地鐵結構耐久性研究

王影沖

摘要：中國地鐵建設飛速發展，地鐵與其他建筑相比，所處的位置、使用功能具有差異性，而其耐久性的研究也有著重要的意義。地鐵結構所處的環境中二氧化碳的濃度較高、地下水和有害離子也較多，這些因素均影響地鐵的使用壽命。因此，地鐵結構的耐久性分析對保證其在設計使用年限內滿足功能要求具有重要意義，可以指導地鐵結構的設計和施工。

關鍵詞：地鐵；耐久性；分析

引言

地鐵屬于城市快速軌道交通系統，由于以其不受氣候條件的影響和安全快捷的運輸特點，成為城市公共客運交通網絡中的骨干。目前，我國北京、上海、天津、廣州、深圳、臺北、香港、南京、武漢等城市的地鐵均已實現網絡狀多線路運營。大量地鐵工程的建設，不僅解決了大城市公共交通運輸問題，更成為國家經濟繁榮和社會進步的顯著標志之一。

地鐵工程是不可逆的工程，一次性投資巨大，且常常穿越城市中心區域，其耐久性要求相對于其他土建工程更高。但近年來，已建地鐵在運營過程中出現過不少問題：如上海打浦路隧道因滲流嚴重而曾封閉大修；北京地鐵投入運營幾年后就出現隧道內部水管腐蝕穿孔；香港因地鐵雜散電流引起煤氣管道的腐蝕穿孔而造成煤氣泄漏的事故。這些工程事例表明在環境的長期作用下，地鐵結構的耐久性存在問題，而對地鐵維護、修理、改建以提高其耐久性往往代價巨大，既浪費了大量資金，又影響地鐵的正常使用，同時縮短了其維護周期和使用壽命，嚴重時還會威脅地鐵行車的安全。因此，地鐵結構的耐久性問題是一個十分重要也是迫切需要解決的問題。

1影響地鐵結構耐久性的因素分析

由于地鐵混凝土結構埋置于地下的巖土體中，因此耐久性的影響因素相對于地面因素來說更加的復雜。在具體分析地鐵結構的耐久性時應該注意以下幾方面的影響：（1）地鐵結構與水接觸，這樣會影響地鐵結構的耐久性。（2）巖土物質具有的不均質性以及流變性將會影響地鐵結構的耐久性。（3）地下復雜的工作條件給施工帶來較大的困難，勢必會在一定程度上影響地鐵結構的耐久性設計效果。下面對影響地鐵有關結構耐久性的因素加以詳細的介紹。

1.1 化學作用對地鐵結構引起的侵蝕破壞

化學作用引起的破壞主要體現在一些離子的侵蝕作用，例如Cl-、SO42-、Mg2+等離子的侵蝕破壞，這些離子對鋼筋混凝土的破壞作用比較明顯，因此化學腐蝕會對地鐵結構的耐久性產生嚴重的影響。當前許多地下工程的鋼筋混凝土存在嚴重碳化的現象，出現了大面積的裂縫和鋼筋生銹等破壞現象，這些破壞對于地鐵的正常運行成很大的阻礙，嚴重影響地鐵的安全性，最終不得不花費大量的人力物力來進行維護和加固，保證地鐵的行車安全。

1.2 運行中電流對地鐵結構耐久性的影響

當前一般的地鐵列車采用的是直流電力牽引，當地鐵運行的過程中由于受各種因素的影響，會不可避免的出現泄漏電流的現象。這些電流將會對主體結構中的鋼筋發生電化學腐蝕作用，這樣將會大大降低金屬管線的使用壽命，同時降低地鐵主體結構的強度和耐久性，嚴重時會造成交通事故。

1.3 地質沉降引起的結構破壞

由于不同地層的流變性和堅固性存在差異，同時地鐵隧道周圍環境土層存在不均勻的現象；因此在地鐵隧道建成以后，由于部分地段的土質差異較大，這將會造成各部位隧道結構呈不均勻的沉降。最終造成各階段處產生裂縫的現象，嚴重影響地鐵的運行安全。

