地下結構防腐蝕性設計研究
——以佛山地鐵4號線為例

林 湘 李 智

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司, 廣州 510010; 2.佛山軌道交通設計研究院有限公司,廣東佛山 528315)

引言

地下水腐蝕對地鐵架構耐久性有較大影響,已有許多學者進行相關研究。師瑩瑩認為,硫酸根和鎂離子只是通過破壞鈍化膜達到間接腐蝕鋼筋的目的,而自身對鋼筋侵蝕較弱,鋼筋侵蝕主要由氯離子引起,當氯離子濃度達到2 000 mg/L時,腐蝕規律會發生突變[1];馮瓊等發現水膠比為0.35時,鋼筋混凝土的耐腐蝕性最好[2];喬紅霞等通過多種試驗,發現在強腐蝕環境下,水膠比為0.35,粉煤灰摻量30%的混凝土耐久性最佳[3-5];盧霄等通過試驗研究,驗證摻入硅灰及宏觀水膠比的降低可有效提升混凝土在雜散電流—氯鹽溶液—疲勞荷載三因素耦合條件下的抗腐蝕能力[6];劉恩軍等就闡述地下水的腐蝕機理,并結合深圳地鐵一期工程論述防治侵蝕性地下水的措施[7-8];周偉生在深圳地鐵建設中,提出雙摻技術、保證保護層厚度等措施[9]。曹權等對地鐵結構腐蝕性評價提出具體建議,按照GB50021—2009《巖土工程勘察規范》進行評判,主體結構按干濕交替考慮[10-11];黃文新針對廣州地鐵腐蝕環境下的結構耐久性進行試驗研究,并提出一些設計建議[12-13];尹濤等以廣州某地鐵站設計為例,采取方案比選及專家審查的形式,最終確定的方案為不提高混凝土強度等級,圍護結構抗滲等級由P6提高至P8,適當增加主體結構抗滲等級,外側保護層厚度采取50 mm,摻入粉煤灰和減水劑[14];楊永風通過試驗,采用可靠度理論,預測某區間地鐵混凝土在碳酸水濃度為40 mg/L的地下水作用下的服役壽命約為115年[15];廈門、福州、青島等城市地鐵建設也有相類似的研究成果,但是多集中在研究腐蝕機理、統計分析等領域,對設計的建議均為籠統性,可操作性不強[16-20]。

目前,對耐久性設計有說明的規范主要有GB50157—2013《地鐵設計規范》、GB/T 50476—2019《混凝土結構耐久性設計標準》、GB50021—2009《巖土工程勘察規范》、GB/T50046—2018《工業建筑防腐蝕設計標準》、TB10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》等,各規范對結構抗腐蝕性相關指標均有要求,但可操作性不強。因此,以上述規范為依據,以下結果深圳、廣州、佛山地區既有線路的設計做法,以期提出可供具有操作性的建議。

1 各規范要求

1.1 GB50157—2013《地鐵設計規范》

(1)11.1.7條規定,地下結構的耐久性設計宜按現行國家標準GB/T 50476《混凝土結構耐久性設計規范》的有關規定執行。

(2)12.2.4條規定,當結構處于侵蝕性地層時,防水混凝土的氯離子擴散系數不宜大于4.0×10-12m2/s,裝配式鋼筋混凝土結構的氯離子擴散系數不宜大于3.0×10-12m2/s。

(3)11.3.2條文說明,混凝土強度等級的提高會導致超長結構混凝土的收縮應力和溫度應力增大。因此,設計時不宜盲目提高混凝土的強度等級,宜適當采取措施控制混凝土的漲縮影響。

1.2 GB/T 50476—2019《混凝土結構耐久性設計標準》

(1)3.2節環境類別和環境作用等級中,將環境類別分為Ⅰ～Ⅴ共5個類別,將環境作用等級分為A～F共6個等級(C～F為中等及以上腐蝕性環境下)。其中,佛山地區地鐵建設所處的腐蝕環境一般為Ⅳ和Ⅴ類環境下的C～F作用等級,見表1。

表1 環境作用等級

(2)3.4節對混凝土最低強度提出要求,對設計使用年限為100年的結構,Ⅳ-C、Ⅳ-D、Ⅴ-C、Ⅴ-D腐蝕環境下,混凝土最低強度等級為C45,Ⅳ-E、Ⅴ-E腐蝕環境下,混凝土最低強度等級為C50。

