外 由于隧道周 围地下 水中含有侵蚀性物质以及机车排
5、放废气侵蚀而导致 混凝土腐蚀 据 1 9 9 8年底统计 我国铁路隧道受腐 蚀而裂损的有 7 3 4座 占隧道总数的 1 3 2 严重 的如 7 O 年代建成的成昆铁路的某些区段 交付使用 仅 3年 就有 2 2座发生化学腐蚀 到 1 9 7 8年普查 有的腐蚀深度已达 3 0 m m以上 隧道底部隆起有的 达 3 3 0 mm 2 隧道结构 耐久性研 究现 状 2 1 国外现状 美 国 法国 德国等上世纪六十年代以来为提高 地下管道 停车场 燃料贮藏库的耐久性而进行 了系 列的研究工作 主要在材料性能和构造措施方面的 努力 日本于 1 9 9 4年寻求建立地下混凝土结构的水 密性 抗渗性 耐
6、久性评价模式 韩 国对隧道用 喷射 高性能混凝土进行了冻融循环 快速碳化和氯离子 侵蚀 以及现场暴露试验 试验结果表明高性能喷射 混凝土耐久性优于传统喷射混凝土 英 国 中国台湾 近年来对于地下水对地下工程结构的腐蚀性进行 了 研究 L o m a x 等发表了采用阴极保护系统防治氯离 子腐蚀地下 蓄水池 钢筋混 凝 土结构 的研 究成果 Mo g i l e v s k a y a 早年曾对土体流变影响地下连续墙 稳定性及耐久性 的方式进行 了研究 C l a r k e研究超 细微耐 久性 混 凝 土 在地 下 工 程 中 的应 用 Wi l 1 i e 1 5 公路隧道 2 0 1 1
7、年第 2期 总第 7 4期 Ka y总结了当前可用来提高隧道结构耐久性和服务 年限的选材 提出采用高性能混凝土衬砌 以及采取 合理的防排水措施可有效提高隧道 的耐久性 日本 曾建立雨水渗流系统对地下管线 u 型沟 的渗透性 进行 了近 2 O年的观察研究 在先进设备仪器 技术 开发方面 美国采用扫描 电镜分析材料组分反应变 化 英国伦敦地铁结构修复与补强中对碳纤维复合 材料 的应用 法国在地下工程结构灌浆施工 中采用 新技术以增加耐久性 日本开发出新 型光纤维振动 传感器用来检测 诊断工程结构的健康度 瑞士总结 了钢纤维湿喷T艺在大型地下工程中应用以增强提 高抗裂能力和耐久性 的实践经验 此外
8、 美 国从 8 O 年代开始 由能源部组织展开了对核废料及玻璃 的地 下掩埋场的隔离拱顶耐久性的系列研究 在理论研 究方面 日本从 2 O世纪 8 O年代起 在铁路隧道 水 工隧道中引入了健全度概念 对剩余 寿命进行 了评 估 获得了实质性的进展 特别是将专家系统引入结 构健全度的评定 效果很好 美国则 以结构损伤度 的概念 进行结构损伤评估方法 的研究 2 2国内现状 国内在隧道耐久性方 面研究时问不长 但却取 得了较丰富的成果 潘洪科 杨林德 等对地下结构 耐久性特有的影响因素进行 了分析 并初步提出了 耐久性评估和使用寿命预测 以及耐久性试验方案 王新刚等从工程设计 材料 施丁 养护等方
9、面提出 了裂缝控制的措施与方法 并对 既有 隧道 的混凝 土 渗漏 根据不同情况设计了有针对性的治理方案 唐 国荣分析了影响隧道混凝土结构耐久性的主要环境 因素 提出从原材料选用 混凝土配合 比设计 结 构 构造设计要求 施T质量控制 检测与维修等方面应 采取的措施 以提高混凝 土结构 的耐久性 满足设计 使用年限的要求 王鹰 魏有仪 罗健论述 了黄铁 矿 氧化形成的酸性环境以及其引发的一系列化学反应 对隧道混凝土衬砌的耐久性带来的不利影 响 利用 黄铁矿氧化形成酸性环境水 的一系列化学反应和机 理 并对隧道混凝土衬砌在酸性环境水条件下的侵 蚀过程进行 了实验室浸泡试验和理论分析 运用化 学热
10、力学对酸性环境下混凝土中不同硅酸盐矿物和 铝酸盐矿物侵蚀反应的吉布斯自由能的变化和反应 的平衡常数 计算结果表明铝酸盐抗 H 离子侵蚀 的能力 比硅酸盐差 在酸性水 中 高钙硅 比 高碱性 的水化矿物一般 比低钙硅 比 低碱性 的水化矿物稳 定性差 研究结果结合具体 的隧道工点调查 可以 为穿越含黄铁矿地层的隧道混凝土病害整治和预防 1 6 提出了针对性 的T程措施 l 磊等阐述 了混凝土裂 缝的种类 从收缩裂缝 温度裂缝 不均匀沉降裂缝 等方面论述 了裂缝 的产 生原 因 并 从 T程设计 材 料 施工 养护等方面提 f I 了裂缝控制 的措施 与方 法 然后又对既有 的混凝土裂缝 根据不
