考慮氯鹽侵蝕作用下的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究

孟鵬

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430056）

0 引言

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，因混凝土耐久性病害而造成的工程問(wèn)題非常嚴(yán)重［1-3］。隧道設(shè)計(jì)使用年限要求為100 年，在各項(xiàng)防腐措施、混凝土保護(hù)措施、鋼筋保護(hù)措施的作用下，混凝土的壽命預(yù)測(cè)、力學(xué)性能研究非常重要［4，5］。對(duì)于跨海盾構(gòu)隧道領(lǐng)域，特別是針對(duì)內(nèi)部行車、外部與周圍地層接觸的圓形特殊結(jié)構(gòu)，耐久性的研究還較少［6，7］。

國(guó)內(nèi)外在耐久性方面研究通常為混凝土及鋼筋材料、混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件、混凝土的自身結(jié)構(gòu)三個(gè)方向。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于材料和構(gòu)件的研究已非常深入，研究了各種外界環(huán)境對(duì)混凝土材料工作性能的影響，如大氣、海水、化學(xué)侵蝕等。關(guān)于結(jié)構(gòu)耐久性的研究主要集中在結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)定和壽命預(yù)測(cè)兩方面，國(guó)內(nèi)在該方面的研究起步較晚，研究的主要目的是解決新建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)或?qū)ǔ山Y(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估預(yù)測(cè)。

考慮到耐久性對(duì)氯鹽侵蝕環(huán)境下的隧道結(jié)構(gòu)影響很大，其結(jié)構(gòu)受力研究較少，因此，文中通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法，研究隧道襯砌在氯鹽侵蝕環(huán)境下全壽命周期內(nèi)力學(xué)特性的變化規(guī)律，并考慮襯砌結(jié)構(gòu)劣化，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，研究襯砌結(jié)構(gòu)全生命周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)承載力變化特征。

1 工程概況

孟加拉卡納普里河底隧道位于孟加拉灣入海口，隧道采用盾構(gòu)法修建，為80km/h雙向雙洞4車道公路水下隧道。盾構(gòu)段長(zhǎng)約2450m，管片外徑11.8m，管片厚度50cm，采用C50混凝土。該地區(qū)屬于熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年降雨量充沛，雨季明顯。地下水類型為潛水。主要土層為黏性土層和砂土層。

地區(qū)的水質(zhì)分析如表1所示。根據(jù)地勘報(bào)告對(duì)水質(zhì)的分析結(jié)果，區(qū)域場(chǎng)地內(nèi)地表水對(duì)管片結(jié)構(gòu)、鋼筋在長(zhǎng)期浸水、干濕交替條件下具弱腐蝕性。地下水中的SO42-對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕為弱腐蝕，侵蝕性CO2對(duì)混凝土腐蝕為強(qiáng)腐蝕，Cl-對(duì)隧道混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有強(qiáng)腐蝕性。

表1 場(chǎng)地土體腐蝕性評(píng)價(jià)

2 盾構(gòu)隧道有限元模型計(jì)算

2.1 有限元模型建立

根據(jù)地勘資料及孟加拉國(guó)河底隧道典型橫斷面，并考慮盾構(gòu)隧道為細(xì)長(zhǎng)平面應(yīng)變結(jié)構(gòu)，建立二維有限元模型進(jìn)行計(jì)算。圖1給出有限元模型網(wǎng)格。為了保證模型盡可能的反應(yīng)實(shí)際工程，同時(shí)考慮數(shù)值模擬的邊界效應(yīng)，模型長(zhǎng)130m，寬度70m，模型兩側(cè)約束水平位移，底部約束豎向位移。隧道管片采用線彈性梁?jiǎn)卧M，同時(shí)考慮管片間的接頭剛度。地層參照該項(xiàng)目實(shí)際土層選取典型斷面，即盾構(gòu)被全斷面砂層包裹的情況。

圖1 有限元模型

2.2 參數(shù)選取

管片采用50cm厚的C60混凝土材料，管片接頭剛度按8000kN·m/rad考慮。結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

第1層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚度5.6m；第2層為粉砂，厚度7.3m；第3層為粉細(xì)砂，厚度33m，第4層為厚層密實(shí)的粉細(xì)砂，主要礦物成份為石英、長(zhǎng)石等，該層強(qiáng)度較高，力學(xué)性質(zhì)較好，厚度為33.2m；第5 層為密實(shí)粉細(xì)砂，顆粒級(jí)配差，成分較均勻，厚度為11m；第六層為粉質(zhì)粘土，具低壓縮性，強(qiáng)度高，力學(xué)性質(zhì)好，厚度為3m。地層參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 地層參數(shù)

