試論地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上試論地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性試論地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性 摘 要：混凝土結(jié)構(gòu)的強度和耐久性是兩個重要的指標，然而在工程中往往只重視結(jié)構(gòu)的強度，或片面追求高強度和耐久性而忽略了結(jié)構(gòu)。本文結(jié)合地下結(jié)構(gòu)和降解機制，從材料的選擇、構(gòu)造措施和施工措施三個方面，提出了改善耐久性的地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，希望能引起設(shè)計師的關(guān)注。 關(guān)鍵詞：地鐵結(jié)構(gòu)；耐久性設(shè)計；地鐵工程 中圖分類號：K826.16 文獻標識碼：A 文章編號： 地鐵屬于城市快速軌道交通系統(tǒng)，由于它不受氣候條件約束和安全、快速運輸?shù)奶攸c，成為城市公共客運交通的骨干網(wǎng)絡(luò)。目前，除了北京、上海、天津、廣州、深圳、沈陽、南京、重慶、香港、臺北地鐵投

2、入運營，青島、武漢、長春、哈爾濱等17個城市的地鐵也正在規(guī)劃和建設(shè)中。大量的地鐵工程建設(shè)，不僅可以解決大中型城市公共交通工具問題，更成為了重要國家經(jīng)濟繁榮和社會進步的象征。 地鐵工程是不可逆的，一次性投資巨大，并且經(jīng)常穿過城市中心區(qū)域，它的耐用性要求相對于其他土木工程比較高(設(shè)計使用壽命為100年的基準)。但近年來，已建成地鐵在運營過程中出現(xiàn)一些問題，如上海浦路隧道由于滲漏嚴重而關(guān)閉維修;北京地鐵投入運營幾年后一個隧道內(nèi)管道腐蝕穿孔;香港地鐵雜散電流造成燃氣管道腐蝕穿孔，最終導致氣體泄漏事故。這些工程實例表明，長期環(huán)境影響下，地鐵結(jié)構(gòu)耐久性存在問題，地鐵的維護、維修、改造以改善其耐久性往往價格

3、昂貴。它會浪費很多錢，影響正常使用地鐵，縮短維修周期和使用壽命，嚴重時還威脅地鐵列車安全的運行。因此，地鐵結(jié)構(gòu)耐久性問題是一個非常重要和迫切需要解決的問題。 1 概念 所謂混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，是指混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計確定的環(huán)境作用和維修、使用條件下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計使用年限內(nèi)，保持其適用性和安全性的能力。由于地鐵結(jié)構(gòu)多埋置于地下，與地下水、巖土介質(zhì)緊密接觸，加之各種突發(fā)性災害等不確定性因素的影響，由此引發(fā)的各類耐久性問題越來越嚴重。另外，地鐵工程屬于城市公共軌道交通工程，投資大、建設(shè)周期長、質(zhì)量要求高，主體結(jié)構(gòu)工程設(shè)計使用年限為100年，因此，其結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計至關(guān)重要。然而長期以來，很多地鐵設(shè)計人員只

4、關(guān)注結(jié)構(gòu)的安全性和適用性，而對結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計缺乏全面認識和充分的考慮。本文旨在對地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計內(nèi)容進行梳理歸納，提出自己的探討觀點。 2 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性分析 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計可分為傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法和定量計算方法。目前，環(huán)境作用下耐久性設(shè)計的定量計算方法尚未成熟到能在工程中普遍應用的程度。在各種劣化機理的計算模型中可供使用的還只局限于定量估算鋼筋開始發(fā)生銹蝕的年限。因此，現(xiàn)行的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中仍然是傳統(tǒng)方法或是改進的傳統(tǒng)方法。近年來，傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法有很大的改進，首先是按照材料的劣化機理確定不同的環(huán)境類別，在每一類別下再按溫、濕度及其變化等不同環(huán)境條件區(qū)分環(huán)境作用等級，從而