11、同情况提 出了有针对性 的治理方案 在隧道衬砌的耐久性研究方面 刘恒等结合 龙 头山隧道 的T程概况 分析 了影响隧道耐久性 的儿 个主要方面 从管理理念 设计 材料 施 T维护等埘 提高隧道耐久性的对策进行 了简要 阐述 王振信针 对盾构法隧道的耐久性 问题 综述 了混凝 土衬砌 的 腐蚀机理并提出了相应 防腐蚀措施 董必钦等探讨 了隧道T程的环境特征及作用等级 结构腐蚀原因 提m了适应地道结构近海腐蚀环境 的高性能混凝土 配制原则 性能指标 以及技术要求 赵宇辉和周晓军 分析了隧道衬砌断面 内杂散电流的分布 并根据腐 蚀开裂模型对横断面各部分耐久年 限进行 了计算 林龙镔 周宏伟针对地铁隧
12、道的杂散电流腐蚀问题 对钢纤维混凝土结构进行 了杂散 电流腐蚀试验 并 根据钢筋混凝土腐蚀破坏和钢纤维混凝土腐蚀破坏 的等效原理 建立了钢纤维混凝土在杂散 电流腐蚀 作用下的结构破坏的预测模型 杨林德 高 占学对高 速公路隧道衬砌耐久性影响因素进行 了分析 并基 于氯化物对混凝土 的侵蚀 和混凝 土碳化规律 的研 究 对公路隧道衬砌结构 的设计基准期改为 1 0 0年 后最小保护层厚度 的确定方法提 出了估算模式 对 其取值也提出了具体建议 孑 J 富学 张莉采用基于近 似概率的方法对衬砌结构进行耐久性设计 在设计 过程 中定量考虑环境侵蚀作用 使 结果更符合实际 要求 伍振志 杨林德等对隧道
13、管片结构裂缝的成 及其对管片结构耐久性 的影响进行 了分析 鉴于表 面裂缝对管片结构 的耐久性 影响具有模糊性 的特 点 分别建立了用于计算评价管片表面裂缝宽度 长 度 方 向和密度等因素对管片结构 耐久性损伤的模 糊隶属度函数 并结合某次管片静力实验裂缝观测 统计结果 根据建立 的隶属度函数对裂缝诸 大 素的 隶属度进行 了计算 以及运用最大隶属度原则对裂 缝管片结构耐久性 的影 响程 度进行 了模糊综 合评 价 杨林德 黄 嚎对拟建造在长江 口区软土地层中的 钢筋硅盾构隧道管片结构的耐久性影响因素进行 了 分析 在此基础上结合工程的环境条件 提出了基于 结构可靠度理论的钢筋硅构件耐久性失效
14、风险的计 算方法 并 以上海崇 明越江通道工程 为例 采 用蒙 特卡罗法 Mo n t e C a r l o 计算 了结构耐久性 的失 鞠颂 隧道 结构 耐 久性研 究综述 效风险 并讨论了各主要 因素对耐久性失效风险的 影响程度 从而取得 了水底隧道钢筋硅管片构件 耐 久性失效风险分析的量化指标 孙富学 梁本亮对衬 砌结构的耐久寿命影响因素进行敏感性计算 分析 和排序 并据此提出在衬砌耐久性分析时可对影响 因素区分对待 重点考虑 确保结果可靠性 在隧道防水材料性能研究方面 朱祖熹对 比了 国内外盾构 隧道的防水 防腐蚀技 术要求 措施异 同 探索尚待攻克的技术难点 展望盾构隧道防水技 术的
15、发展方 向 其在另文 中又介绍 了近年在上海地 区建设的若干重大隧道工程采用的管片接缝 防水新 构造 管片混凝上耐久性指标的检测 管片接缝防水 材料的耐久性设计等若 干创新技术 并对地下连续 墙 的实际抗渗等级与规 范规定 的矛盾 隧道联络通 道复合防水层与冻结法施工 的冲突 以及管 片背面 处理与管片单块检漏等几个值得重新认识的问题 阐 明了观点 广州市建筑集团协同同济大学地下建筑 与工程系进行 了 复杂地层 条件下管 片优化设计理 论与信息化施工技术研究 的课题研究 做了大量关 于复杂地层条件下的管片的耐久度 防水性 能等研 究工作 3 结论与展 望 隧道结构属地下空间建筑范畴 地下空 间
16、建筑 结构不同于地面建筑结构及水 中建筑结构 它们所 处 的环境不同 施工工艺不 同 工程使用特征不同 结构体系计算不同 而且耐久性影响因素也有不同 之处 因此 地下结构耐久性的研究有其特殊意义 但是地下结构耐久性 的研究历来为人们 所忽视 极 少对其展开专 门 系统 的研究 现有耐久性研究主 要集 中在地面 水工及桥梁结构方面 而对于埋置于 岩土体之下 的地下结构 的耐久性研究却鲜有涉及 究其原因 一是大型地下工程大量建设的历史较短 主要是近几十年的事 二是长期 以来人们认为地下 结构耐久性不会构成太大问题因而重视不够 于是 导致国内外现有的一些研究成果表明这方面的研究 工作也很不够 而且 比较零 散 不够深入 侧重于针 对具体工程的应用性方面的研究 涉及 的范 围主要 为地下管线 地下贮 藏室或填埋场 隧道工程 地下 腐蚀环境对钢筋混凝土的腐蚀性及耐久性水泥材料 的开发等方面 并且研究 内容仍主要局限在材料学 科方面 我国铁路 公路隧道 的总里程 已超 过 5 0 0 0 k m 是一笔重大的社会财富 因此 从设计 施工阶段就 开始考虑今后的耐久性 问题 是隧道工程技术的重 要发展