根據(jù)牛荻濤公式，計(jì)算可得鋼筋銹脹導(dǎo)致混凝土保護(hù)層銹裂的臨界鋼筋銹蝕率為9.24%。目前的試驗(yàn)研究一般以到鋼筋銹蝕率達(dá)到臨界銹蝕率為止，其后的力學(xué)性態(tài)與銹裂前已相同，因此研究重點(diǎn)研究銹裂前的力學(xué)性能變化。臨界銹蝕率條件下計(jì)算所得的彈性模量衰減率如表4所示。

表4 不同混凝土等級(jí)銹裂臨界時(shí)彈性模量衰減率

根據(jù)計(jì)算所得臨界鋼筋銹蝕率，且項(xiàng)目選用的混凝土等級(jí)為C60，混凝土管片達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)的彈性模量衰減率為45.61%，選擇彈性模量衰減率45%作為分析的最大值C60混凝土的鋼筋銹蝕時(shí)間，約為41.4年。

2.3 模擬步驟

管片腐蝕劣化的模擬過(guò)程如下：

（1） 建立分析區(qū)域內(nèi)的有限元模型，施加重力，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡。

（2） 通過(guò)軟化彈性模量法，降低開挖區(qū)域彈性模量，應(yīng)力釋放系數(shù)為0.6、0.4。

（3） 激活外管片單元，模擬外管片的施工。

（4） 將開挖區(qū)域的土體單元“殺死”，模擬土體開挖。

（5） 依次降低外管片彈性模量5%，直至45%。

3 結(jié)果分析

3.1 盾構(gòu)隧道在氯鹽腐蝕下的管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形分析

按照文中的計(jì)算步驟，研究單洞隧道在未腐蝕和腐蝕后隧道變形及受力。圖2給出了腐蝕前隧道的土體變形圖，圖3給出了腐蝕后隧道的土體變形圖。

圖2 隧道腐蝕前土體變形圖（單位：m）

圖3 隧道腐蝕后周圍土體變形量絕對(duì)值等值圖（單位：m）

從腐蝕前后土體及襯砌的變形和受力結(jié)果來(lái)看，腐蝕后周圍土體的變形加大。腐蝕前后管片的受力結(jié)果：隧道的豎向變形從3.5cm 減小至2.1cm，襯砌頂部彎矩從586kN·m 減小至412kN·m。結(jié)果表明隨著襯砌的腐蝕程度的增加，管片剛度降低，管片的劣化，襯砌的力學(xué)性能在逐漸下降。

圖4給出了隧道管片最大彎矩絕對(duì)值和彈性模量衰減率關(guān)系圖，可以看出，隨著彈性模量衰減率的增大，管片的彎矩值逐漸減小。如圖5 給出了隧道管片最大彎矩絕對(duì)值和銹蝕時(shí)間關(guān)系圖，可以看出，隨著銹蝕時(shí)間的增加，管片彎矩逐漸減小。圖6 給出了隧道洞周豎向收斂值和銹蝕時(shí)間關(guān)系圖，可以看出隨著銹蝕時(shí)間的增加，隧道豎向收斂值逐漸增加。圖7 給出了隧道洞周側(cè)向收斂值和銹蝕時(shí)間關(guān)系圖，可以看出，隨著銹蝕時(shí)間的增加，隧道水平收斂增加速率較快。

圖4 隧道管片最大彎矩絕對(duì)值和彈性模量衰減率關(guān)系

圖5 隧道管片最大彎矩絕對(duì)值和銹蝕時(shí)間關(guān)系

圖6 隧道洞周豎向收斂值和銹蝕時(shí)間關(guān)系

圖7 隧道洞周側(cè)向收斂值和銹蝕時(shí)間關(guān)系

由于外部荷載的作用，管片在外荷載的作用下變形類似于扁圓狀，中間壓扁，兩側(cè)向外突出，管片分塊之間有一定轉(zhuǎn)角，其中最大位移發(fā)生在管片拱頂處。隨著氯離子對(duì)鋼筋混凝土的腐蝕，外管片的剛度逐步降低，土體和襯砌的內(nèi)力和位移發(fā)生變化。隨著管片腐蝕劣化，管片的彎矩也逐步降低，位移逐漸變大。

3.2 混凝土等級(jí)對(duì)氯鹽腐蝕下的盾構(gòu)隧道影響

試驗(yàn)和相關(guān)研究都表明，混凝土等級(jí)的提高有利于提高混凝土的抗腐蝕能力，主要有兩方面的原因：其一，高等級(jí)的混凝土原料，水灰比等的要求和等級(jí)都更高，而混凝土在氯鹽作用下的腐蝕本質(zhì)上是氯離子侵入混凝土引起鋼筋銹蝕，而這些因素可以大大減緩氯離子的侵入；另一方面結(jié)構(gòu)的劣化本質(zhì)上是由于鋼筋銹蝕膨脹后對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生擠壓作用，產(chǎn)生各種裂縫，降低結(jié)構(gòu)的性能，而高等級(jí)的混凝土往往有更高的強(qiáng)度和剛度，因此在腐蝕環(huán)境下能更為有效地抵抗結(jié)構(gòu)的劣化作用。

