孙均.海洋环境下跨江越海隧道工程的耐久性问题研究

1海洋环境下跨江越海隧道工程的耐久性问题研究孙钧同济大学隧道与地下工程研究所上海市城建集团院士工作研究室2014年11月25日•杭州市 内容概要概述越海隧道耐久性研究的主要内容隧道衬砌结构耐久性设计要点海水物化分析实验耐腐蚀高性能海工砼的制备提高隧道结构耐久性的工程措施2 上世纪80年代中后期，美国对沿其西海岸千余座大中型预应力砼桥梁和钢桩桩基（其中的绝大多数都是在二次大战后兴建的）受海洋气候环境下，结构受腐蚀情况的调查。概述3 4与一般性的地面建（构）筑物不同，深埋于地下、水下的长大隧道工程建设，不仅投资巨大，施工工期漫长，更又是一次建成后不能日后推到重建的永久性工程。在正常良好的维护保养条件下，它的使用年限自然要求能尽可能地更长一些，但受混凝土材料历时老化和受外界海洋环境有害化学离子以及洞内车辆尾气排放的腐蚀作用，它的有效服役寿命也会受到一定的限制。 5隧道工程通常的正规使用年限，也即所谓的设计基准期，多规定为100～120年；而对跨江越海隧道工程这样极具规模的特大型地下工程言，在平日维护保养到位、不需另作“伤筋动骨”大修的情况下，初步设定它的耐久性设计使用寿命按耐久性要求如果能达到150年甚或更长，应该认为是比较合适的。即使到了设计基准期后，也不一定意味着就报废不用，但需通过大修、加固，以求尽力延续它的超期服役寿命。5 6（1）海洋环境下江海水底隧道有别于其它一般隧道的耐久性设计特点①海洋环境下江海水和海洋大气对隧道衬砌结构有害化学离子（以海盐氯离子Cl-为代表）的侵蚀作用；②海水通过海床下围岩裂隙和软弱夹层随地下水渗流达到衬砌结构外表面。在此过程中，海水与隧道上覆岩土矿物组构间可能发生物化反应，会导致海水对砼侵蚀性能的变化（进一步劣化或有所改善）； ③高水头海水水压长年累月的持续作用；④隧道衬砌结构在复杂受力状态和多重有害环境因素作用等恶劣条件下、长年持续工作；⑤因洞内外环境的限制和施工中的困难条件，使保证材料品质和施工质量的难度加大；⑥深水下海底隧道建设和运行环境恶劣并更为复杂多变，材料和结构的耐久性问题将愈益突出。77 8①以拟议建设的台海隧道为例，日后将是国内外首座最具规模的海峡隧道，如上述，其设计基准使用年限预期将在120~150年、甚至150年以上，这使耐久性设计的难度大幅增加；（2）海底隧道耐久性研究的必要性8 9②我国尚未有专门指导越海隧道建设的相应规范和技术标准，也缺乏特长大越海隧道建设的相关经验可以借鉴；③为保证隧道使用寿命，必须进行结构和防水材料的耐久性研究，要着重综合考虑各种不利环境因素的侵蚀效应，以及与砼材料自身历时老化的耦合相互作用。9 10（1）台海隧道结构影响耐久性损伤的主要因素越海隧道耐久性研究的主要内容下图所示，表明越海隧道衬砌结构的耐久性损伤是其内部材料老化与外部有害因素共同耦合作用的结果。10 11结构耐久性影响因素运营中维护保养条件内部因素外部因素侵蚀性环境结构设计不良建筑材料不佳施工质量不足设计标准过低忽视环境作用活性矿物集料施工质量缺陷海洋中氯离子混凝土不密实材料历时老化材料中过量碱车辆尾气碳化可通过优化将影响降至最低腐蚀影响因素设计本身缺陷结构耐久性影响因素电气列车接触网杂散电流11 12内部因素：结构设计不良：没有考虑环境侵蚀作用或则考虑标准较低，或者设计本身存在缺陷，不符合环境实际需求。建筑材料不佳：指混凝土材料中含有活性矿物集料（活性二氧化硅等）和过量的碱（K2O、Na2O）等，会在混凝土材料内部发生不良反应，导致结构初始损伤。施工质量不足：表现在保护层厚度不足、混凝土不密实、施工质量缺陷等，缩短了环境中具有侵蚀性的水、气等向混凝土内部的扩散时间，从而影响结构寿命。12 外部因素：侵蚀性环境因素，如车辆尾气排放中高浓度CO2、CO以及海水和海洋大气中高浓度氯离子Cl▔等。