隧道結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

隧道結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計第一頁，共47頁。主要內(nèi)容：一、耐久性的概念二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害三、影響隧道結(jié)構(gòu)耐久性的因素四、復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計第二頁，共47頁。瑞士辛普倫山嶺鐵路隧道（SimplonTunnel）長約20公里，1890年開始施工，第一條隧道于1906年1月開通，第二條隧道因技術(shù)上的困難和第一次世界大戰(zhàn)影響，直到1921年才開通。第三頁，共47頁。中國最早于1890年建成的獅球嶺隧道第四頁，共47頁。1903年建成的第一座長度超過3km（3078m）的隧道——興安嶺隧道（雙線斷面，1993年全面套襯混凝土襯砌，改為單線行車）第五頁，共47頁。

所謂隧道結(jié)構(gòu)耐久性，是指隧道結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下，在設(shè)計要求的目標(biāo)使用期內(nèi)，在預(yù)期的少維修、可維修、但不大修的條件下而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力。通過進(jìn)一步的分析可以發(fā)現(xiàn)，隧道結(jié)構(gòu)耐久性與其所處環(huán)境、結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)本身等諸多方面有關(guān)，同時引起隧道結(jié)構(gòu)耐久性失效的原因存在于結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工及維護的各個環(huán)節(jié)。一、隧道結(jié)構(gòu)耐久性的概念第六頁，共47頁。

一般來說，結(jié)構(gòu)物隨使用年限的增加，由于外部條件的變化和養(yǎng)護維修管理不善，結(jié)構(gòu)物會慢慢劣化，其性能要降低，此劣化程度，視各種條件有很大的差異，這種結(jié)構(gòu)物性能的歷時變化，可用下圖的劣化曲線表示，圖的橫軸表示經(jīng)歷年限，縱軸表示性能。從宏觀上把握耐久性的概念！一、隧道結(jié)構(gòu)耐久性的概念第七頁，共47頁。一、隧道結(jié)構(gòu)耐久性的概念第八頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害1、“三階段說”告訴我們進(jìn)入第二階段耐久性問題突顯：發(fā)達(dá)國家基本建設(shè)的歷史經(jīng)驗告訴我們，修建歷程大致分為三個階段：第一階段為大規(guī)模新建；第二階段為新建與維修改造并重；第三階段重點逐漸轉(zhuǎn)向既有建筑物的維修改造。第九頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害世界各國在第一階段高速發(fā)展時往往重建設(shè)輕維護，加之設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低且質(zhì)量問題也比較突出，所以當(dāng)進(jìn)入第二階段時，既有建筑物耐久性不足，維修費用猛增，問題突顯，苦不堪言。不僅橋梁、房屋等地上結(jié)構(gòu)如此，隧道結(jié)構(gòu)也不例外。部分隧道數(shù)據(jù)見下表：第十頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害各國維修費用、結(jié)構(gòu)物劣化情況國家維修費用增加情況結(jié)構(gòu)物劣化情況美國1975年由于腐蝕引起的損失達(dá)700億美元，1985年則達(dá)1680億美元，目前整個混凝土工程的價值約為6萬億美元，今后每年用于維修或重建的費用預(yù)計將高達(dá)3000億美元，在未來五年內(nèi)需投入16000億美元改善基礎(chǔ)設(shè)施的安全不良狀態(tài)。對于1950～1960年代以后才大力修建的隧道結(jié)構(gòu)來說，接近1/3的隧道在使用過程中出現(xiàn)了功能性問題和結(jié)構(gòu)損傷。第十一頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害各國維修費用、結(jié)構(gòu)物劣化情況國家維修費用增加情況結(jié)構(gòu)物劣化情況日本日本預(yù)計結(jié)構(gòu)物維護費和改建費僅建設(shè)省就超過2兆億日元，是2003年的3倍，維護費用將成為日本財政的巨大負(fù)擔(dān)。日本建設(shè)省對全國3529座公路隧道檢查，發(fā)現(xiàn)60％以上的隧道都存在著不同程度的病害。鐵路隧道病害也相當(dāng)嚴(yán)重，其中高速鐵路隧道曾相繼發(fā)生三起掉塊事件。第十二頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害各國維修費用、結(jié)構(gòu)物劣化情況國家維修費用增加情況結(jié)構(gòu)物劣化情況中國

