基于耐久性的地鐵結構設計的探討

陸婷婷

身份證號：320202198604030521

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基于耐久性的地鐵結構設計的探討

陸婷婷

身份證號：320202198604030521

本文從地鐵結構耐久性的影響因素出發，分析了影響其耐久性的原因，對耐久性的地鐵結構設計要點及加強地鐵結構耐久性的措施進行了深入探討。

地鐵工程；耐久性；結構設計

前言

地鐵工程屬于城市公共交通軌道工程，投資大、建設周期長、質量要求高，主體結構工程設計使用壽命長，因此基于耐久性的地鐵結構設計至關重要。

1 地鐵結構耐久性的影響因素

分析基于耐久性的地鐵結構設計，應考慮到以下因素：與土體（水）直接接觸，應力狀況復雜多變。巖土介質具有不均質性、非線性、流變性等特點。處于地下，給觀測、模擬、試驗等工作帶來較大難度。同時外界荷載還具有不確定性等。具體來講，地鐵結構耐久性的影響因素主要包括以下方面：（1）環境因素，包括溫度和濕度、CO2、特殊離子環境、地下水、雜散電流等。（2）材料因素，包括水灰比、水泥品種、堿骨料等。（3）結構力學因素，包括應力狀態及水平、裂縫程度、巖土流變、水體滲流壓力、不均勻沉降、外荷變化、結構尺寸與構造等。（4）施工因素，涉及混凝土澆注及振搗、支護形式、超挖欠挖、施工質量管理等。

2 影響地鐵結構耐久性的原因

2.1 受力與荷載給地鐵結構帶來破壞的原因

不同地鐵結構工程所處環境與施工方式的區別，會讓結構所受荷載出現區別，每一部分結構物的應力狀態也隨之產生變化，在受彎區、拉壓區、剪應力區的狀態都會造成改變。地鐵工程混凝土結構耐久性同混凝土材料的滲透性有密切關系，受力情況則是材料滲透性的直接影響因素，處于拉應力位置的材料孔隙大，其滲透性會更加明顯，混凝土也就容易發生碳化，氯化物等有害介質滲透其中，會對鋼筋造成銹蝕影響。再者，地下水如果發生耦合滲流效應，也會直接關系到土體結構的質量，間接造成結構耐久性的損失。

2.2 化學作用力給地鐵結構帶來的破壞

化學作用力所帶來的破壞有碳化腐蝕，氯離子、硫酸根離子、鎂離子的腐蝕等?；瘜W作用力對于鋼筋的破壞非常嚴重，所造成的損失亦極為龐大。據美國標準局的調研，美國每年因為腐蝕所造成的工程損失為數百億美元，其中鋼筋腐蝕約占總數的40%。結構本身存在一定有害離子直接威脅著地鐵結構的安全與耐久性，如：堿骨料反應；地鐵周邊巖土環境中存在的有害離子，在長期作用下侵蝕混凝土、銹蝕鋼筋；而地鐵內部環境里面的氧氣與二氧化碳氣體也容易侵入到結構中去，產生另一方面的化學腐蝕，由此帶來很多鋼筋混凝土碳化嚴重的問題。以上情況導致混凝土出現裂縫、鋼筋大面積銹蝕，必須依靠大范圍的維修才能保證工程安全。

2.3 差異沉降也是給地鐵結構帶來破壞的原因

不同地鐵結構工程所處地質環境特點有較顯著差別，土體的固結特質與流變程度區別也很大，當地鐵完成建設以后，一部分地段土體依然保留程度不同的流變變形與固結下降特點，而其附近位置的流變變形與固結下降特點則表現得不甚明顯，這就會使得不同位置的結構發生不穩定欠均勻的沉降變形，最終造成不同地段間的結構應用擠壓影響，在此基礎上產生裂縫。這樣的現象在管道結構連接位置出現的機率最高。

3 耐久性的地鐵結構設計要點

3.1 科學選擇材料

地鐵結構設計施工應該盡量減少混凝土水化熱所造成的溫度應力，在地下車站頂、側墻、底板等位置的混凝土需要具備良好的自防水能力。所以，水泥的選擇過程中，需要注意優選那些水化熱水平低、含堿量小、干縮性弱、抗腐蝕性優越的材料。選擇混凝土集料的時候，要考慮到堿活性因素，應當避免堿骨料不良反應造成的危害，選擇合理級配，提高混凝土密實程度。