在所有因素中，如建筑材料不良、设计和施工质量不佳，有可能通过优化将这些不利影响消除或降至最低；但混凝土内部气泡和毛细管孔隙等的客观存在，将会为环境中的二氧化碳、氯离子等有害物质进入混凝土内部提供通道，使结构耐久性损伤随时间而逐渐加剧。1313 14衬砌结构的主要损伤因素：大气环境对混凝土的碳化和海水中氯离子等的侵蚀作用。衬砌结构内侧：通行汽车车辆尾气中含有的高浓度CO2和CO对结构内壁的侵蚀作用，这里，混凝土碳化是结构腐蚀的一种主要因素。14 衬砌结构外侧：虽然二次衬砌和初期支护之间有防水薄膜起一定的防水作用，但由于施工不良（易造成防水薄膜小的裂隙，防水膜局部接头处的质量缺陷，固定防水薄膜的结合钉或胶结材料处缝隙的存在等等）、防水材料质量欠佳等原因，高压海水很容易通过裂隙到达衬砌结构外表面。海水中高浓度氯离子对结构的侵蚀作用是其主要因素。1515 （2）隧道衬砌结构耐久性损伤机理在上述内、外因素的共同作用下，衬砌结构会产生钢筋锈蚀、混凝土强度降低、表面损伤（裂缝、剩落、掉块等）等劣化现象。其中，钢筋锈蚀是引起结构耐久性损伤的主要原因。钢筋锈蚀可以从两方面危及结构的耐久性能：一是锈蚀使钢筋本身有效截面积减小，强度降低；另一方面，钢筋锈蚀以后，其产生铁锈的体积是相应钢筋体积的2～4倍（锈胀），会导致保护层胀裂，从而使混凝土有效截面产生损伤、钢筋和混凝土间的黏结力下降。钢筋强度降低、混凝土结构截面损伤、以及钢筋与混凝土间黏结力的下降的共同作用结果，使截面承载能力下降，结构的耐久性能损伤。隧道衬砌结构耐久性损伤机理如下图所示。1616 衬砌结构内、外两侧影响耐久性主要因素不同，钢筋产生锈蚀的机理也不同。17结构耐久性损伤机理17 18在结构建成初期，由于混凝土中强碱性（PH>12.5）环境的存在，在钢筋表面会形成一层致密的钝化保护膜，使钢筋免受外界环境的侵蚀作用。经过一段时期，当空气中的CO2进入混凝土内部后，就会与混凝土中的碱产生化学反应生成CaCO3，使混凝土中性化、碱性降低，衬砌内侧的钢筋就会因失去钝化膜的保护作用而产生锈蚀。在衬砌结构的外侧，海水中高浓度的氯离子因扩散作用进入混凝土内部，在钢筋表面累积。当钢筋表面氯离子浓度达到临界浓度（使钢筋产生锈蚀的最高氯离子浓度）时，就会使“钝化膜”活化，从而使钢筋失去保护作用，发生锈蚀。18 19（3）隧道耐久性寿命预测根据我国《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）对结构性能的要求，从适用耐久性和安全耐久性分别建立寿命终结标准，如下图所示。适用耐久性和安全耐久性建立的寿命终结标准19 20适用耐久性标准（裂缝限值准则）：在实际工程中，隧道衬砌结构在服役若干年后，一般都会产生不同程度的裂缝，而后将处于带缝工作状态。但只要裂缝宽度不超过一定的限值，将不会危及结构的使用性能，认为结构仍然是满足适用耐久性要求的。根据越海隧道的特点和隧道建设经验，界定裂缝开展宽度达到0.15~0.2mm时，为裂缝限值准则的极限状态。20 21安全耐久性标准（安全承载准则）：衬砌结构在正常使用情况下，荷载作用的变化相对很小，可以近似视作为恒值不变；但因环境侵蚀作用，衬砌结构会发生耐久性损伤，截面承载能力（抗力）则会历时降低。在荷载、抗力的相对变化过程中，只要结构抗力不小于外界荷载作用，结构就是安全的，可以满足承载力安全耐久的要求。因此，界定结构抗力等于外界荷载作用为安全承载寿命准则的极限状态。21 22在以上两种寿命准则条件下，可据以分别对衬砌结构进行寿命预测，取两预测结果中的小者作为结构耐久寿命。显然，在此寿命期限内，结构将既能满足适用需要，又可达到安全耐久性要求。22 23（4）衬砌结构耐久性设计与其它建筑结构一样，已如上述,隧道衬砌结构也会因环境外部因素的侵蚀而产生耐久性损伤，从而影响使用寿命。这种环境损伤作用过去在传统隧道衬砌结构设计方法中都未作过定量考虑，传统的混凝土设计方法一般只考虑荷载作用对结构安全和使用性能的影响。