影響隧道襯砌結構耐久性因素綜述

熊 波

（重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074）

影響隧道襯砌結構耐久性因素綜述

熊 波

（重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074）

隧道襯砌混凝土的耐久性對隧道的健康運營具有重要的意義。隧道襯砌結構一旦出現劣化，將會引發一系列質量問題，造成大量的財力物力損失，嚴重情況下，甚至于引發安全問題，造成人員傷亡。因此隧道襯砌耐久性問題是不容忽視的。本文就交通隧道的特殊性，從環境、材料、施工等方面，多方面對隧道襯砌結構耐久性劣化的原因機理進行了總結分析。

隧道；混凝土襯砌結構；耐久性

前言

如今，混凝土作為世界上用量最大的工程建筑材料，幾乎任何一個工程建設項目都離不開混凝土。鋼筋混凝土結構已經成為了應用最廣泛的結構形式，隨著現代工程技術的不斷成熟，混凝土結構的數目也在不斷增加，因此對混凝土質量要求也越來越高，混凝土的耐久性問題也變得尤為重要[1-3]。我國作為最大的發展中國家，正從事著為世界所矚目的大規模基礎建設，而隧道建設事業，正是其中蓬勃發展的一個方面，近年來我國隧道建設的數目不斷增多，規模不斷擴大。而混凝土作為隧道主要的建筑材料，其耐久性問題是隧道建設必須重視的。而影響混凝土耐久性的因素大體可分為三類：環境因素、材料因素、人為因素。

一、影響混凝土耐久性的環境因素

一般來說，混凝土結構耐久性破壞都是從混凝土或者鋼筋的材料劣化開始，而環境因素與材料本身都會引起材料的劣化[4、5]。隧道修建于地質條件復雜多變的地下空間，隧道襯砌混凝土接觸的環境非常特殊，它既要受內部大氣環境的影響，又受隧道外部地層所含侵蝕性離子的侵蝕。在這樣的嚴酷環境下，各種有害因素的綜合作用，容易造成隧道結構材質劣化，使得隧道的使用功能和使用壽命的大大衰減，給結構安全帶來很大的隱患[6]。基于結構所處環境的復雜，影響隧道混凝土結構的耐久性的環境因素有如下幾個方面：

1、酸性氣體引起的混凝土的中性化

混凝土的中性化就是混凝土構件周圍環境里的酸性氣體或者液體侵入混凝土中，與水泥中的堿性物質發生反應，使得混凝土中的pH值下降的過程。二氧化碳作為一種大氣中常見的酸性氣體，使得所有與空氣接觸的混凝土表面都處在中性化過程中。這種中性化被稱為混凝土的碳化，混凝土的碳化會加劇混凝土的收縮，一定程度上導致混凝土出現裂縫和結構破壞，這為侵蝕性離子的侵入，提供了通道。而碳化對耐久性造成不利影響的實質，就是由于混凝土堿性降低導致在高堿環境下鋼筋表面形成的致密氧化膜和鈍化膜遭到破壞，鋼筋失去了混凝土的保護作用，最終發生銹蝕。

隧道作為一個狹長結構，這對空氣的流動是十分不利的，而且隧道內通行車輛的尾氣排放，使得隧道里面的CO2、SO2等酸性氣體的含量大量累積，這些氣體濃度越高越容易使混凝土結構發生碳化或者類似碳化的作用。

2、水文環境的作用

（1）凍融循環的影響

混凝土受凍融循環是影響混凝土耐久性的一個重要原因,混凝土凍融剝蝕和開裂也是我國北方地區隧道的常見病害。水的物理狀態的改變是形成凍融現象的根本原因。

其破壞機理即為混凝土微孔隙中的水,在溫度正負交錯作用下,形成凍脹壓力和滲透壓力聯合作用的疲勞應力[7]。在疲勞應力作用下,混凝土表層產生剝蝕現象,并逐漸向深處發展,如果混凝土襯砌背后地下水儲存豐富,隨著凍脹力的增加,混凝土可能直接發生開裂破壞，從而影響隧道建筑物的安全。

（2）混凝土堿集料反應

堿集料反應指混凝土集料中的某些活性礦物與混凝土微孔中的堿溶液所產生的化學反應。堿主要來自水泥熟料、外加劑，集料中活性材料主要是 SiO2和硅酸鹽、碳酸鹽等。這種反應只能發生在濕潤環境下，它會引起明顯的混凝土體積膨脹和開裂，改變混凝土的微結構，使得混凝土的各力學性能明顯下降，嚴重影響其使用。

3、溫度環境的影響

溫度的影響，主要是考慮到氣溫的變化，會改變分子的無序運動狀態。又因為隧道具有一定的封閉性，其內部沒有很大的溫差，而汽車排放的 CO2氣體和熱量堆積，它的溫度和濕度會比外界一般的大氣環境高，這樣會加速襯砌混凝土耐久性的損傷。

二、影響混凝土耐久性的材料因素

1、塑性收縮引起的混凝土劣化

混凝土澆筑后,在重力的作用下,粗骨料等比重大的顆粒緩慢沉降密實,水、氣泡等比重小的組分浮至混凝土面層,出現分層現象。混凝土因沉降豎向體積縮小，并且當坍落度越大,保水性越差,凝結時間越長及混凝土越厚時,沉降收縮量越大,在下沉過程中若受到鋼筋阻擋,便形成沿鋼筋方向的裂縫。

