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1、隧道结构耐久性设计主讲老师：张俊儒,主要内容： 一、耐久性的概念 二、不重视耐久性设计引起的工程病害 三、影响隧道结构耐久性的因素 四、复合式衬砌结构的耐久性设计,瑞士辛普伦山岭铁路隧道 （Simplon Tunnel）,长约20公里，1890年开始施工，第一条隧道于1906年1月开通，第二条隧道因技术上的困难和第一次世界大战影响，直到1921年才开通。,中国最早于1890年建成的狮球岭隧道,1903年建成的第一座长度超过3km（3078m）的隧道 兴安岭隧道（双线断面，1993年全面套衬混凝土衬砌，改为单线行车）,所谓隧道结构耐久性，是指隧道结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在
2、设计要求的目标使用期内，在预期的少维修、可维修、但不大修的条件下而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。通过进一步的分析可以发现，隧道结构耐久性与其所处环境、结构材料和结构本身等诸多方面有关，同时引起隧道结构耐久性失效的原因存在于结构的设计、施工及维护的各个环节。,一、隧道结构耐久性的概念,一般来说，结构物随使用年限的增加，由于外部条件的变化和养护维修管理不善，结构物会慢慢劣化，其性能要降低，此劣化程度，视各种条件有很大的差异，这种结构物性能的历时变化，可用下图的劣化曲线表示，图的横轴表示经历年限，纵轴表示性能。从宏观上把握耐久性的概念！,一、隧道结构耐久性的概念,一、隧道结构耐久性的概念,二
3、、不重视耐久性设计引起的工程病害,1、“三阶段说”告诉我们进入第二阶段耐久性问题突显：,发达国家基本建设的历史经验告诉我们，修建历程大致分为三个阶段： 第一阶段为大规模新建； 第二阶段为新建与维修改造并重； 第三阶段重点逐渐转向既有建筑物的维修改造。,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,世界各国在第一阶段高速发展时往往重建设轻维护，加之设计标准低且质量问题也比较突出，所以当进入第二阶段时，既有建筑物耐久性不足，维修费用猛增，问题突显，苦不堪言。 不仅桥梁、房屋等地上结构如此，隧道结构也不例外。部分隧道数据见下表：,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,各国维修费用、结构物劣化情况,二、不重视耐久
4、性设计引起的工程病害,各国维修费用、结构物劣化情况,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,各国维修费用、结构物劣化情况,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,内昆铁路手扒岩隧道,部分隧道病害实例如图：,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,内昆铁路手扒岩隧道,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,关兴公路庞家寨隧道,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,关兴公路蛇形坡隧道,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,成渝高速公路宋家沟一号隧道,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,成渝高速公路中梁山隧道,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,成渝高速公路中梁山隧道,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,成渝高速公路中
5、梁山隧道,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,东北林区铁路隧道,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,新疆穿越天山的独库公路二号隧道（玉希莫勒盖）,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,目前，我国铁路隧道既有4200多公里，在建4700多公里，拟建5000多公里，开始进入第二阶段。 耐久性严重不足，安全事故时有发生，维修费用不断增长，百年大计成为一句空谈。到了该解决耐久性问题的时候了！,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,2、“5倍定律”告诉我们如何做：,国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性，即设计阶段对钢筋防护方面少花1美元，那么就意味着： 发现钢筋锈蚀时再采取措施将
6、追加维修费5元； 到混凝土表面顺筋开裂时再采取措施将追加维修费25美 元； 到严重破坏时再采取措施将追加维修费125美元。,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,从结构寿命阶段的源头抓起，越早越好：,提高设计水平和标准控制施工质量早期维护,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,3、“为时未晚说”,隧 道 数 量,第一阶段,第二阶段,第三阶段,中国铁路隧道,二、不重视耐久性设计引起的工程病害,前车之鉴告诫我们不要重蹈覆辙，亡羊补牢，为时未晚。,抢救已进入维修期的既有隧道的后期维修养护； 抓好未进入维修期的新建隧道的早期维修养护； 狠抓在建隧道的施工质量和运营期的早期维护； 对拟建隧道从头抓起： 适当