此处，进行衬砌结构耐久性设计则需将环境侵蚀作用定量考虑于结构设计过程中，这从根本上保证和提高了结构的耐久寿命。目前，基于近似概率的耐久性极限状态设计方法已研制有相应的专用设计软件，并作了详细论述，可供参考。23 杂散电流(俗称“迷流”)的防护历来是地铁建设工程中的重大课题。杂散电流一旦大量泄露，不但会对周围地下公共环境造成严重污染，而且还会对隧道衬砌结构产生腐蚀，对工程结构造成严重威胁。杂散电流腐蚀一般具体有以下特点：(1)材料锈蚀加剧；(2)锈蚀较为集中于某些位置：(3)有防腐层存在时，锈蚀往往发生在防腐层有缺陷处。（5）隧道内行进电气列车时杂散电流对砼衬砌的腐蚀作用24 杂散电流对衬砌结构中钢筋的锈蚀在本质上是电化学腐蚀。在杂散电流作用下，混凝土各部位的电位发生不同幅度的变化，阳极部位电位趋向负值，阴极部位趋向正值。当外加电位超过临界值时，钢筋的钝化膜遭到破坏，开始发生钢筋锈蚀。钢筋表面存在氧和水气，满足腐蚀电池电解液的要求，于是混凝土中的钢筋腐蚀形成了一个电化学过程。25 ①杂散电流对地铁衬砌结构腐蚀的危害杂散电流对混凝土本身并不产生影响，但是因钢筋的存在，则钢筋起汇集电流的作用并把电流引导到排流点处。在杂散电流由混凝土汇入钢筋之处，钢筋呈阴极。如果阴极析氢而且氢气不能从混凝土内逸出，就会形成等静压力，使钢筋与混凝土脱离。如果有钾或钠的化合物存在，则电流的通过会在钢筋与混凝土的交界面处产生可溶的碱性硅酸盐或铝酸盐，使结合强度显著降低。在电流离开钢筋返回混凝土的部位，钢筋呈阳极并发生腐蚀。腐蚀产物在阳极处的堆积会以机械作用排挤混凝土而使之开裂。26 防止杂散电流腐蚀及其危害的措施是目前国内外相关人士一直致力研究的课题。如何将杂散电流腐蚀降到最低程度，首先应有严格、完善的防护杂散电流的设计，并按照规范和标准进行施工，以期防患于未然。这当然是必不可少的先期防护措施，即采用“源控制”的办法仍是电腐蚀治理的根本措施。②散杂电流的防治措施27 源控制法：提高机车牵引电压，合理设置变电所，回流走行轨降阻，增大轨道对隧道衬砌结构的过渡电阻。排流法：设计中应考虑设置合理有效的排流网装置，将回流轨中向地下泄漏的电流引回牵引变电所的负极。加掺合料：磨细矿渣和粉煤灰对地铁杂散电流腐蚀有明显的抑制作用。28 29海水物化分析试验（1）试验目的①隧道海域海水主要化学组分；②考察海水经过岩土裂隙渗透到达隧道衬砌结构外表面时其化学组分的变化，研究海水对衬砌结构实际产生的腐蚀情况。本项室内试验，是结合厦门市翔安越海隧道耐久性设计要求，在同济大学水化学实验室内完成的以下工作。29 （2）分析结果取原始海水和浸泡土样后（水土比1:5，浸泡一周）海水分析结果如下表所示：30项目Ca2+含量(mg/L)Mg2+含量(mg/L)Cl-含量(mg/L)SO42-含量(mg/L)分析方法络合滴定法络合滴定法铬酸钾指示剂容量法EDTA标准溶液滴定法原始海水370.451171.7316501.972125浸泡土样后海水387.571143.7617459.122272变化幅度增加4.6％减少2.4％增加6％增加7％海水经土样浸泡前后组分含量表30 （3）该次试验得出了以下几项成果，其与工程周近的海水相比，隧道衬砌外表面处作用的地下水在物化组分上已经有了一些变化，需在耐久性设计时关注其不同于外海海水其有害物质组分上的变化；①除Mg2+含量减少外，其余组分含量都有较大增加。经过土样浸泡后的海水有害离子含量总体呈增加趋势，对衬砌结构的侵蚀作用会加强，应当引起注意；3131 ②Cl-是影响结构耐久寿命的关键组分。经过土样浸泡后其含量有所增加，产生不利于结构耐久性的变化。为此，对围岩土样Cl-含量需再作进一步分析；③饱和土样中的Cl-含量为2302.1（mg/L）；④海水浸泡土样前后，其Cl-含量变化为957.15（mg/L）<2301.1(mg/L)。