據(jù)成都鐵路局統(tǒng)計，目前鐵路隧道每年維修費用需求量達(dá)5億元人民幣左右，但可悲的是僅能到位1億元人民幣，依然維持著“癌癥療法”，預(yù)計今后增長速度驚人。1997年鐵路隧道技術(shù)狀態(tài)檢查統(tǒng)計：既有隧道5000余座，總延長2500km左右，大部分存在不同程度的病害，有的還相當(dāng)嚴(yán)重，失格隧道3270座，占隧道總數(shù)的65％。其中嚴(yán)重漏水的1502座，占失格隧道的46％；嚴(yán)重腐蝕裂損的710座，占22％；仰拱或鋪底變形損壞的318座，占9.8％；坍拱掉塊的404座，占12.4％。1998年底統(tǒng)計：鐵路隧道受腐蝕而裂損的有734座，占隧道總數(shù)的23.2％。第十三頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害內(nèi)昆鐵路手扒巖隧道部分隧道病害實例如圖：第十四頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害內(nèi)昆鐵路手扒巖隧道第十五頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害關(guān)興公路龐家寨隧道第十六頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害關(guān)興公路蛇形坡隧道第十七頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害成渝高速公路宋家溝一號隧道第十八頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害成渝高速公路中梁山隧道第十九頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害成渝高速公路中梁山隧道第二十頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害成渝高速公路中梁山隧道第二十一頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害東北林區(qū)鐵路隧道第二十二頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害新疆穿越天山的獨庫公路二號隧道（玉希莫勒蓋）第二十三頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害目前，我國鐵路隧道既有4200多公里，在建4700多公里，擬建5000多公里，開始進(jìn)入第二階段。耐久性嚴(yán)重不足，安全事故時有發(fā)生，維修費用不斷增長，百年大計成為一句空談。到了該解決耐久性問題的時候了！第二十四頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害2、“5倍定律”告訴我們?nèi)绾巫觯簢鈱W(xué)者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的重要性，即設(shè)計階段對鋼筋防護方面少花1美元，那么就意味著：發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕時再采取措施將追加維修費5元；到混凝土表面順筋開裂時再采取措施將追加維修費25美元；到嚴(yán)重破壞時再采取措施將追加維修費125美元。第二十五頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害從結(jié)構(gòu)壽命階段的源頭抓起，越早越好：提高設(shè)計水平和標(biāo)準(zhǔn)控制施工質(zhì)量早期維護第二十六頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害3、“為時未晚說”隧道數(shù)量第一階段第二階段第三階段中國鐵路隧道第二十七頁，共47頁。二、不重視耐久性設(shè)計引起的工程病害前車之鑒告誡我們不要重蹈覆轍，亡羊補牢，為時未晚。搶救已進(jìn)入維修期的既有隧道的后期維修養(yǎng)護；抓好未進(jìn)入維修期的新建隧道的早期維修養(yǎng)護；狠抓在建隧道的施工質(zhì)量和運營期的早期維護；對擬建隧道從頭抓起：適當(dāng)提高設(shè)計基準(zhǔn)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量強化早期維修養(yǎng)護——開展全壽命期的耐久性設(shè)計。功在當(dāng)代，利在千秋。留下遺產(chǎn)，不留遺憾！第二十八頁，共47頁。三、影響隧道結(jié)構(gòu)耐久性的因素

影響高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素就是結(jié)構(gòu)物所處的環(huán)境，《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定》（鐵建設(shè)[2005]157號）把混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別概況為：