2、干縮

混凝土在硬化過程中水分逐漸蒸發散失,使水泥石中的凝結膠體干燥收縮產生變形,由于受到圍巖和模板的約束,變形產生應力,當應力值超過混凝土的抗拉強度時,就會出現干縮裂縫。干縮裂縫多為表面性裂縫,走向沒有固定規律。

3、水化熱的影響

大體積混凝土由于水泥在水化過程中產生的大量水化熱得不到散發。導致混凝土內部溫度升高，當混凝土塊體內部的溫度與外部環境溫度相差很大，以致所形成的溫度應力或溫度變形超過混凝土當時的抗拉強度或極限拉伸值時，就會產生裂縫，此種裂縫的出現會引起鋼筋的銹蝕。

三、影響混凝土耐久性的人為因素

影響混凝土耐久性的人為因素，主要是施工方面的影響，隧道工程施工質量直接影響混凝土的耐久性。施工時，混凝土密實性沒有達到設計要求，施工質量差，混凝土有麻面、蜂窩、裂紋等缺陷，給腐蝕溶液提供了侵蝕通道，導致混凝土劣化，降低耐久性。

1、對原材料選取、控制不嚴

隧道襯砌混凝土膠凝材料以普通硅酸鹽水泥為主，材料成分單一，級配差且品質不高，混凝土密實度和耐久性能差。膠凝材料是混凝土最主要的材料，膠凝材料的顆粒微觀級配不好，混凝土孔隙率大，其密實性就差，影響混凝土的耐久性。

2、混凝土澆筑和振搗

隧道襯砌混凝土在灌注時，往往由于操作不當造成襯砌混凝土灌注、振搗不密實，特別是拱頂混凝土的灌注工藝不易控制，表面易產生蜂窩麻面，混凝土局部有空洞，這些問題對混凝土的影響是致命的，當混凝土質量不過關時，根本無法抵御環境對它的侵蝕作用，其設計使用年限也達不到要求。

3、二襯拆模時間

二次襯砌拆模時間過早，造成二襯強度達不到標準，也無法保障二次襯砌結構密實。并且拆模太早，一旦初支變形尚未完全收斂，則會造成襯砌混凝土過早受力，混凝土沒有硬化而被損傷，使襯砌過早開裂，嚴重影響其耐久性。

4、隧道防水與通風措施差

對隧道混凝土結構來說，影響其耐久性環境可歸結為兩種，一個是大氣環境，一個是地下水環境，而水環境又對其他因素產生促進影響，一旦隧道防水措施沒有做好，地下水滲透到隧道內，不僅影響營運安全，還會誘發別的有害作用，比如水中的硫酸根離子氯離子對混凝土的侵蝕，亦或是在高寒地區發生凍害作用，這都會影響隧道結構的穩定性。

基于隧道內部的大氣環境，隧道通風就有其必要性，尤其是對大長隧道，通風的作用不僅僅只是保障一個良好的行車環境，通過將隧道內的酸性氣體排出去，還可以有效地降低混凝土的碳化或者類碳化過程。延長混凝土碳化到鋼筋位置的時間。

5、養護環節嚴重缺失

在我國大多數山嶺隧道中，襯砌結構均沒有進行特別的養護，一般采用同條件養護方法。而長大隧道洞口段和洞內溫濕度變化較大，短隧道受外界環境溫濕度影響較大，同一養護標準很難滿足所有區段的養護，故隧道結構混凝土的質量得不到保證。因此，隧道修建時，混凝土結構會不同程度地出現初裂，強度得不到保證，隧道襯砌結構耐久性問題突出。

結語

隧道工程的耐久性問題,既受到外界環境的影響,又由混凝土本身的特點決定,因此，影響混凝土耐久性的因素是多方面的,其中涉及到材料、配合比設計、施工工藝和養護維修。不過在實施過程中加強對各環節的控制,嚴格把關,最終還是可以達到耐久性的設計標準。最后，對于隧道混凝土耐久性問題，這一問題不僅僅只是隧道襯砌結構的耐久性，還包括隧道路面結構，隧道防水管道，電纜設備管道等多方面的耐久性問題，這些也是需要重視的方面。

[1]唐國榮. 隧道混凝土結構耐久性的環境影響因素及措施對策[J].鐵道標準設計，2006，（11）:56-60.

[2]錢春香. 城市隧道混凝土結構耐久性及其增強技術的實踐與思考[J].東南大學學報，2006，36：95-104.

[3]王建秀，劉丹，楊立中. 秦嶺隧道地下水化學異常對襯砌混凝土的腐蝕及防治對策研究[J].現代隧道技術，2002，39(4):33-36.

[4]王海彥，宓榮三，龔侖. 隧道主體結構混凝土耐久性探討[J].中國鐵路，2011，（2）:76-79.

[5]王新剛，王建章等. 地鐵隧道鋼筋混凝土裂縫的治理[J].新型建筑材料，2006，（5）：13-16.

[6]翁其能，張麗珺，秦偉. 公路隧道環境因子對混凝土襯砌耐久性影響綜述[J].材料導報，2014，28（15）：93-97.

[7]孫兵.寒區隧道凍害等級及其設防等級研究[J].鐵道標準設計，2012，(4):88-92.

TU528

A

1007-6344（2016）07-0044-02

熊波（1991—），男，湖南益陽人，重慶交通大學碩士研究生。