海水在围岩渗透过程中，携带了围岩中部分Cl-，导致氯离子含量增加（增加了6％），会有害于结构寿命，当引起足够重视。3232 33耐腐蚀高性能海工混凝土的制备海洋大气和海水环境是隧道衬砌钢筋混凝土所处最严峻的水文地质环境条件之一。长期受到含盐水质、生物、水中有害矿物质、高水压和围压等天然因素的持续作用，使锚杆、喷层、防水薄膜和高碱性混凝土与钢筋等材料、因物化损伤的积累与演化(腐蚀)而影响其耐久年限。第二次世界大战后的许多海工混凝土结构工程，有相当一些历时仅约35-40年，即已出现严重腐蚀而裂损破坏，是值得深思的。33 34受洞内汽车尾气CO2和CO的侵蚀,导致隧道衬砌混凝土碳化和海水与海洋大气中氯盐离子渗透引起钢筋锈蚀，是海工钢筋混凝土的主要破坏因素。大跨隧道衬砌属大偏压构件情况，且在已有初始裂纹并长期受围压作用和高水头海水持续浸泡、腐蚀作用下，高性能海工混凝土材料的优化配制，是增强其耐久性的研究热点。34 35对采用常规水泥和砂石材料配制的高性能海工混凝土言，要求实现混凝土自身的低渗透性、低宏观缺陷和高密实度，以限制海洋环境侵蚀介质的入渗，其基本途径可归结为：35 ①采用高性能优质水泥和级配良好的优质骨料；②优质掺料(磨细矿碴粉、粉煤灰、微硅粉等)，使工业废碴资源得到充分利用；③高效减水剂的使用，并尽量降低混凝土水胶比，提高混凝土的抗渗能力；④外加硅粉等胶凝性矿物掺合料，以提高混凝土的密实度；⑤水泥颗粒的解聚和粒径范围扩大，以获得较理想的微观砼结构，等等。3636 提高隧道衬砌结构耐久性的工程措施这方面的研究内容在许多撰著和文献中多有介绍，此处只择要列写其中的一些方面：（1）适当增加衬砌混凝土保护层厚度；（2）设置结构表面防护涂层使形成对有害粒子的隔离屏障，延缓向混凝土内部扩散的时间和速度；3737 （3）合理设置施工缝、伸缩缝，设置施工缝要综合考虑外界环境，尽量避开不利部位（如海水渗透量大、围岩风化程度高、软弱松散等部位）；要尽可能减少伸缩缝的数量，伸缩缝的止水设施在构造要合理、可靠；（4）采用多重防护措施，钢筋锈蚀采取阴极保护措施，在混凝土中掺加阻锈剂，并在钢筋表面使用防腐涂层等防护措施；（5）结构防排水、封闭注浆和设置防水膜等构造措施要合理可靠，避免地下入渗海水直接接触衬砌结构表面；3838 39（6）结构设计要统筹考虑结构构造、施工方案及措施，钢筋布设和细部构造等要便于施工、控制与检查工程质量；（7）选用相同材质的钢筋，以降低钢材的电化学锈蚀速度；（8）设置衬砌过渡加强段，遇软弱围岩向坚实围岩过渡区带，衬砌结构应根据围岩具体情况设置一定长度的过渡加强段（或用软弱围岩部位衬砌结构形式向两侧延伸一定长度），以保证该地段衬砌的整体承载性能、稳定性和可靠性；39 （9）设置检查、检测和维护设施，衬砌结构要预设相关设施，便于进行检查、检测和维护，尽早发现问题，加强保养维护，提高结构的耐久寿命。特别是敏感部位，如接缝、排水部位等应预留检修通道；（10）严格控制原材料质量；（11）加强工程质量控制，从混凝土浇筑、养护、拆模等各个环节入手，确保施工质量；（12）要求贯彻“预防为主，早期发现，及时维护，对症下药”的维护管理原则。4040 结束语当前，耐久性问题研究的困难，表现在：1.室内试验模拟大气环境条件的局限性。有如：1）从钢筋通电后快速锈蚀时间推算自然环境下的腐蚀时间，带有很大的随机性；2）Cl-在砼中的扩散速度等实验的精度难以保证，等等；2.结构运营期的维护保养情况是其耐久性服役寿命的重要因素，但在理论预测中这一因素很难量化；41 3.制备砼的品质和自身老化、日后维护保养条件和外界环境腐蚀三者是耦合、相互作用的；且腐蚀程度的历时发展又是高度非线性的。建立这种耦合相互作用关系，目前国内外均尚缺乏有足够理论依据的统一算法。以上三方面问题，有待有志攻关研究人员今后持续不懈的努力，做出原创性的成果。42 谢谢！43