跨海地鐵盾構管片混凝土耐久性及壽命預測分析

王金龍，劉偉寶，楊 虎，陸采榮

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063; 2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029)

廈門軌道交通2號線為廈門市第一條穿越海底的軌道交通線路，線路全長39.1 km，全線設車站30座，平均站間距1.6 km，設計推薦采用盾構法施工。軌道交通2號線所穿越的廈門西港海域，海岸線較順直。廈門軌道交通2號線跨海段地質情況復雜多變，基巖面波動起伏大，基巖構造復雜，巖土層種類較多，巖土層的埋深、厚度及性能變化較大，且有多條風化槽，屬于國內首個跨海地鐵的實施案例，工程風險大，其成敗直接關系到整個2號線的成敗，成為2號線的重點和難點工程。

廈門軌道交通2號線跨海區間混凝土耐久性設計關系到百年大計。依據初勘階段水質分析成果，結合地鐵盾構隧道混凝土工況，按照設計使用年限100 年的目標，對關鍵技術參數進行分析并提出初步建議。在此基礎上通過開展混凝土配合比優化試驗確定了智欣、三航、蕪湖等3種原材料方案的盾構管片混凝土配合比，文中采用3種海洋環境混凝土壽命預測模型分別計算了推薦配合比混凝土的預測壽命。

1 環境類別和作用等級

綜合《混凝土結構耐久性設計標準》(GB/T 50476—2019)[1]和《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》(TB 10005—2010)[2]對環境作用等級的劃分以及地鐵2號線跨海區間實際環境條件，為了滿足100年的耐久性設計要求，對于一側接觸海水或含有海水土體，另一側接觸空氣的海中或海底隧道配筋混凝土結構構件(如盾構管片、車站混凝土結構)，其環境作用等級不宜低于Ⅲ-E。受施工擾動引起車站混凝土構件接觸海水或含海水土體時，其環境作用等級也不宜低于Ⅲ-E。若結構構件所處環境的年平均溫度高于20°C時，還應按炎熱地區考慮，其環境作用等級為Ⅲ-F。當混凝土構件所在位置地下水或受施工擾動后的地下水中含有氯離子質量濃度在500～5 000 mg/L時按Ⅲ-D考慮。對于周邊永久浸沒于海水或埋于土中的構件按Ⅲ-C考慮。

2 常見的混凝土壽命預測方法

混凝土的使用壽命預測方法主要有對比預測法、經驗預測法、數學模型預測法、加速試驗預測法以及隨機預測法等[3-9]。

1)對比預測法

該方法的假定條件是：混凝土如果在某一期限內是耐久的，則相似環境下的相似混凝土也將有同樣的壽命。顯然，由于材料、形狀、施工質量、荷載和環境的變異性，每一種混凝土結構往往是獨一無二的，不同的氣候條件也會影響混凝土的使用壽命。所以即便有相似的使用條件，將過去的經驗直接用來比較不太合理。因此該方法使用甚少。

2)經驗預測法

該方法根據既有工程經驗和研究基礎，制定一系列保證結構在環境作用下達到期望使用年限的技術措施與要求，一般也叫做定性預測法。現行規范和標準經常使用這種方法預估混凝土結構的使用壽命，其基本思路是如果混凝土結構能嚴格按標準的要求去實施，那么結構將會達到所需的壽命。當結構的壽命要求較低或周圍環境比較簡單時，可以采用這種方法預測；但是當結構使用壽命要求較高或周圍環境比較復雜多變時，這種預測方法會因缺乏相應的工程經驗而不能準確預測。

3)數學模型預測法

該方法是根據結構具體的環境作用，使用耐久性數學模型對構件的材料指標或者結構指標提出量化的要求，稱為定量預測方法。目前采用數學模型預測使用壽命是應用比較廣泛的一種方法，這種預測的準確程度與模型選取是否合理以及材料環境與模型參數選取是否準確有很大關系。

4)加速試驗預測法

在實驗室進行混凝土的耐久性試驗大多采用加速試驗，例如采用較高腐蝕濃度、較高溫度或濕度加速混凝土的劣化過程。進行加速試驗的突破點在于確定室內加速系數，這需要通過大量的調查研究和多年的工作積累，從而收集相似環境下實際混凝土結構長期暴露的相關數據。隨著自然暴露試驗越來越多，加速試驗預測方法有望成為今后預測混凝土結構使用壽命的重要方法。

