大橫琴山隧道工程混凝土耐久性質(zhì)量控制研究*

周 健，肖時(shí)輝，彭巨情，李 鵬，張 碩

1.中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018

2.珠海大橫琴股份有限公司，廣東 珠海 519000

3.廣州市建筑科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510440

4.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641

我國(guó)陸路水路航空基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼，其中隧道總數(shù)和總長(zhǎng)度增長(zhǎng)迅猛。截至2018 年底，中國(guó)正在運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道共計(jì)15117 座，總長(zhǎng)16331km[1]，公路隧道共計(jì)17738 處，總長(zhǎng)17236km[2]，隧道的建設(shè)投入仍在不斷增大。隧道工程主要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，一般陸上隧道處于圍巖的覆蓋之下，水底隧道則處于江河湖海水底表面或水底地層之下，建設(shè)隱蔽性強(qiáng)，易受各種劣化因素的影響[3]。

1 工程概況

大橫琴山隧道工程（一期）地處珠海市橫琴新區(qū)，是橫琴新區(qū)路網(wǎng)骨架三條快速路和“兩橫、一縱、一環(huán)”的主干道中“一縱”中心大道的南延伸段。路線北起香江路與中心大道交叉口，路線沿中心大道向南，隧道下穿已建橫琴大道，下穿待建珠機(jī)城軌二期工程，上跨已建長(zhǎng)隆隧道，一期終點(diǎn)位于規(guī)劃環(huán)島南路北側(cè)，路線全長(zhǎng)約5.81km。

2 工程主要環(huán)境特點(diǎn)

工程結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期服役性能與其所處的自然環(huán)境密切相關(guān)，決定了應(yīng)重點(diǎn)控制的耐久性指標(biāo)種類。

工程位于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候帶，年降水量大，補(bǔ)給面積廣，地下水含量豐富。地下水可沿基巖裂隙和覆蓋層孔隙到達(dá)隧道結(jié)構(gòu)處。同時(shí)，根據(jù)勘察報(bào)告中的水質(zhì)評(píng)價(jià)，地下水對(duì)隧道的混凝土和鋼筋材料具有微至中腐蝕性，這對(duì)隧道結(jié)構(gòu)健康服役會(huì)產(chǎn)生不利影響。

項(xiàng)目所處場(chǎng)地?cái)嗔褬?gòu)造極其發(fā)育，由于節(jié)理密集，巖體破碎，透水性強(qiáng)，通過(guò)大氣降水滲入補(bǔ)給，形成地下水富集區(qū)。又因常年雨水充沛，地下水位較高，因此隧道混凝土結(jié)構(gòu)除了面對(duì)地下水的腐蝕作用，還受到一定水壓力的影響。另外，在隧道明挖段和進(jìn)出口段，水位變化因氣候、季節(jié)而異，與場(chǎng)地外側(cè)海水水力聯(lián)系密切，互呈補(bǔ)排關(guān)系，且受潮水影響較大，水位不穩(wěn)定，因此混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)面臨頻繁的干濕交替作用。綜上所述，需要重視腐蝕性地下水與水壓或干濕循環(huán)的共同作用對(duì)隧道混凝土耐久性造成的影響。

3 耐久性指標(biāo)測(cè)控

3.1 混凝土原材料耐久性指標(biāo)測(cè)控

混凝土原材料中的侵蝕性組分是影響混凝土耐久性的主要因素，在混凝土設(shè)計(jì)配合比已經(jīng)確定的前提下，保證隧道混凝土的耐久性質(zhì)量應(yīng)首先從源頭上控制各原材料中的有害成分含量。