7、提高设计基准严格控制施工质量强化早期维修养护开展全寿命期的耐久性设计。,功在当代，利在千秋。留下遗产，不留遗憾！,三、影响隧道结构耐久性的因素,影响高速铁路隧道结构耐久性的主要因素就是结构物所处的环境，铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定（铁建设2005157号）把混凝土结构所处的环境类别概况为：碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、冻融破坏环境和磨蚀环境。对于高速铁路隧道，一般不考虑磨蚀环境。,三、影响隧道结构耐久性的因素,碳化环境,三、影响隧道结构耐久性的因素,氯盐环境,三、影响隧道结构耐久性的因素,化学侵蚀环境,三、影响隧道结构耐久性的因素,冻融破坏环境,除了环境因素对高速铁路隧道耐久性影响以外
8、，空气压缩波以及列车振动作用也是对其影响的主要因素。有初始裂纹的衬砌结构，在气动压力波正压、负压的反复作用下，衬砌结构将产生疲劳，裂纹不断扩展，直到断裂破坏；同时，衬砌结构底部在列车振动荷载的作用下，也容易出现疲劳性破坏。,三、影响隧道结构耐久性的因素,以日本一座隧道的混凝土掉块事故来加以分析说明：,三、影响隧道结构耐久性的因素,根据调查结果，外部原因中否定了地压、水压作用、地震、接近施工、冻胀压力的影响。关于列车振动和空气压变动，在事故发生地点，对列车走行时衬砌混凝土的动态进行了量测，其结果如下。列车振动：最大0.3kine（衬砌表面切线方向）；最大0.1kine（衬砌表面法向方向）；空气压
9、变动：最大6kPa（列车尾部通过时的压力下降）应变：最大12（衬砌表面切线方向）；,三、影响隧道结构耐久性的因素,一般说，使衬砌开裂的振动速度是2030kine，使混凝土开裂的拉应变一般是200左右，因此列车振动、空气压变动、应变不会成为剥落的主要原因。但是，空气压变动和列车振动的反复作用，对开裂的发展是有影响的。因此，进行了空气压反复变动影响的试验。,三、影响隧道结构耐久性的因素,空气压反复变动影响的试验结果是：随着荷载的反复作用，开裂的端部的混凝土发生疲劳，微细的开裂徐徐发生；最终是开裂急剧发展而剥落；开裂的深度越深，在少许的反复次数就破坏了。 根据这个结果，预计实际的剥落形状、荷载的形态
10、、荷载的水平（5kPa），反复次数（剥落发生预计120万次），认为疲劳破坏是造成剥落的可能性的主要原因。,三、影响隧道结构耐久性的因素,另外，高速铁路隧道是修建在自然地层中的一种地下结构物，在其使用过程中，作用于衬砌结构上的外力不断演变，有时会产生预料不到的外力，这也是影响隧道结构耐久性的一个重要因素，在耐久性设计中应引起足够重视。,三、影响隧道结构耐久性的因素,四、复合式衬砌结构耐久性设计,在目前我国的高速铁路隧道中，支护结构多数都采用复合式衬砌，复合式衬砌包括初期支护和二次衬砌两部分，所以在隧道结构耐久性设计中，要分别考虑初期支护和二次衬砌的耐久性。在复合式衬砌结构耐久性设计中，要包括以下
11、主要内容： 明确混凝土结构的使用环境类别与环境作用等级； 提出混凝土结构的设计使用年限； 设计与结构耐久性有关的结构构造措施；,提出混凝土原材料品质要求、配合比主要参数及耐久性的具体指标； 提出确保混凝土耐久性的施工质量关键控制要求与措施； 确定钢筋混凝土保护层厚度； 提出对结构应采取的防腐蚀附加措施； 明确结构使用过程中的检测、养护、维修或局部更换的要求。,四、复合式衬砌结构耐久性设计,初期支护的耐久性对于铁路隧道结构来说，初期支护一般包括喷混凝土、锚杆、钢架等，所以对每一种支护措施都应进行耐久性设计。 （一） 喷混凝土1 在腐蚀性严重的场合，喷混凝土的强度等级应不应低于二次衬砌混凝土的强度
12、等级；2 喷混凝土的强度要满足长期强度（28d）的要求，且1d的抗压强度不宜小于10MPa。 （二）锚杆锚杆宜采用全长灌浆式锚杆，并应设置垫板。在腐蚀性环境中，应采用防腐蚀的灌浆材料或者采用耐腐蚀的纤维锚杆。 （三）钢架喷混凝土内设置的钢架靠围岩侧的保护层厚度不小于40mm，靠另一侧不小于30mm。,四、复合式衬砌结构耐久性设计,二次衬砌的耐久性铁路隧道的二次衬砌基本上是由混凝土或钢筋混凝土材料构成的，因此二次衬砌的耐久性问题归根到底还是混凝土的耐久性问题。混凝土结构耐久性按学科及影响因素可分为：材料学科和结构工程学科，具体见下图 。,混凝土结构耐久性研究分类,四、复合式衬砌结构耐久性设计,从
13、图中可以看出，对混凝土材料产生影响的主要因素有：钢筋锈蚀、冻融循环、碱骨料反应、化学作用和混凝土配比，以及物理、化学和生化过程和环境侵蚀等，所以，材料学科对混凝土结构耐久性研究的目的主要在于解决混凝土结构设计、施工、和使用维修中的构造措施，如设计中的防水、裂缝限制指标、施工中的水灰比大小、外加剂类型、使用维修中的补强措施等。,四、复合式衬砌结构耐久性设计,结构工程学科对混凝土结构耐久性研究分为抗力与荷载变化的研究，抗力变化的研究与材料学科的研究应协调一致，荷载变化的研究是结构工程学科独有的对混凝土结构耐久性研究方法，所以，结构工程学科对混凝土结构耐久性研究的目的主要在于解决新建混凝土结构设计中
14、的耐久性计算和已建混凝土结构的耐久性评估问题，同时对于不同耐久性等级的混凝土结构给出不同的构造措施（如不同的钢筋用量和混凝土保护层厚度等），在保证混凝土结构可靠、耐久的前提下，使工程造价降到最低 。,四、复合式衬砌结构耐久性设计,复合式衬砌结构耐久性设计原则及方法高速铁路隧道复合式衬砌的结构耐久性设计应考虑环境因素的影响，分别进行设计。当环境对衬砌结构侵蚀作用很小或无侵蚀作用时，可考虑初期支护和二次衬砌共同承担荷载；当环境对衬砌结构的侵蚀作用明显时，可不考虑初期支护的长期耐久性，只在构造上采取一些综合措施进行防范，而二次衬砌考虑全部承担荷载。,四、复合式衬砌结构耐久性设计,谢 谢 大 家！,西南交通大学 Southwest jiaotong university,