碳化環(huán)境、氯鹽環(huán)境、化學(xué)侵蝕環(huán)境、凍融破壞環(huán)境和磨蝕環(huán)境。對于高速鐵路隧道，一般不考慮磨蝕環(huán)境。第二十九頁，共47頁。三、影響隧道結(jié)構(gòu)耐久性的因素碳化環(huán)境環(huán)境作用等級環(huán)境條件特征T1室內(nèi)年平均相對濕度＜60%長期在水下（不包括海水）或土中T2室外環(huán)境室內(nèi)年平均相對濕度≥60%T3水位變動區(qū)干濕交替第三十頁，共47頁。三、影響隧道結(jié)構(gòu)耐久性的因素氯鹽環(huán)境環(huán)境作用等級環(huán)境條件特征L1長期在海水水下區(qū)離平均水位15m以上的海上大氣區(qū)離漲潮岸線100～300m的陸上近海區(qū)L2離平均水位15m以內(nèi)的海上大氣區(qū)離漲潮岸線100m以內(nèi)的陸上近海區(qū)海水潮汐區(qū)或浪濺區(qū)（非炎熱地區(qū)）L3海水潮汐區(qū)或浪濺區(qū)（南方炎熱地區(qū)）鹽漬土地區(qū)露出地表的毛細(xì)吸附區(qū)遭受氯鹽冷凍液和氯鹽化冰鹽侵蝕部位第三十一頁，共47頁。三、影響隧道結(jié)構(gòu)耐久性的因素化學(xué)侵蝕環(huán)境化學(xué)侵蝕類型環(huán)境作用等級H1H2H3H4硫酸鹽侵蝕環(huán)境水中SO42-含量（mg/L）≥200≤600＞600≤3000＞3000≤6000＞6000強透水性環(huán)境土中SO42-含量（mg/kg）≥2000≤3000＞3000≤12000＞12000≤24000＞24000弱透水性環(huán)境土中SO42-含量（mg/kg）≥3000≤12000＞12000≤24000＞24000—鹽類結(jié)晶侵蝕環(huán)境土中SO42-含量（mg/kg）—≥2000≤3000＞3000≤12000＞12000酸性侵蝕環(huán)境水中PH值≤6.5≥5.5＜5.5≥4.5＜4.5≥4.0—二氧化碳侵蝕環(huán)境水中侵蝕性CO2含量（mg/L）≥15≤40＞40≤100＞100—鎂鹽侵蝕環(huán)境水中Mg2+含量（mg/L）≥300≤1000＞1000≤3000＞3000—第三十二頁，共47頁。三、影響隧道結(jié)構(gòu)耐久性的因素凍融破壞環(huán)境環(huán)境作用等級環(huán)境條件特征D1微凍地區(qū)+頻繁接觸水D2微凍地區(qū)+水位變動區(qū)嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)+頻繁接觸水微凍地區(qū)+氯鹽環(huán)境+頻繁接觸水D3嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)+水位變動區(qū)微凍地區(qū)+氯鹽環(huán)境+水位變動區(qū)嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)+氯鹽環(huán)境+頻繁接觸水D4嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)+氯鹽環(huán)境+水位變動區(qū)第三十三頁，共47頁。

除了環(huán)境因素對高速鐵路隧道耐久性影響以外，空氣壓縮波以及列車振動作用也是對其影響的主要因素。有初始裂紋的襯砌結(jié)構(gòu)，在氣動壓力波正壓、負(fù)壓的反復(fù)作用下，襯砌結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生疲勞，裂紋不斷擴展，直到斷裂破壞；同時，襯砌結(jié)構(gòu)底部在列車振動荷載的作用下，也容易出現(xiàn)疲勞性破壞。三、影響隧道結(jié)構(gòu)耐久性的因素第三十四頁，共47頁。以日本一座隧道的混凝土掉塊事故來加以分析說明：三、影響隧道結(jié)構(gòu)耐久性的因素第三十五頁，共47頁。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，外部原因中否定了地壓、水壓作用、地震、接近施工、凍脹壓力的影響。關(guān)于列車振動和空氣壓變動，在事故發(fā)生地點，對列車走行時襯砌混凝土的動態(tài)進(jìn)行了量測，其結(jié)果如下。