氯離子是誘發(fā)混凝土中鋼筋銹蝕的因素之一，應(yīng)對(duì)各類原材料的氯離子含量進(jìn)行嚴(yán)格控制。根據(jù)《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）的要求，水泥中的氯離子含量不應(yīng)大于0.06%；根據(jù)《砂漿和混凝土用硅灰》（GB/T 27690—2011）和《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》（GB/T 18046—2017），硅灰和礦渣粉的氯離子含量限值分別為0.1%和0.06%；根據(jù)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10005—2010），粉煤灰的氯離子含量限值為0.02%；對(duì)于鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土用砂，根據(jù)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52—2006）規(guī)定，砂的氯離子含量分別不應(yīng)大于0.06%和0.02%；對(duì)于鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土拌和用水，根據(jù)《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 63—2006），拌和用水的氯離子含量對(duì)應(yīng)分別不超過(guò)500mg/L 和350mg/L。原材料氯離子含量的控制結(jié)果最終體現(xiàn)在混凝土拌和物氯離子含量上。混凝土拌和物氯離子含量應(yīng)達(dá)到《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50164—2011）對(duì)潮濕且含有氯離子環(huán)境的要求。

混凝土的內(nèi)環(huán)境一般呈堿性，堿可與骨料中的活性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致混凝土的脹裂破壞，因此堿-骨料反應(yīng)對(duì)混凝土耐久性是一種潛在危害。應(yīng)避免使用具有堿活性的骨料，但當(dāng)砂、石的來(lái)源已確定并經(jīng)檢驗(yàn)存在一定堿活性時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土中的總堿含量，這同樣也需要從原材料入手。《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）要求水泥中的堿含量不應(yīng)大于0.6%；《砂漿和混凝土用硅灰》（GB/T 27690—2011）規(guī)定硅灰的總堿量限值為1.5%；《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 63—2006）針對(duì)鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土和素混凝土的拌和用水的堿含量限值規(guī)定相同，均為1500mg/L。綜上所述，最終應(yīng)控制混凝土內(nèi)的堿含量不超過(guò)3kg/m3。

3.2 針對(duì)外環(huán)境的混凝土耐久性指標(biāo)控制

大橫琴山隧道所在地地下水含量豐富且含有氯離子、硫酸根離子等侵蝕性離子，并存在高水壓和干濕交替作用，因此應(yīng)有針對(duì)性地對(duì)這些環(huán)境下的混凝土耐久性進(jìn)行考查，有計(jì)劃地對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土耐久性指標(biāo)進(jìn)行測(cè)控，耐久性質(zhì)量控制應(yīng)貫穿整個(gè)施工階段。

混凝土的抗?jié)B性和抗氯離子的侵蝕性一直是隧道工程關(guān)注的要點(diǎn)。混凝土抗?jié)B等級(jí)在設(shè)計(jì)階段便根據(jù)環(huán)境條件和結(jié)構(gòu)重要性進(jìn)行確定，大橫琴山隧道主體結(jié)構(gòu)的混凝土設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)為P8，應(yīng)在澆筑時(shí)預(yù)留試塊以備測(cè)試，按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。混凝土抗氯離子滲透性和鋼筋保護(hù)層厚度可以決定隧道結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕起始時(shí)間。混凝土的抗氯離子滲透性可由兩種耐久性指標(biāo)表征：混凝土電通量和氯離子遷移系數(shù)。兩項(xiàng)測(cè)試均為室內(nèi)試驗(yàn)，需要使用工程現(xiàn)場(chǎng)澆筑的試塊進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方法應(yīng)符合《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）的要求。大橫琴山隧道在耐久性設(shè)計(jì)時(shí)并未對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行明確要求，但仍可進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試，在已知氯離子擴(kuò)散性和鋼筋保護(hù)層厚度的情況下，可大致推測(cè)氯離子在混凝土中的遷移深度并判斷鋼筋是否存在銹蝕風(fēng)險(xiǎn)，從而制訂運(yùn)營(yíng)維護(hù)計(jì)劃。