5、更詳細地描述環(huán)境作用。其次是對不同設(shè)計使用年限的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，有不同的耐久性要求。 2.1耐久性內(nèi)涵 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是指：環(huán)境作用下，結(jié)構(gòu)在設(shè)計要求的目標使用期(設(shè)計基準期)內(nèi)，在適當?shù)木S護條件下，保持其安全、使用功能和外觀要求的能力。這里的環(huán)境是一個廣義的概念：一切引起結(jié)構(gòu)性能降級與破壞因素的綜合。因此，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性并不是僅與混凝土結(jié)構(gòu)原材料和配合比有關(guān)的一種固有特性，而是一個整體性能指標(與整個結(jié)構(gòu)有關(guān))，還取決于包括力學環(huán)境、自然環(huán)境、使用環(huán)境以及混凝土生產(chǎn)工藝過程等其他因素2。混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性應綜合考慮結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)(安全)和使用極限狀態(tài)(使用功能和外觀要求)，即在保證

6、結(jié)構(gòu)安全的前提下，經(jīng)濟合理(適當?shù)木S護資金)的使用壽命(設(shè)計基準期)。 2.2混凝土結(jié)構(gòu)的劣化機理 劣化與耐久性緊密相連，劣化就是結(jié)構(gòu)經(jīng)受環(huán)境作用所引起的性能降級與破壞。現(xiàn)代混凝土技術(shù)的發(fā)展為建筑業(yè)提供了更好的混凝土產(chǎn)品，大劑量高效減水劑及礦物摻合料的復合應用使硬化混凝土具有高密實度、高流動性和(早強)高強度，混凝土微結(jié)構(gòu)的勻質(zhì)性提高。但是水泥用量增大引起干縮和水化熱過大產(chǎn)生的溫度收縮，尤其是混凝土早期強度和彈性模量增長迅速，早期由于變形約束產(chǎn)生的拉應力明顯增大，這兩方面的原因使得混凝土在凝膠過程中產(chǎn)生大量的孔隙和微裂縫，導致整體勻質(zhì)性下降2，3。微裂縫寬度在許多時候小于規(guī)范限制0. 2mm，

7、對結(jié)構(gòu)的承載力影響不大，但是客觀上為外界侵蝕性介質(zhì)提供了運移通道。侵蝕性介質(zhì)滲入，通過一系列的物理、(電)化學作用，使得混凝土內(nèi)的組分發(fā)生溶解反應和膨脹反應，微裂縫擴展，混凝土整體勻質(zhì)性進一步惡化，侵蝕性介質(zhì)加速作用，進入惡性劣化循環(huán)，混凝土開裂、剝落，整體性喪失，直至混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效。混凝土結(jié)構(gòu)劣化是指：在“環(huán)境”的作用下，外界侵蝕性介質(zhì)進入混凝土的通道，通過一系列的物理、(電)化學作用，混凝土內(nèi)的組分發(fā)生溶解反應和膨脹反應，造成結(jié)構(gòu)性能降級與破壞。由此，提出混凝土結(jié)構(gòu)劣化模型。劣化模型強調(diào)微裂縫和孔隙是引起混凝土劣化的初因，把混凝土的損傷原因歸咎于環(huán)境作用使孔隙、裂縫擴展與連通，劣化過

8、程分為兩個階段：初級階段，混凝土內(nèi)組分及結(jié)構(gòu)無明顯損傷，但是混凝土的耐久性防護機制(1.抗?jié)B性2.提供堿性環(huán)境)開始被侵蝕性介質(zhì)突破；發(fā)展階段，隨著侵蝕性介質(zhì)的逐步積聚，混凝土內(nèi)組分及結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，開始緩慢，爾后加速。 3 地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性損傷機理 結(jié)構(gòu)的耐久性損傷指結(jié)構(gòu)性能隨時間劣化的現(xiàn)象4。地鐵工程的主體結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式和所處環(huán)境與其他建筑結(jié)構(gòu)相比有其自身的特點。很顯然，地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性損傷因素必須結(jié)合其特點進行研究。地鐵結(jié)構(gòu)是由車站結(jié)構(gòu)、區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)組成的典型地下線性結(jié)構(gòu)，本身存在大量的結(jié)構(gòu)裂縫。與大氣環(huán)境下的工業(yè)與民用建筑相比，地鐵結(jié)構(gòu)所處環(huán)境更為復雜，結(jié)構(gòu)內(nèi)部與大氣環(huán)

