海底隧道耐久性探討

菅 磊

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類對(duì)空間的開發(fā)利用呈現(xiàn)出加速趨勢，繼發(fā)達(dá)國家之后，我國海底隧道的建設(shè)也掀開了新的一頁，廈門翔安隧道已經(jīng)建成通車，青島膠州灣隧道正在施工，港珠澳大橋工程項(xiàng)目中的海底隧道即將開始施工，大連海底隧道也在做前期工作。為了實(shí)現(xiàn)工程的使用價(jià)值，各工程項(xiàng)目都對(duì)使用年限提出了要求，當(dāng)前我國重大工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用年限一般是100年，如何保證隧道的耐久性，達(dá)到隧道的設(shè)計(jì)使用年限要求，還值得進(jìn)一步深入研究。

1 海底隧道耐久性分析

隧道的安全穩(wěn)定是支護(hù)結(jié)構(gòu)作用的結(jié)果，因而支護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性是保證海底隧道耐久性的前提，研究海底隧道的耐久性應(yīng)從研究支護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性入手。

1.1 初期支護(hù)耐久性分析

對(duì)于復(fù)合襯砌，初期支護(hù)由錨桿、拱架、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土構(gòu)成，海水對(duì)結(jié)構(gòu)中的鋼材腐蝕速度是影響初期支護(hù)耐久性的主要因素，鋼筋銹蝕后膨脹會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂、鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力破壞、鋼筋受力截面減小、結(jié)構(gòu)耐久性能降低等一系列不良后果[1]。當(dāng)前的隧道設(shè)計(jì)中，為了提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性，普遍采用高性能抗?jié)B混凝土，目的是減少混凝土中的孔隙，進(jìn)而減少海水中氯離子的侵入。為了提高混凝土的抗?jié)B性，翔安隧道在建設(shè)前期進(jìn)行了抗?jié)B性研究，按照初期支護(hù)抗?jié)B等級(jí)大于P8、二次襯砌抗?jié)B等級(jí)大于P12的要求進(jìn)行了混凝土配合比設(shè)計(jì)。應(yīng)該說這個(gè)思路是好的，但由于隧道施工工藝的復(fù)雜性，施工環(huán)境較差，施工人員素質(zhì)參差不齊，再加上我國勞動(dòng)力素質(zhì)普遍較低，實(shí)際施工中很難保證混凝土的抗?jié)B性。比較有代表性的原因有以下幾點(diǎn):1)由于噴射混凝土角度把握不好，型鋼拱架背后和側(cè)面局部噴射不到位，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生空洞;2)有時(shí)為了盡快封閉圍巖以確保安全，來不及將拱架背后處理好，導(dǎo)致拱架背后混凝土保護(hù)層厚度不足，甚至沒有保護(hù)層;3)在圍巖及其他外力作用下，初期支護(hù)往往存在局部開裂變形，形成地下水滲入通道;4)對(duì)于軟弱圍巖中分部開挖的隧道，拱架連接處往往存在渣土清理不干凈的現(xiàn)象，導(dǎo)致初期支護(hù)混凝土內(nèi)部夾雜著泥土。

由于以上種種原因，很難保證初期支護(hù)混凝土密實(shí)，雖然施工過程中對(duì)噴射混凝土的抗?jié)B性進(jìn)行了檢測，但目前的檢測方法是對(duì)噴到大板上的混凝土樣品進(jìn)行檢測，不能代表初期支護(hù)混凝土實(shí)體的抗?jié)B性，很多隧道初期支護(hù)嚴(yán)重滲水的事實(shí)證明了這一點(diǎn)。因此，構(gòu)成初期支護(hù)的鋼拱架、鋼筋網(wǎng)和混凝土有相當(dāng)一部分長期在具有嚴(yán)重侵蝕性的海水環(huán)境中工作，要研究初期支護(hù)的耐久性就要研究初期支護(hù)長期浸泡在海水中的耐久性，而不是混凝土的抗?jié)B等級(jí)達(dá)到P8時(shí)的耐久性。

但值得指出的是，由于混凝土結(jié)構(gòu)中鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，腐蝕過程需要氧氣的參與，而在海底地層及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的孔隙中是飽水的，氧氣含量十分有限，因而初期支護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼材腐蝕較輕。