5)隨機預測法

上面介紹壽命預測方法都屬于確定性的方法，即將結構使用壽命的所有影響因素作為確定的值，由此得到的結構使用壽命也是一個確定的值。但是在進行混凝土結構使用壽命預測時，無論采用哪一種壽命預測準則，由于影響結構使用壽命的因素很多，都不可能是個定值，而是一個隨機變量。如混凝土保護層厚度往往會有施工誤差，在工程實際中是服從正態分布的隨機變量，擴散系數也不是一個定值，因此計算出的結構使用壽命也應該是一個滿足一定概率分布的隨機變量，因此采用隨機變量概率法進行混凝土使用壽命預測是比較科學合理的，但相對來說使用起來非常復雜，還需要大量研究積累。

3 廈門軌道交通混凝土壽命預測方法

3.1 《海港工程高性能混凝土質量控制標準》(JTS 257-2—2012)評定方法

《海港工程高性能混凝土質量控制標準》(JTS 257-2—2012)評定方法(簡稱JTS評定方法)是主流的壽命預測方法之一，給出了明確的極限狀態劃分標準和每個階段時間的計算公式。方法將海洋環境下混凝土結構鋼筋銹蝕劣化進程所經歷的時間，分為3個階段：混凝土中鋼筋開始銹蝕階段ti、混凝土保護層銹脹開裂階段tc、混凝土功能明顯退化階段td，混凝土結構使用年限te是這3個階段時間和。即：

te=ti+tc+td

(1)

鋼筋開始銹蝕階段所經歷的時間ti按式(2)計算：

(2)

式中：c為混凝土保護層厚度，mm；Dt為混凝土氯離子有效擴散系數，10-12m2/s；erf為誤差函數；Ccr為混凝土中鋼筋開始發生銹蝕的臨界氯離子濃度，%；C0為混凝土中的初始氯離子濃度，%；γ為氯離子雙向滲透系數，角部區取1.2，非角部區取1.0；Cs為混凝土表面氯離子濃度，%。

混凝土有效擴散系數Dt按式(3)計算：

(3)

式中：Dt為混凝土氯離子有效擴散系數，10-12m2/s；Dref為快速試驗方法測定的混凝土氯離子擴散系數，10-12m2/s；tref為參考試驗時間，a；t為混凝土氯離子擴散系數衰減期，a；n為混凝土氯離子擴散系數的衰減系數；U為混凝土氯離子擴散過程的活化能，取35 000 J/mol；R為理想氣體常數，取8.314 J/(K·mol)；T0為參考溫度，取293 K；T為環境溫度。

混凝土保護層銹脹開裂階段所經歷的時間tc按式(4)計算：

(4)

式中：c為混凝土保護層厚度，mm；d為鋼筋原始直徑，mm；fuck為混凝土立方體抗壓強度標準值，MPa；λ1為保護層開裂前鋼筋平均腐蝕速度，mm/a。

混凝土功能明顯退化階段所經歷的時間td按式(5)計算：

(5)

式中：td為自保護層開裂到鋼筋截面積減小到原截面積90%所經歷的時間，a；d為鋼筋原始直徑，mm；λ2為保護層開裂后鋼筋平均腐蝕速度，mm/a。

3.2 《混凝土結構耐久性評定標準》(CECS 220：2007)評定方法

與JTS評定方法相比，《混凝土結構耐久性評定標準》(CECS 220：2007)評定方法(簡稱CECS評定方法)[10]考慮了氯離子擴散的時間依賴性，鋼筋開始銹蝕時間ti的預測公式見式(6)：

(6)

式中：D0為氯離子擴散系數，m2/a；ti為鋼筋開始銹蝕的時間，a；α為氯離子擴散系數時間依賴系數，可按α=0.2+0.4(wFA/50+wSG/70)計算，其中wFA為粉煤灰摻量，%，wSG為礦渣粉摻量，%(質量百分數)；Mcr為鋼筋銹蝕的臨界氯離子濃度，kg/m3；Ms為混凝土表面氯離子濃度，kg/m3。

3.3 多因素耦合評定方法(MFC)

多因素耦合評定方法[11]基于大量的試驗數據，通過簡化的理論模型開發出的考慮混凝土材料參數(水膠比、粉煤灰摻量、氯離子結合能力、擴散系數的時間依賴性)、結構構造參數(擴散維數、保護層厚度)和環境參數(干濕循環、溫度、凍融等)的多因素耦合壽命預測模型。鋼筋開始銹蝕時間t的預測公式見式(7)：