(3)3.5節對結構表面裂縫提出要求,C、D腐蝕環境下,結構表面裂縫寬度限制為0.20 mm,E環境下,結構表面裂縫寬度限制為0.15 mm。

(4)第6章對Ⅳ類環境下的最大水膠比和最小保護層厚度提出要求,見表2。

表2 Ⅳ類環境下混凝土強度等級、最大水膠比、鋼筋最小保護層厚度要求

Tab.2 Requirements for Concrete Strength Grade, Maximum Water Cement Ratio, and Minimum Protective Layer Thickness of Reinforcement in Class IV Environment

(5)第7章對Ⅴ類環境下的最大水膠比和最小保護層厚度提出了要求,見表3。

表3 Ⅴ類環境下混凝土強度等級、最大水膠比、鋼筋最小保護層厚度要求

Tab.3 Requirements for Concrete Strength Grade, Maximum Water Cement Ratio, and Minimum Protective Layer Thickness of Reinforcement in Class V Environment

1.3 GB50021—2009《巖土工程勘察規范》

本規范第12章“水和土腐蝕性評價”中,地下水腐蝕性分為強、中、弱、微共4個等級;12.2.6條提出,水、土對建筑材料腐蝕的防護應符合GB 50046《工業建筑防腐蝕設計規范》的規定。而專門針對地鐵的GB50307—2012《城市軌道交通巖土工程勘察規范》10.2.5條提出,對工程有影響的地下水應采取水試樣進行水質分析,水質分析試驗應符合GB50021《巖土工程勘察規范》的有關規定。

1.4 GB/T50046—2018《工業建筑防腐蝕設計標準》

(1)4.2.3條,在腐蝕環境下,設計使用年限為50年的結構混凝土耐久性基本要求見表4。

表4 結構混凝土材料的基本要求

(2)4.2.5條,設計使用年限為50年的混凝土最小保護層厚度見表5。

表5 混凝土保護層最小厚度 mm

(3)4.2.4條,設計年限為50年的結構,對裂縫寬度允許值提出要求。中等腐蝕環境下,結構表面裂縫寬度限制為0.20 mm;強腐蝕環境下,結構表面裂縫寬度限制為0.15 mm。規范未對設計使用年限為100年的結構進行特殊說明。

(4)4.2.7條,對承重構件最小鋼筋直徑提出了要求,不宜小于16 mm。

1.5 TB10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》

(1)第4章環境中,將環境類別分為碳化環境、氯鹽環境等6個類別,每個類別根據環境條件又分為3～4個等級。

(2)第5章中,分別規定混凝土的原材料、配合比、強度、電通量、氯離子擴散系數、抗硫酸鹽結晶破壞等級等要求。

(3)第6章對裂縫提出要求。

(4)第7章對保護層厚度提出要求。

1.6 各規范差異

由上述分析可知,各規范對于腐蝕性的評判及處理均不一致,以氯化物環境中的現澆鋼筋混凝土結構為例,差異見表6。

表6 各規范差異分析

由表6可知,對于混凝土強度等級、水膠比、氯離子擴散系數、混凝土保護層厚度及裂縫寬度,各規范要求不同,無統一標準。而對礦渣粉、粉煤灰及電通量等要求,僅TB10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》中有明確要求,因此,需根據目前實際應用情況,巧用規范。

2 工程實例

佛山地鐵4號線一期工程正線全長55.25 km,其中地下段49.17 km,過渡段0.82 km,高架段5.26 km。共設33座車站(地下站30座、高架站3座),其中換乘站14座。全線設置車輛基地2座,分別為大塱山停車場和平勝車輛段。

工程所處環境地下水存在中-強腐蝕性,如何進行針對性的處理成為本工程的難點。

依據相關規范,以既有線路的處理經驗為基礎,從腐蝕性的判定、存在的問題進行分析,制定本線路的處理方案,該方案具有規范滿足性強,適應范圍廣的特點,可推廣應用于其他類似工程。

2.1 腐蝕性等級判定

根據混凝土結構耐久性設計標準修改后的腐蝕性統計(見表7),從既有已出詳勘報告的情況分析,若按長期浸水,各規范結論差異較大,若按耐久性標準判斷,超80%的圍護結構都需采取特殊措施;若按干濕交替,需處理的站點也增加1倍。