1.2 二次襯砌耐久性分析

對(duì)于二次襯砌混凝土，由于先期對(duì)初期支護(hù)滲水進(jìn)行了處理，加上防水板的保護(hù)，能夠進(jìn)入二次襯砌范圍的水量較少，如果再采取排水措施，則進(jìn)入二次襯砌混凝土內(nèi)部的海水少之又少。同時(shí)，二次襯砌作業(yè)環(huán)境和施工工藝相對(duì)初期支護(hù)要好得多，混凝土的密實(shí)度能夠得到保證，進(jìn)入二次襯砌混凝土內(nèi)部的水非常少，加上混凝土內(nèi)部缺氧，海水對(duì)二次襯砌中部及外側(cè)的腐蝕作用很小，因此二次襯砌內(nèi)部及外側(cè)的耐久性可以得到保證。但是，在二次襯砌內(nèi)側(cè)，混凝土暴露于潮濕的海洋大氣中，大氣中的CO2導(dǎo)致混凝土碳化，Cl-對(duì)襯砌鋼筋產(chǎn)生腐蝕，汽車排放的熱量使腐蝕加快。研究表明[2]，溫度每升高10℃，腐蝕反應(yīng)速度增加1倍。如果混凝土保護(hù)層厚度不足或混凝土表面有裂縫，則會(huì)加快鋼筋的腐蝕，鋼筋腐蝕后體積膨脹導(dǎo)致外層混凝土開裂甚至剝落，因而大氣環(huán)境對(duì)隧道內(nèi)側(cè)的腐蝕程度顯著嚴(yán)重于海水對(duì)隧道外側(cè)的腐蝕。美國、日本、歐洲等國家將海水環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)暴露部位劃分為三個(gè)區(qū):大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水下區(qū)。浪濺區(qū)鋼筋腐蝕破壞最為嚴(yán)重，其次是大氣區(qū)，水下區(qū)幾乎不會(huì)發(fā)生鋼筋腐蝕破壞[3]。隧道內(nèi)側(cè)的防腐應(yīng)作為重點(diǎn)。

1.3 預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件襯砌的腐蝕

對(duì)于沉管隧道和盾構(gòu)隧道等由預(yù)制構(gòu)件拼裝而成的襯砌結(jié)構(gòu)，預(yù)制構(gòu)件工廠化施工條件較好，如果質(zhì)量控制得好，能夠有效防止海水中的氯離子進(jìn)入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，但運(yùn)輸和拼裝環(huán)節(jié)仍可能對(duì)構(gòu)件造成破壞，如果拼裝質(zhì)量不好，也會(huì)導(dǎo)致海水滲入，并且預(yù)制構(gòu)件也會(huì)存在鋼筋保護(hù)層厚度不足的問題，因而宜對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)實(shí)施防腐處理，減少有害氣體和氧氣進(jìn)入混凝土內(nèi)部的通道。

2 提高襯砌結(jié)構(gòu)耐久性的措施

目前我國隧道耐久性設(shè)計(jì)普遍采用高性能混凝土，對(duì)其他措施重視還不夠，在我國目前的施工管理水平下，僅僅采用高性能混凝土一種措施是不夠的，因?yàn)榛炷亮芽p不同程度地普遍存在著，如果將希望寄托于維修措施，處理費(fèi)用是很龐大的，因而應(yīng)該在隧道設(shè)計(jì)上增加一些防腐措施，可行的途徑有以下幾種:

1)加強(qiáng)初期支護(hù)，讓初期支護(hù)承擔(dān)更多甚至全部荷載，二次襯砌作為安全儲(chǔ)備。這樣一方面可以加強(qiáng)早期支護(hù)，減少初期支護(hù)裂縫的產(chǎn)生，確保隧道施工安全，另一方面由于初期支護(hù)環(huán)境中氧氣含量極少，結(jié)構(gòu)不易腐蝕，可以有效提高結(jié)構(gòu)的耐久性。2)針對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)腐蝕的原因，參考海港工程防腐設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，采用硅烷浸漬、環(huán)氧涂層鋼筋、鋼材阻銹劑等措施對(duì)襯砌鋼筋進(jìn)行防腐處理[4]。3)對(duì)混凝土進(jìn)行飾面保護(hù)。根據(jù)以上的分析，隧道內(nèi)側(cè)大氣環(huán)境中的鋼筋混凝土較易腐蝕，尤其是鋼筋保護(hù)層厚度不足和表面裂縫是混凝土施工質(zhì)量通病的情況下，在鋼筋混凝土襯砌表面噴射一定厚度的環(huán)氧涂層，封閉混凝土表面裂縫，減少表面孔隙，阻止氧氣和有害氣體的進(jìn)入，不僅可以對(duì)內(nèi)側(cè)鋼筋混凝土具有防腐作用，對(duì)外側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)也具有很好的防腐作用。這種措施比較有針對(duì)性，簡單易行。

3 結(jié)語

由于海底隧道維修困難，維護(hù)費(fèi)用高，應(yīng)在建設(shè)階段對(duì)耐久性給予足夠的重視，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的基礎(chǔ)上采取一切可行的手段保證耐久性的實(shí)現(xiàn)，防腐蝕耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)遵守保證混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工作壽命期的安全、正常使用功能及可接受的外觀，而不需支付過高維修費(fèi)的原則。隨著我國對(duì)海底隧道研究的不斷推進(jìn)，防腐研究也應(yīng)列為重點(diǎn)研究課題之一。

[1] 胡紅梅.海底隧道襯砌混凝土抗蝕影響因素分析與模擬[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(3):10-12.

[2] 楊建森，何黨慶.鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕的化學(xué)機(jī)理與防腐措施[J].寧夏大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001(20):8-10.

[3] 潘德強(qiáng).海水環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕耐久性設(shè)計(jì)[J].水運(yùn)工程，2001(8):15-17.

[4] JTJ 275-2000，海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S].