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(qiáng)度和耐久性是兩個(gè)重要的指標(biāo)，然而在工程中往往只重視結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，或片面追求高強(qiáng)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(jī)制，從材料的選擇、構(gòu)造措施和施工措施三個(gè)方面，提出了改善耐久性的地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能引起設(shè)計(jì)師的關(guān)注。 關(guān)鍵詞：地鐵結(jié)構(gòu)；耐久性設(shè)計(jì)；地鐵工程 中圖分類號(hào)：K826.16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 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(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，成為城市公共客運(yùn)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(yáng)、南京、重慶、香港、臺(tái)北地鐵投

2、入運(yùn)營(yíng)，青島、武漢、長(zhǎng)春、哈爾濱等17個(gè)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(wèn)題，更成為了重要國(guó)家經(jīng)濟(jì)繁榮和社會(huì)進(jìn)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(guò)城市中心區(qū)域，它的耐用性要求相對(duì)于其他土木工程比較高(設(shè)計(jì)使用壽命為100年的基準(zhǔn))。但近年來(lái)，已建成地鐵在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)一些問(wèn)題，如上海浦路隧道由于滲漏嚴(yán)重而關(guān)閉維修;北京地鐵投入運(yùn)營(yíng)幾年后一個(gè)隧道內(nèi)管道腐蝕穿孔;香港地鐵雜散電流造成燃?xì)夤艿栏g穿孔，最終導(dǎo)致氣體泄漏事故。這些工程實(shí)例表明，長(zhǎng)期環(huán)境影響下，地鐵結(jié)構(gòu)耐久性存在問(wèn)題，地鐵的維護(hù)、維修、改造以改善其耐久性往往價(jià)格

3、昂貴。它會(huì)浪費(fèi)很多錢(qián)，影響正常使用地鐵，縮短維修周期和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還威脅地鐵列車(chē)安全的運(yùn)行。因此，地鐵結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題是一個(gè)非常重要和迫切需要解決的問(wèn)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(jì)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(jì)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(zāi)害等不確定性因素的影響，由此引發(fā)的各類耐久性問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)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(zhǎng)、質(zhì)量要求高，主體結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)使用年限為100年，因此，其結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。然而長(zhǎng)期以來(lái)，很多地鐵設(shè)計(jì)人員只

4、關(guān)注結(jié)構(gòu)的安全性和適用性，而對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)缺乏全面認(rèn)識(shí)和充分的考慮。本文旨在對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行梳理歸納，提出自己的探討觀點(diǎn)。 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(jì)可分為傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法和定量計(jì)算方法。目前，環(huán)境作用下耐久性設(shè)計(jì)的定量計(jì)算方法尚未成熟到能在工程中普遍應(yīng)用的程度。在各種劣化機(jī)理的計(jì)算模型中可供使用的還只局限于定量估算鋼筋開(kāi)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(jì)規(guī)范中仍然是傳統(tǒng)方法或是改進(jìn)的傳統(tǒng)方法。近年來(lái)，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法有很大的改進(jìn)，首先是按照材料的劣化機(jī)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(jí)，從而

5、更詳細(xì)地描述環(huán)境作用。其次是對(duì)不同設(shè)計(jì)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(jì)要求的目標(biāo)使用期(設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期)內(nèi)，在適當(dāng)?shù)木S護(hù)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(gè)廣義的概念：一切引起結(jié)構(gòu)性能降級(jí)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(gè)整體性能指標(biāo)(與整個(gè)結(jié)構(gòu)有關(guān))，還取決于包括力學(xué)環(huán)境、自然環(huán)境、使用環(huán)境以及混凝土生產(chǎn)工藝過(guò)程等其他因素2?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性應(yīng)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(jì)合理(適當(dāng)?shù)木S護(hù)資金)的使用壽命(設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期)。 2.2混凝土結(jié)構(gòu)的劣化機(jī)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(jí)與破壞?，F(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(fù)合應(yīng)用使硬化混凝土具有高密實(shí)度、高流動(dòng)性和(早強(qiáng))高強(qiáng)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(guò)大產(chǎn)生的溫度收縮，尤其是混凝土早期強(qiáng)度和彈性模量增長(zhǎng)迅速，早期由于變形約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力明顯增大，這兩方面的原因使得混凝土在凝膠過(guò)程中產(chǎn)生大量的孔隙和微裂縫，導(dǎo)致整體勻質(zhì)性下降2，3。微裂縫寬度在許多時(shí)候小于規(guī)范限制0. 2mm，

7、對(duì)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(yùn)移通道。侵蝕性介質(zhì)滲入，通過(guò)一系列的物理、(電)化學(xué)作用，使得混凝土內(nèi)的組分發(fā)生溶解反應(yīng)和膨脹反應(yīng)，微裂縫擴(kuò)展，混凝土整體勻質(zhì)性進(jìn)一步惡化，侵蝕性介質(zhì)加速作用，進(jìn)入惡性劣化循環(huán)，混凝土開(kāi)裂、剝落，整體性喪失，直至混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效?；炷两Y(jié)構(gòu)劣化是指：在“環(huán)境”的作用下，外界侵蝕性介質(zhì)進(jìn)入混凝土的通道，通過(guò)一系列的物理、(電)化學(xué)作用，混凝土內(nèi)的組分發(fā)生溶解反應(yīng)和膨脹反應(yīng)，造成結(jié)構(gòu)性能降級(jí)與破壞。由此，提出混凝土結(jié)構(gòu)劣化模型。劣化模型強(qiáng)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(kuò)展與連通，劣化過(guò)