3.2 構造方法

（1）地鐵在布置結構時盡量保證構件截面均勻，防止截面出現突變式尖角，防止混凝土的荷載應力和收縮應力過度集中。（2）因為地鐵結構以長條型寬大式為多，所以在進行配筋時需要增強縱向分布鋼筋，依據細而密的基本原則進行配置，防止混凝土發生收縮裂縫。（3）混凝土結構構件在形狀的選擇上應該避免水、汽等有害物質的侵入。（4）防迷流設計內容必不可少，防護雜散電流通常要仿照堵為主、排為輔的原則進行設計。

3.3 計算要點

（1）根據環境類別、設計使用年限、構件形式合理選擇混凝土強度等級、最大水膠比、保護層厚度、計算裂縫寬度等。（2）構件尺寸選擇合理；力學基本假定合理；計算模型、計算工況符合實際；合理選擇控制內力。

4 加強地鐵結構耐久性的措施

4.1 從設計開始就應當引入耐久性的概念

通過分析計算或試驗的方法，確定消除不穩定荷載或不均勻沉降對土體的影響、加強對混凝土、鋼筋的保護等。

4.2 加強對混凝土的保護

混凝土里面如果存在大量孔隙，則會給介質的滲入提供便利條件。若想使耐久性得到提高，需要從改變自身抗滲性能、抗裂性能，改變介質隔離工作效果上著手，現代在技術允許的范圍內可以應用一些新型混凝土，如：性能標準高的混凝土，用高性能摻和料與凝膠材料代替傳統水泥，這樣制作出來的混凝土強度高、收縮性低、抗滲特征明顯；鋼纖維形式混凝土，把鋼纖維加到混凝土里面，可以提高混凝土抗拉、抗彎、抗斷裂功能，讓原本柔脆的混凝土塑性更好；具備梯度功能的混凝土，其中包含一般混凝土的防護層、過渡區水泥材料等，可以讓混凝土抗裂與抗滲性能更優越。除了應用新型混凝土材料以外，還可以把侵蝕物質同混凝土進行隔離，比如可以將混凝土的外部涂上保護膜，以起到提高混凝土抗滲能力與表面憎水功能的作用。就目前來講，混凝土保護膜大致可以分成兩類，第一類是環氧瀝青型，包括改性瀝青、環氧聚胺酯等，其具有堅實耐磨、適應輕微裂縫、耐腐蝕、粘結性好的優點；第二類是滲透結晶型，這種類型的保護膜是無機材料，可以將其在混凝土表面壓平、收水并抹光，使之可以滲入到混凝土的每一處微小裂縫中，讓混凝土完成表面致密性改造，當混凝土終凝之前就可以形成外部保護層，避免水分發生蒸發，讓混凝土上的毛細通路阻斷，為碳化過程減速。

4.3 防止鋼筋發生銹蝕

除了對混凝土加以保護間接防止鋼筋發生銹蝕之外，還可以在環境惡劣的環境中直接給鋼筋以保護性處理。除了一般的使鋼筋材質發生變化的辦法如加用不銹鋼筋與耐腐蝕鋼筋以外，還可以應用下列辦法，即：施加鋼筋去銹劑；給以鐵鋼筋陰極保護；電化學堿化；電化學去氯；鋼筋涂層；鋼筋鍍層等。

5 結束語

綜上所述，為了保障地鐵運營的安全性以及使用的持久性，在地鐵結構設計中，耐久性設計則是要著重考慮的問題。地鐵結構設計還應考慮工程實際特點，相應地開展設計工作，設計師應將混凝土結構設計作為一項重要的工作，和相關管理人員共同努力，極力提高地鐵結構的耐久性，滿足地鐵結構的施工質量要求。

［1］何偉.有關地鐵結構的耐久性分析［J］.黑龍江科技信息，2013，（07）：320.

［2］李偉.芻議地鐵結構的耐久性設計方法［J］.價值工程，2013，（06）：96-97.

［3］劉治魯.地鐵混凝土耐久性影響因素分析［j］.城市建設理論研究（電子版），2013（12）.