9、境接觸(CO2、O2)，結(jié)構(gòu)外部與巖土介質(zhì)環(huán)境緊密相連，巖土介質(zhì)的不均質(zhì)性、非線性、流變性等特點使得結(jié)構(gòu)應力狀況復雜多變，同時，地下水中通常含有不同程度的侵蝕性介質(zhì)(SO2-、Mg2+、Cl-)。地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性損傷通常導致混凝土襯砌結(jié)構(gòu)劣化開裂、剝落，鋼筋和螺栓銹蝕，隧道內(nèi)部滲漏。從地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生耐久性損傷的直接因素來看，可以將耐久性損傷因素分為結(jié)構(gòu)因素、混凝土因素、地質(zhì)因素，各因素之間交錯發(fā)展、互相影響，共同造成了地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性損傷。 3.1結(jié)構(gòu)因素 地鐵結(jié)構(gòu)在施工過程中，為了方便施工會留有施工縫，考慮溫度變化，沉降變化會預留伸縮縫和沉降縫，出入口、豎井、人防連通口、區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)、車站結(jié)構(gòu)

10、之間存在接頭，而襯砌接縫的數(shù)量更是一個巨大的數(shù)字。以上海地鐵一號線工程為例，其盾構(gòu)區(qū)間隧道襯砌環(huán)分為6塊管片，環(huán)寬900mm，環(huán)間以17根縱向螺栓連接，縱向通縫拼裝，若以每環(huán)環(huán)向接縫6處計，每長900m僅環(huán)縫就有6000處。大量的縫隙很可能成為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，雖然地鐵結(jié)構(gòu)防水措施相比其他結(jié)構(gòu)要強，但是隨著防水系統(tǒng)的老化，這些縫隙將成為結(jié)構(gòu)裂縫，嚴重危害地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性。 3.2混凝土因素 地鐵結(jié)構(gòu)混凝土襯砌往往要受到多種破壞因素的交互作用，有可能來自內(nèi)部大氣環(huán)境，也有可能來自外部巖土介質(zhì)環(huán)境的侵蝕性。埋在地下水位以下的地鐵結(jié)構(gòu)會因溶解于水中的鹽類隨地下水由外到內(nèi)緩慢的滲透到內(nèi)壁，水分不斷蒸發(fā)導

11、致鹽類發(fā)生濃縮、積聚，使原本含量不高的地下水變成具有侵蝕性；管片接縫中滲漏進來的地下水中的侵蝕性鹽類沉淀在管片表面，經(jīng)蒸發(fā)濃縮也會導致混凝土局部形成嚴重侵蝕而導致混凝土的破壞。地鐵結(jié)構(gòu)處于地表以下，溫差變化不會很大，混凝土遭受凍融破壞的可能性較小。 3.3 地鐵結(jié)構(gòu)的侵蝕機理 鋼筋和混凝土共同工作的一個很重要的因素就是混凝土呈高度堿性，鋼筋在高度堿性環(huán)境中會在表面生成一層致密的鈍化膜，使鋼筋具有良好的穩(wěn)定性。一旦混凝土開裂后，空氣中的二氧化碳等酸性氣體會擴散到混凝土內(nèi)部，通過化學反應降低混凝土的堿度，使混凝土碳化?；炷撂蓟倪M一步結(jié)果，就會破壞鋼筋表面的鈍化膜從而使鋼筋失去穩(wěn)定性，發(fā)生銹蝕。

12、 地鐵混凝土結(jié)構(gòu)埋置于地下巖土體中，還可能與地下水接觸，因而其耐久性的影響因素相對于地面結(jié)構(gòu)更具復雜性和不確定性。一方面，由于土壤及地下水中的各種離子（包括CI-、S042+、Mg2+等）的作用，化學腐蝕對鋼筋銹蝕的作用明顯。另一方面，地鐵列車采用直流電力牽引，受各種因素的影響，不可避免地存在一定的泄漏電流(也稱迷流)。地鐵迷流會對車站和區(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生電化學腐蝕，降低地鐵結(jié)構(gòu)的強度和耐久性。另外，工程所處的地質(zhì)環(huán)境特點不同，土體的流變性和固結(jié)度也有差異。由于地鐵隧道周圍環(huán)境土體、土層的不均質(zhì)性，在地鐵隧道建成后，隧道周圍土體的差異沉降會引起地鐵結(jié)構(gòu)的受荷不均，進一步引發(fā)結(jié)構(gòu)變形，