·列車振動：最大0.3kine（襯砌表面切線方向）；最大0.1kine（襯砌表面法向方向）；

·空氣壓變動：最大6kPa（列車尾部通過時的壓力下降）

·應(yīng)變：最大12μ（襯砌表面切線方向）；三、影響隧道結(jié)構(gòu)耐久性的因素第三十六頁，共47頁。一般說，使襯砌開裂的振動速度是20~30kine，使混凝土開裂的拉應(yīng)變一般是200μ左右，因此列車振動、空氣壓變動、應(yīng)變不會成為剝落的主要原因。但是，空氣壓變動和列車振動的反復(fù)作用，對開裂的發(fā)展是有影響的。因此，進(jìn)行了空氣壓反復(fù)變動影響的試驗。三、影響隧道結(jié)構(gòu)耐久性的因素第三十七頁，共47頁。

空氣壓反復(fù)變動影響的試驗結(jié)果是：

·隨著荷載的反復(fù)作用，開裂的端部的混凝土發(fā)生疲勞，微細(xì)的開裂徐徐發(fā)生；

·最終是開裂急劇發(fā)展而剝落；

·開裂的深度越深，在少許的反復(fù)次數(shù)就破壞了。根據(jù)這個結(jié)果，預(yù)計實際的剝落形狀、荷載的形態(tài)、荷載的水平（5kPa），反復(fù)次數(shù)（剝落發(fā)生預(yù)計120萬次），認(rèn)為疲勞破壞是造成剝落的可能性的主要原因。三、影響隧道結(jié)構(gòu)耐久性的因素第三十八頁，共47頁。

另外，高速鐵路隧道是修建在自然地層中的一種地下結(jié)構(gòu)物，在其使用過程中，作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的外力不斷演變，有時會產(chǎn)生預(yù)料不到的外力，這也是影響隧道結(jié)構(gòu)耐久性的一個重要因素，在耐久性設(shè)計中應(yīng)引起足夠重視。三、影響隧道結(jié)構(gòu)耐久性的因素第三十九頁，共47頁。四、復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

在目前我國的高速鐵路隧道中，支護結(jié)構(gòu)多數(shù)都采用復(fù)合式襯砌，復(fù)合式襯砌包括初期支護和二次襯砌兩部分，所以在隧道結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計中，要分別考慮初期支護和二次襯砌的耐久性。在復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計中，要包括以下主要內(nèi)容：·明確混凝土結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境類別與環(huán)境作用等級；·提出混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限；·設(shè)計與結(jié)構(gòu)耐久性有關(guān)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施；第四十頁，共47頁?！ぬ岢龌炷猎牧掀焚|(zhì)要求、配合比主要參數(shù)及耐久性的具體指標(biāo)；·提出確?；炷聊途眯缘氖┕べ|(zhì)量關(guān)鍵控制要求與措施；·確定鋼筋混凝土保護層厚度；·提出對結(jié)構(gòu)應(yīng)采取的防腐蝕附加措施；·明確結(jié)構(gòu)使用過程中的檢測、養(yǎng)護、維修或局部更換的要求。四、復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計第四十一頁，共47頁。初期支護的耐久性對于鐵路隧道結(jié)構(gòu)來說，初期支護一般包括噴混凝土、錨桿、鋼架等，所以對每一種支護措施都應(yīng)進(jìn)行耐久性設(shè)計。（一）噴混凝土

1在腐蝕性嚴(yán)重的場合，噴混凝土的強度等級應(yīng)不應(yīng)低于二次襯砌混凝土的強度等級；

2噴混凝土的強度要滿足長期強度（28d）的要求，且1d的抗壓強度不宜小于10MPa。（二）錨桿錨桿宜采用全長灌漿式錨桿，并應(yīng)設(shè)置墊板。在腐蝕性環(huán)境中，應(yīng)采用防腐蝕的灌漿材料或者采用耐腐蝕的纖維錨桿。（三）鋼架噴混凝土內(nèi)設(shè)置的鋼架靠圍巖側(cè)的保護層厚度不小于40mm，靠另一側(cè)不小于30mm。四、復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計第四十二頁，共47頁。二次襯砌的耐久性鐵路隧道的二次襯砌基本上是由混凝土或鋼筋混凝土材料構(gòu)成的，因此二次襯砌的耐久性問題歸根到底還是混凝土的耐久性問題?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性按學(xué)科及影響因素可分為：材料學(xué)科和結(jié)構(gòu)工程學(xué)科，具體見下圖。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究分類四、復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計第四十三頁，共47頁。