表7 佛山地鐵4號線詳勘站點腐蝕性判定

2.2 腐蝕性處理存在的問題

(1)圍護結構

按長期侵水考慮,采用勘察規范判定,少數點圍護結構需特殊處理,參考佛山地鐵3號線、廣州地鐵7號線西延至順德段處理原則,在不提高混凝土等級的前提下,通過調整配合比來解決;若采用耐久性標準,混凝土強度等級就不符合要求,且不能減小至C35,將帶來大體積混凝土澆筑問題,其綜合質量不可控,執行存在問題。

(2)主體結構

按干濕交替考慮,采用勘察規范判定,10個點的主體結構需特殊處理,參考佛山地鐵3號線處理原則,在不提高混凝土等級的前提下,通過調整配合比、加強檢測、控制保護層厚度及裂縫寬度來解決;若采用耐久性標準,混凝土強度等級不符合要求,且不能減小至C35,與一貫做法不同。

3 處理方案

參考深圳地鐵11號線經驗,結合佛山地鐵2、3號線實施情況,佛山地鐵四號線耐腐蝕性處理方案如下。

(1)混凝土強度

地下連續墻混凝土配合比的強度和抗滲等級為水下C35和P8,試配時宜提高一級。主體結構采用C35混凝土,在中等腐蝕性環境下,車站埋深小于20 m時抗滲等級為P8,埋深20～30 m時抗滲等級為P10;強腐蝕環境下,抗滲等級為P10。區間管片混凝土強度等級為C50,抗滲等級為P12。

(2)水膠比

中等腐蝕環境下,水膠比≯0.40,強腐蝕環境下,水膠比≯0.38(侵蝕性碳酸環境≯0.36)。

(3)礦渣粉、粉煤灰、含氣量、坍落度

礦渣粉摻量為35%～40%,粉煤灰摻量為15%～20%,含氣量為4%～5%,塌落度取180 mm±20 mm。

(4)28 d氯離子擴散系數(RCM法)

氯鹽侵蝕環境下,明挖結構氯離子擴散系數≤4.0×10-12m2/s,盾構管片氯離子擴散系數≤3.0×10-12m2/s。

(5)28 d混凝土抗硫酸鹽等級

硫酸鹽腐蝕中等腐蝕環境下≥KS90,強腐蝕環境下≥KS150。

(6)電通量

C35混凝土,56 d電通量<1 200 C,C50混凝土,56 d電通量<1 000 C。

(7)混凝土保護層厚度

Cl-離子、pH值強腐蝕條件下的明挖結構外側保護層厚度取55 mm,中等腐蝕及其余腐蝕情況下明挖結構外側保護層厚度取50 mm,區間管片外側保護層厚度為35 mm。

(8)結構表面裂縫寬度

Cl-離子、pH值強腐蝕條件下,負一層處頂板及相鄰側墻位置裂縫寬度按0.15 mm控制,車站其余位置、區間管片均按0.20 mm控制裂;中等腐蝕條件下的裂縫寬度均按0.20 mm控制。

目前,4號線綠島湖北站已采用上述方案完成了主體材料的檢測,水膠比取0.35,礦渣粉摻量為35%,粉煤灰摻量為15%,含氣量為4.4%,其中實際28 d強度為58.5 MPa,抗滲等級為P12,56 d電通量為1195C,滿足設計要求。塌落度為210 mm。

4 結論

通過對不同規范、不同城市耐侵蝕性的處理方案分析,結合地鐵工程及佛山地區做法,提出一套耐侵蝕性處理方案,主要結論如下。

(1)地鐵圍護結構建議采用C35,P8混凝土,試配時宜提高一級。

(2)主體結構不宜提高混凝土強度等級,可通過限制水膠比、采用雙摻技術、控制含氣量、坍落度、氯離子擴散系數、抗硫酸鹽等級、電通量等方式進行材料耐久性處理。

(3)Cl-離子、pH值強腐蝕條件下,明挖結構外側保護層厚度取55 mm,中等腐蝕及其余腐蝕情況下明挖結構外側保護層厚度取50 mm,區間管片外側保護層厚度為35 mm。