分別對(duì)管片采用C30、C40 和C50 等級(jí)的混凝土并結(jié)合鋼筋銹蝕率時(shí)程函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 不同混凝土等級(jí)下拱頂沉降和銹蝕時(shí)間關(guān)系

圖9 不同混凝土等級(jí)下拱頂沉降變化量和銹蝕時(shí)間關(guān)系

從圖8 可以看出，盾構(gòu)隧道在力學(xué)性能下降的情況下，頂端位移初期較為平緩，鋼筋銹蝕率和彈性模量衰減率較低增長(zhǎng)速度比較平緩，兩者后期開始迅速增長(zhǎng)。在鋼筋腐蝕的早期，由于鋼筋銹蝕率較低且鋼筋和混凝土之間存在一定的空隙，因此對(duì)構(gòu)件整體力學(xué)性能影響較小。隨著對(duì)混凝土的擠壓產(chǎn)生裂縫，鋼筋的銹蝕和混凝土構(gòu)件性能的下降都呈現(xiàn)出加速的趨勢(shì)。

從圖9 中可以看到，混凝土等級(jí)的提高也能夠抑制頂端位移隨著腐蝕推進(jìn)的增長(zhǎng)，這與我國(guó)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)范的規(guī)定是一致的，腐蝕環(huán)境越嚴(yán)重，混凝土等級(jí)的最低等級(jí)應(yīng)當(dāng)越高。

4 提高盾構(gòu)隧道管片耐久性工藝要求

考慮到氯鹽侵蝕環(huán)境下，混凝土管片的耐久性要求高，應(yīng)從施工控制、澆筑、預(yù)制、連接件及質(zhì)量體系的方面等嚴(yán)格把關(guān)，提高盾構(gòu)隧道管片的耐久性，施工工藝要求如下：

（1） 嚴(yán)格控制混凝土攪拌及澆筑過(guò)程的用水量和用水質(zhì)量，其中用水氯離子含量不超過(guò)500mg/L，硫酸鹽含量（以SO42-計(jì)）不得超過(guò)2000mg/L。未經(jīng)處理或檢測(cè)的海水和江水嚴(yán)禁直接用于近海盾構(gòu)隧道工程管片澆筑中。

（2） 根據(jù)混凝土相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制澆搗過(guò)程工藝流程及質(zhì)量，成型后的管片外弧面混凝土收水間隔時(shí)間以管片外弧面混凝土表面已達(dá)到初凝來(lái)控制。管片澆注成型后，在初凝前宜再次進(jìn)行壓面。

（3） 注重提高管片的預(yù)制技術(shù)的提高，包括鋼膜控制、鋼筋骨架制作、混凝土配制攪拌、成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)、脫模修補(bǔ)、二次養(yǎng)護(hù)。

（4） 確保管片連接件的耐久性，包括螺栓、彈性密封墊、軟木襯墊、剪力銷、定位桿、二次注漿孔結(jié)構(gòu)等。

（5） 建立嚴(yán)格的質(zhì)量控制體系，確保各個(gè)環(huán)節(jié)的記錄、檢查、核對(duì)、驗(yàn)收，確保施工流程標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)整個(gè)澆筑體系的材料、工藝、模具、堆放、進(jìn)出場(chǎng)、工藝等做到流程化管理。

5 結(jié)語(yǔ)

（1） 管片在外荷載的作用下變形類似于扁圓狀，最大位移發(fā)生在管片拱頂處。隨著管片腐蝕劣化，管片的彎矩也逐步降低，位移逐漸變大，水平收斂逐漸變大。

（2） 混凝土等級(jí)的升高可有效抑制管片變形，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性；隨著對(duì)混凝土的擠壓產(chǎn)生裂縫，鋼筋的銹蝕和混凝土構(gòu)件性能的下降都呈現(xiàn)出加速的趨勢(shì)；腐蝕環(huán)境越嚴(yán)重，混凝土等級(jí)的最低等級(jí)應(yīng)當(dāng)越高。

（3） 從混凝土用水、混凝土澆筑過(guò)程、預(yù)制技術(shù)、連接件耐久性、質(zhì)量控制體系等角度，提出了提高盾構(gòu)隧道管片耐久性工藝。