上述指標(biāo)均可在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中找到相應(yīng)測(cè)試方法，然而針對(duì)高水壓或干濕交替作用下混凝土侵蝕性離子遷移規(guī)律的測(cè)試方法暫未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，尚未收錄至規(guī)范中。已有文獻(xiàn)[4,5]揭示了兩種作用對(duì)離子遷移速率的促進(jìn)作用，若不考慮，可能會(huì)高估混凝土結(jié)構(gòu)的抗侵蝕性，因此有必要針對(duì)具體侵蝕場(chǎng)景設(shè)計(jì)專用方法開展試驗(yàn)研究。通過(guò)地下水質(zhì)分析，得到各類侵蝕性離子的濃度，在試驗(yàn)室中可配制相似溶液用于模擬真實(shí)水環(huán)境。大橫琴山隧道部分區(qū)域巖體透水性強(qiáng)，大氣降水充沛時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)會(huì)面臨高水壓作用。大橫琴山海拔約200m，估計(jì)極端情況下隧道結(jié)構(gòu)將承載200m 水頭壓力，即2MPa 水壓，可采用專用增壓設(shè)備模擬該水頭壓力，考查該環(huán)境下混凝土內(nèi)侵蝕性離子的遷移規(guī)律；通過(guò)對(duì)工程所在地的氣溫和降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析，獲取年干濕循環(huán)數(shù)量和對(duì)應(yīng)的氣溫變化規(guī)律，再通過(guò)干濕循環(huán)試驗(yàn)機(jī)模擬該環(huán)境條件，考查干濕交替作用對(duì)混凝土耐久性的影響。通過(guò)這些試驗(yàn)，在一定程度上推斷侵蝕性環(huán)境中混凝土的耐久性退化速率，為后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供參考。

4 指標(biāo)控制重點(diǎn)區(qū)域

隧道工程所采用的混凝土配合比在施工過(guò)程中雖已基本固定，但商品混凝土質(zhì)量會(huì)隨著原材料批次、生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、澆筑現(xiàn)場(chǎng)溫度和濕度等多種因素的變化而發(fā)生改變，為規(guī)避這種不確定性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土進(jìn)行耐久性指標(biāo)測(cè)控是非常必要的。對(duì)所有批次的商品混凝土進(jìn)行耐久性指標(biāo)測(cè)試會(huì)耗費(fèi)大量人力物力，而有針對(duì)性地選擇測(cè)控重點(diǎn)區(qū)域既能節(jié)約成本，又能抓住質(zhì)量控制關(guān)鍵。

對(duì)于大橫琴山隧道工程，其測(cè)控重點(diǎn)可以歸納為三類：一是隧道出入口區(qū)域，該區(qū)域受到頻繁的干濕交替作用，不利于混凝土的長(zhǎng)期服役；二是隧道與斷裂破碎帶的交匯處，該區(qū)域更易富集地下水，隧道混凝土結(jié)構(gòu)受到更直接的地下水侵蝕作用，并可能面臨更高水頭壓力作用；三是與其他隧道路線的交匯點(diǎn)，該區(qū)域結(jié)構(gòu)承受的荷載較復(fù)雜，復(fù)雜荷載與復(fù)雜水環(huán)境為結(jié)構(gòu)耐久性帶來(lái)更多不確定性，因此必須對(duì)該區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)測(cè)控。

5 結(jié)束語(yǔ)

隧道工程混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)常面臨較惡劣的外部環(huán)境，遭遇侵蝕性水環(huán)境的概率遠(yuǎn)大于地上建筑。而且隧道作為區(qū)域間聯(lián)系的重要交通紐帶，長(zhǎng)期的健康運(yùn)營(yíng)服役尤為重要，因此對(duì)隧道混凝土進(jìn)行耐久性指標(biāo)測(cè)控應(yīng)作為隧道工程建設(shè)中的必要組成部分。針對(duì)內(nèi)、外環(huán)境因素，應(yīng)對(duì)施工過(guò)程中商品混凝土的各類原材料進(jìn)行耐久性質(zhì)量控制，還應(yīng)針對(duì)工程具體環(huán)境制訂專用耐久性研究方案，如此不僅可以有效保證工程壽命，還可為運(yùn)營(yíng)期的維護(hù)提供參考。