2 提高地鐵耐久性的具體措施和方法

影響地鐵結構耐受性因素眾多，提高地鐵結構的耐久性是一個長期的系統工程。要想提高地鐵相關結構的耐久性能，應該從多個方面考慮，針對各種影響因素進行相應的改進措施。

2.1 混凝土的防護

在施工的過程中，混凝土中存在著大量的孔隙，為侵蝕介質提供了滲透的通道。因此要想增強有關結構的耐久性，必須改善混凝土的抗滲和抗裂的性能，不給任何物質提供滲透的通道，延長有關部件的使用壽命。根據現代混凝土的發展狀況來看，目前已經出現了一些新型的混凝土，這些混凝土具有很強的使用效果。（1）具有高效能的混凝土，采用高效能的混凝土取代傳統的水泥，制成的混凝土具有高強度、低收縮和高抗滲的優點。（2）采用鋼纖維混凝土，主要做法是將鋼纖維摻入混凝土中，顯著提高其抗彎的性能，增加韌性，最終實現其良好的可塑性。另外，將侵蝕介質與混凝土隔離開來，在混凝土的表面涂刷保護膜，可以很好的降低侵蝕介質擴散率，同時可以增加混凝土表面的保水性。阻止水分的蒸發，切斷混凝土毛細水通路延緩碳化進程。

2.2 防止鋼筋等材料氧化生銹

在施工的過程中，鋼筋如果得不到有效保護，往往會容易生銹。特別的是在環境十分惡劣的條件下，鋼筋更容易生銹，因此要時刻注意對鋼筋等材料的保護。主要的保護措施有：利用鋼筋阻銹劑防止鋼筋生銹；利用陰極保護技術防止鋼筋生銹；利用鍍層鋼筋或者是涂層鋼筋。鋼筋得到有效的保護可以增強地鐵結構的耐久性。

2.3 制定詳細的規章制度

在使用階段，應制定合理的管理制度以及辦法，消除或盡量減少各種可能存在影響地鐵耐久性的潛在威脅，并加強安全性與耐久性的檢測；對某些具體的指標進行長期監測，時刻掌握工程使用狀態信息，一旦出現問題，可以及時解決問題。當前，地鐵隧道結構材料的防腐和防老化，可以采取混凝土表面涂層，結構件的陰極保護等措施。

3 地鐵結構耐久性的設計要點

結構的耐久性是一項綜合性能，但是對地鐵結構來說，提高耐久性的措施有一個共同之處。其設計要點主要從材料選擇、構造措施和施工措施這三方面考慮。

3.1 地鐵材料的選擇

施工中應減小大體積混凝土澆筑時產生的水化熱，以降低溫度應力對車站結構產生的危害，同時車站結構的頂板、底板、側墻的混凝土應具有良好的自防水性能。因此，在地鐵結構中的水泥材料應該選擇堿性含量小，耐熱性等性能良好的水泥。混凝土集料的選擇也應該考慮堿活性，進行合理的級配，改善混凝土的堿性，提高混凝土的密實度。

在進行地鐵設計時，要進行現場環境的勘察，由于地質條件的差異，土壤中存在各種各樣侵蝕物質，因此采用高性能的混凝土也是提高結構耐久性的一種有效的方法。一般都是采用高性能的優質水泥，優質的摻合料和高效減水劑，并利用高效減水劑盡量降低混凝土的水膠比。

3.2 構造措施和結構設計

結合地鐵結構的自身特點，改善地鐵結構耐久性的構造措施主要有：地鐵的結構形式應該盡量保持構建截面均勻，避免截面出現棱角，從而減小混凝土產生收縮力，防止裂縫現象的出現。結構構件應按其使用環境確定相應的混凝土保護層厚度。結構設計應該著重考慮混凝土的裂縫寬度，預防外界物質滲入內部腐蝕鋼筋。在進行地鐵結構設計時也應該考慮構件局部損壞后的整體耐受能力，還要注意局部的防水設計，防止水進入到內部對地鐵結構產生損害，影響地鐵的使用壽命。

3.3 施工過程中措施

在施工的過程中應該有效的釋放水泥水化過程中產生的熱量，防止因為溫度的變化引起結構產生裂縫，從而導致鋼筋出現上銹的現象。暴露在混凝土外的金屬部件要進行有效的保護，防止出現氧化生銹的現象。在潮濕的環境中更要采取合理的防腐措施，保證部件的安全性，防止氧化。施工中應嚴格遵守混凝土養護制度和施工環境要求等，為地鐵結構具有良好的耐久性打下堅實的基礎。

結束語

影響地鐵地下工程耐久性的因素很多，工程結構設計人員應該借鑒國內外的成功經驗與做法，充分考慮到現階段的施工管理水平和材料工藝水平，設置適當的安全度和富裕度，運用科學合理的管理和設計辦法，最終提高地鐵結構的耐久性。

參考文獻：

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