(7)

4 壽命預測結果

4.1 《海港工程高性能混凝土質量控制標準》(JTS 257-2—2012)預測結果

分別對采用智欣料、三航料、蕪湖料的混凝土推薦配合比進行耐久性預測。混凝土推薦配合比如表1所示，通過試驗獲得推薦配合比的初始氯離子含量、氯離子擴散系數和立方體抗壓強度，作為預測模型的部分基本參數取值，如表2所示。

表1 混凝土推薦配合比

表2 推薦配合比的混凝土性能取值

地鐵隧道環境溫度相對于外部氣溫更穩定，在秋冬季節，地鐵隧道內環境溫度會比室外氣溫高。外界大氣溫度與區間隧道環境溫度之差，隨著外界大氣溫度的降低而增大，特別是進入冬季以后，外界大氣溫度急劇下降，而區間隧道環境溫度由于土壤的蓄熱效應和列車運行等影響，下降幅度并不明顯。廈門市區年平均氣溫20.9 ℃，因此取環境溫度T=294 K。

推薦配合比雙摻粉煤灰和礦渣粉，因此取Dref為90 d實測值。

ti的計算依據式(2)進行，各參數的取值依據混凝土所處的環境按相應規定取值和計算得出。各參數取值及ti的計算結果見表3。

表3 ti計算參數取值及結果

tc的計算依據式(4)進行，各參數取值及tc的計算結果見表4。

表4 tc計算參數取值及結果

td的計算依據式(5)進行，各參數取值及td的計算結果見表5。

表5 td計算參數取值及結果

因此，由JTS評定方法預測的各推薦配合比的使用年限te如表6所示。

表6 JTS評定方法預測的各推薦配比使用年限 Tab.6 Predicted service life for recommended mixes by the JTS method 單位：a

由表6可知，推薦配合比使用年限te的預測結果在117～144 a，均大于100 a，能夠滿足使用100 a的要求。

4.2 《混凝土結構耐久性評定標準》(CECS 220：2007)預測結果

由CECS評定方法預測的各推薦配合比的使用年限te如表7所示。由表7可知，推薦配合比使用年限te的預測結果在136～172 a，均大于100 a，能夠滿足使用100 a的要求。

表7 CECS評定方法預測的各推薦配比使用年限 Tab.7 Predicted service life for recommended mixes by the CECS method 單位：a

4.3 多因素耦合(MFC)預測結果

由多因素耦合(MFC)方法預測的各推薦配合比的使用年限te如表8所示。由表8可知，推薦配合比使用年限te的預測結果在103～139 a，均大于100 a，能夠滿足使用100 a的要求。

表8 多因素耦合評定方法預測的各推薦配比使用年限 Tab.8 Predicted service life for recommended mixes by multi-factor coupling evaluation method 單位：a

4.4 預測結果分析

如圖1所示，采用CECS方法預測得出的壽命最長，在136～172 a，采用MFC方法預測得出的壽命最短，為103～139 a，3種預測模型計算得出的混凝土壽命均大于100 a。CECS方法計算得出的ti值比JTS方法計算出的ti值高17～28 a，這是由于CECS考慮了氯離子擴散的時間依賴性，即考慮了氯離子侵入混凝土結構的能力隨時間的增長不斷降低的影響。MFC方法計算得出的ti值比JTS方法算出的ti值低2～15 a，這是由于MFC模型充分考慮了多因素耦合作用下材料的劣化影響導致性能衰退速度明顯加快，因此計算得出的鋼筋開始銹蝕時間也會相應縮短。

圖1 三種預測模型計算結果對比

5 結 語

綜合《混凝土結構耐久性設計標準》(GB/T 50476—2019)和《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》(TB 10005—2010)對環境作用等級的劃分以及地鐵2號線跨海區間實際環境條件，按混凝土中鋼筋開始銹蝕階段ti、混凝土保護層銹脹開裂階段tc、混凝土功能明顯退化階段td三個階段考慮，分別使用《海港工程高性能混凝土質量控制標準》(JTS 257-2—2012)、《混凝土結構耐久性評定標準》(CECS 220：2007)、多因素耦合評價(MFC)等3種預測方法對混凝土結構使用年限進行預測，預測結果表明，廈門軌道交通地鐵2號線盾構管片混凝土使用年限在103～172 a。推薦配合比使用年限即使按最保守的計算模型，其計算結果仍大于100年，能夠滿足使用100年的要求。