13、產(chǎn)生裂縫。同時，由于地鐵結(jié)構(gòu)多處于地下，這就給后期的觀測、模擬、試驗等工作帶來較大難度，也不利于結(jié)構(gòu)耐久性問題的及時發(fā)現(xiàn)和采取補救措施。此外，由于各地區(qū)地質(zhì)條件的差異，地鐵混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境特點不同，結(jié)構(gòu)的侵蝕機理也不盡相同。 4 地鐵結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計要點 從前面的分析可以看出，結(jié)構(gòu)的耐久性是一項綜合性能，雖然結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境條件下的破壞過程各不相同，但是對地鐵結(jié)構(gòu)來說，提高耐久性的措施有一個共同之處：控制結(jié)構(gòu)裂縫。其主要設(shè)計要點大致可從材料選擇、構(gòu)造措施和施工措施三個方面考慮。 4.1 材料選擇 地鐵車站大體積澆筑的混凝土應減小水化熱產(chǎn)生的溫度應力，地下車站頂、底板、側(cè)墻混凝土應具有較好的自防

14、水性能。因此，地鐵結(jié)構(gòu)中的水泥材料應選擇堿含量小，水化熱低，干縮性小，耐熱性、抗水性、抗腐蝕性、抗凍性等性能良好的水泥?；炷良系倪x擇應考慮其堿活性，宜使用非堿活性骨料，防止“堿骨料反應”造成的危害。還應選擇合理的級配，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的密實度。 在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于地質(zhì)條件的差異，土體環(huán)境中各種侵蝕性物質(zhì)的存在在所難免，采用高性能混凝土也是提高結(jié)構(gòu)耐久性的一種重要途徑。即采用高性能的優(yōu)質(zhì)水泥級配良好的優(yōu)質(zhì)骨料優(yōu)質(zhì)參和料和高效減水劑，并利用高效減水率盡量降低混凝土的水膠比。 4.2 構(gòu)造措施 結(jié)合地鐵結(jié)構(gòu)的自身特點，改善結(jié)構(gòu)耐久性的構(gòu)造措施主要包括： (1)地鐵的結(jié)構(gòu)形

15、式、布置應盡量保持構(gòu)件截面均勻，避免截面突變出現(xiàn)尖角、棱角，從而減小混凝土收縮應力和荷載應力的集中。 (2)考慮到地鐵結(jié)構(gòu)多為長寬比較大的長條形結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)配筋應加強縱向分布鋼筋，宜按照“細而密”的原則配置，控制混凝土的收縮裂縫。 (3)結(jié)構(gòu)構(gòu)件應按其使用環(huán)境設(shè)計其相應的混凝土保護層厚度。 (4)結(jié)構(gòu)設(shè)計應控制混凝土的裂縫寬度，預防外界介質(zhì)滲入內(nèi)部腐蝕鋼筋。 (5)地鐵結(jié)構(gòu)的節(jié)點構(gòu)造設(shè)計也應考慮構(gòu)件受局部損壞后的整體耐久能力。 (6)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形狀和構(gòu)造應有效地避免水、汽和有害物質(zhì)在混凝土表面的積聚，地鐵結(jié)構(gòu)應進行有效的防水層設(shè)計。 (7)地鐵設(shè)計中應考慮針對防迷流的設(shè)計內(nèi)容，雜散電流防

16、護一般按照“以堵為主，以排為輔，堵排結(jié)合，加強監(jiān)測”的原則設(shè)計。 4.3 施工措施 地鐵明挖結(jié)構(gòu)通常采用分段施工，有效地釋放過程中產(chǎn)生的水泥水化熱引起的溫度應力，避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度裂縫而導致鋼筋腐蝕。暴露于外環(huán)的混凝土結(jié)構(gòu)組件、緊固件、連接件和其他金屬部件，采取表面可靠的防腐措施。惡劣環(huán)境作用下合理的防腐附加措施或多個保護策略，如在具體形式的連接電阻、銹劑、防腐劑、水溶性聚合物樹脂，在混凝土構(gòu)件表面涂層或覆蓋防護材料，選擇環(huán)氧涂層鋼筋，并采取必要的措施如陰極保護。施工應嚴格考慮固化系統(tǒng)、施工維修方法、維修時間、混凝土強度等級、施工環(huán)境、組件大小和許多其他因素。 無論如何，設(shè)計師應該重視耐久性混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計思想