8、程分為兩個(gè)階段：初級(jí)階段，混凝土內(nèi)組分及結(jié)構(gòu)無(wú)明顯損傷，但是混凝土的耐久性防護(hù)機(jī)制(1.抗?jié)B性2.提供堿性環(huán)境)開(kāi)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(kāi)始緩慢，爾后加速。 3 地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性損傷機(jī)理 結(jié)構(gòu)的耐久性損傷指結(jié)構(gòu)性能隨時(shí)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(diǎn)。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(diǎn)進(jìn)行研究。地鐵結(jié)構(gòu)是由車(chē)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(fù)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(diǎn)使得結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況復(fù)雜多變，同時(shí)，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(dǎo)致混凝土襯砌結(jié)構(gòu)劣化開(kāi)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(lái)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(cuò)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(guò)程中，為了方便施工會(huì)留有施工縫，考慮溫度變化，沉降變化會(huì)預(yù)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(chē)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(gè)巨大的數(shù)字。以上海地鐵一號(hào)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(jì)，每長(zhǎng)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(qiáng)，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(yán)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(lái)自內(nèi)部大氣環(huán)境，也有可能來(lái)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(huì)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(dǎo)

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(jìn)來(lái)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(huì)導(dǎo)致混凝土局部形成嚴(yán)重侵蝕而導(dǎo)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(huì)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(jī)理 鋼筋和混凝土共同工作的一個(gè)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(huì)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(kāi)裂后，空氣中的二氧化碳等酸性氣體會(huì)擴(kuò)散到混凝土內(nèi)部，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)降低混凝土的堿度，使混凝土碳化?；炷撂蓟倪M(jìn)一步結(jié)果，就會(huì)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(duì)于地面結(jié)構(gòu)更具復(fù)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(xué)腐蝕對(duì)鋼筋銹蝕的作用明顯。另一方面，地鐵列車(chē)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(huì)對(duì)車(chē)站和區(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕，降低地鐵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性。另外，工程所處的地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)不同，土體的流變性和固結(jié)度也有差異。由于地鐵隧道周?chē)h(huán)境土體、土層的不均質(zhì)性，在地鐵隧道建成后，隧道周?chē)馏w的差異沉降會(huì)引起地鐵結(jié)構(gòu)的受荷不均，進(jìn)一步引發(fā)結(jié)構(gòu)變形，

13、產(chǎn)生裂縫。同時(shí)，由于地鐵結(jié)構(gòu)多處于地下，這就給后期的觀測(cè)、模擬、試驗(yàn)等工作帶來(lái)較大難度，也不利于結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和采取補(bǔ)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(diǎn)不同，結(jié)構(gòu)的侵蝕機(jī)理也不盡相同。 4 地鐵結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)要點(diǎn) 從前面的分析可以看出，結(jié)構(gòu)的耐久性是一項(xiàng)綜合性能，雖然結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境條件下的破壞過(guò)程各不相同，但是對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，提高耐久性的措施有一個(gè)共同之處：控制結(jié)構(gòu)裂縫。其主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)大致可從材料選擇、構(gòu)造措施和施工措施三個(gè)方面考慮。 4.1 材料選擇 地鐵車(chē)站大體積澆筑的混凝土應(yīng)減小水化熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，地下車(chē)站頂、底板、側(cè)墻混凝土應(yīng)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(yīng)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(yīng)考慮其堿活性，宜使用非堿活性骨料，防止“堿骨料反應(yīng)”造成的危害。還應(yīng)選擇合理的級(jí)配，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的密實(shí)度。 在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jí)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(diǎn)，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(yīng)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(yīng)力和荷載應(yīng)力的集中。 (2)考慮到地鐵結(jié)構(gòu)多為長(zhǎng)寬比較大的長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)配筋應(yīng)加強(qiáng)縱向分布鋼筋，宜按照“細(xì)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(yīng)按其使用環(huán)境設(shè)計(jì)其相應(yīng)的混凝土保護(hù)層厚度。 (4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)控制混凝土的裂縫寬度，預(yù)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(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)也應(yīng)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(yīng)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(yīng)進(jìn)行有效的防水層設(shè)計(jì)。 (7)地鐵設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮針對(duì)防迷流的設(shè)計(jì)內(nèi)容，雜散電流防

16、護(hù)一般按照“以堵為主，以排為輔，堵排結(jié)合，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)”的原則設(shè)計(jì)。 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(guò)程中產(chǎn)生的水泥水化熱引起的溫度應(yīng)力，避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度裂縫而導(dǎo)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(gè)保護(hù)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(shù)脂，在混凝土構(gòu)件表面涂層或覆蓋防護(hù)材料，選擇環(huán)氧涂層鋼筋，并采取必要的措施如陰極保護(hù)。施工應(yīng)嚴(yán)格考慮固化系統(tǒng)、施工維修方法、維修時(shí)間、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、施工環(huán)境、組件大小和許多其他因素。 無(wú)論如何，設(shè)計(jì)師應(yīng)該重視耐久性混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想