菅 磊

隨著社會經濟的高速發(fā)展，人類對空間的開發(fā)利用呈現出加速趨勢，繼發(fā)達國家之后，我國海底隧道的建設也掀開了新的一頁，廈門翔安隧道已經建成通車，青島膠州灣隧道正在施工，港珠澳大橋工程項目中的海底隧道即將開始施工，大連海底隧道也在做前期工作。為了實現工程的使用價值，各工程項目都對使用年限提出了要求，當前我國重大工程項目設計使用年限一般是100年，如何保證隧道的耐久性，達到隧道的設計使用年限要求，還值得進一步深入研究。

1 海底隧道耐久性分析

隧道的安全穩(wěn)定是支護結構作用的結果，因而支護結構的耐久性是保證海底隧道耐久性的前提，研究海底隧道的耐久性應從研究支護結構的耐久性入手。

1.1 初期支護耐久性分析

對于復合襯砌，初期支護由錨桿、拱架、鋼筋網和噴射混凝土構成，海水對結構中的鋼材腐蝕速度是影響初期支護耐久性的主要因素，鋼筋銹蝕后膨脹會導致混凝土開裂、鋼筋與混凝土之間粘結力破壞、鋼筋受力截面減小、結構耐久性能降低等一系列不良后果[1]。當前的隧道設計中，為了提高支護結構的耐久性，普遍采用高性能抗?jié)B混凝土，目的是減少混凝土中的孔隙，進而減少海水中氯離子的侵入。為了提高混凝土的抗?jié)B性，翔安隧道在建設前期進行了抗?jié)B性研究，按照初期支護抗?jié)B等級大于P8、二次襯砌抗?jié)B等級大于P12的要求進行了混凝土配合比設計。應該說這個思路是好的，但由于隧道施工工藝的復雜性，施工環(huán)境較差，施工人員素質參差不齊，再加上我國勞動力素質普遍較低，實際施工中很難保證混凝土的抗?jié)B性。比較有代表性的原因有以下幾點:1)由于噴射混凝土角度把握不好，型鋼拱架背后和側面局部噴射不到位，混凝土內部產生空洞;2)有時為了盡快封閉圍巖以確保安全，來不及將拱架背后處理好，導致拱架背后混凝土保護層厚度不足，甚至沒有保護層;3)在圍巖及其他外力作用下，初期支護往往存在局部開裂變形，形成地下水滲入通道;4)對于軟弱圍巖中分部開挖的隧道，拱架連接處往往存在渣土清理不干凈的現象，導致初期支護混凝土內部夾雜著泥土。

由于以上種種原因，很難保證初期支護混凝土密實，雖然施工過程中對噴射混凝土的抗?jié)B性進行了檢測，但目前的檢測方法是對噴到大板上的混凝土樣品進行檢測，不能代表初期支護混凝土實體的抗?jié)B性，很多隧道初期支護嚴重滲水的事實證明了這一點。因此，構成初期支護的鋼拱架、鋼筋網和混凝土有相當一部分長期在具有嚴重侵蝕性的海水環(huán)境中工作，要研究初期支護的耐久性就要研究初期支護長期浸泡在海水中的耐久性，而不是混凝土的抗?jié)B等級達到P8時的耐久性。

但值得指出的是，由于混凝土結構中鋼結構的腐蝕屬于電化學腐蝕，腐蝕過程需要氧氣的參與，而在海底地層及初期支護結構的孔隙中是飽水的，氧氣含量十分有限，因而初期支護結構中的鋼材腐蝕較輕。

1.2 二次襯砌耐久性分析

對于二次襯砌混凝土，由于先期對初期支護滲水進行了處理，加上防水板的保護，能夠進入二次襯砌范圍的水量較少，如果再采取排水措施，則進入二次襯砌混凝土內部的海水少之又少。同時，二次襯砌作業(yè)環(huán)境和施工工藝相對初期支護要好得多，混凝土的密實度能夠得到保證，進入二次襯砌混凝土內部的水非常少，加上混凝土內部缺氧，海水對二次襯砌中部及外側的腐蝕作用很小，因此二次襯砌內部及外側的耐久性可以得到保證。但是，在二次襯砌內側，混凝土暴露于潮濕的海洋大氣中，大氣中的CO2導致混凝土碳化，Cl-對襯砌鋼筋產生腐蝕，汽車排放的熱量使腐蝕加快。研究表明[2]，溫度每升高10℃，腐蝕反應速度增加1倍。如果混凝土保護層厚度不足或混凝土表面有裂縫，則會加快鋼筋的腐蝕，鋼筋腐蝕后體積膨脹導致外層混凝土開裂甚至剝落，因而大氣環(huán)境對隧道內側的腐蝕程度顯著嚴重于海水對隧道外側的腐蝕。美國、日本、歐洲等國家將海水環(huán)境混凝土結構暴露部位劃分為三個區(qū):大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水下區(qū)。浪濺區(qū)鋼筋腐蝕破壞最為嚴重，其次是大氣區(qū)，水下區(qū)幾乎不會發(fā)生鋼筋腐蝕破壞[3]。隧道內側的防腐應作為重點。

1.3 預制鋼筋混凝土構件襯砌的腐蝕

對于沉管隧道和盾構隧道等由預制構件拼裝而成的襯砌結構，預制構件工廠化施工條件較好，如果質量控制得好，能夠有效防止海水中的氯離子進入鋼筋混凝土結構內部，但運輸和拼裝環(huán)節(jié)仍可能對構件造成破壞，如果拼裝質量不好，也會導致海水滲入，并且預制構件也會存在鋼筋保護層厚度不足的問題，因而宜對襯砌結構實施防腐處理，減少有害氣體和氧氣進入混凝土內部的通道。

2 提高襯砌結構耐久性的措施

目前我國隧道耐久性設計普遍采用高性能混凝土，對其他措施重視還不夠，在我國目前的施工管理水平下，僅僅采用高性能混凝土一種措施是不夠的，因為混凝土裂縫不同程度地普遍存在著，如果將希望寄托于維修措施，處理費用是很龐大的，因而應該在隧道設計上增加一些防腐措施，可行的途徑有以下幾種:

1)加強初期支護，讓初期支護承擔更多甚至全部荷載，二次襯砌作為安全儲備。這樣一方面可以加強早期支護，減少初期支護裂縫的產生，確保隧道施工安全，另一方面由于初期支護環(huán)境中氧氣含量極少，結構不易腐蝕，可以有效提高結構的耐久性。2)針對隧道襯砌結構腐蝕的原因，參考海港工程防腐設計的經驗，采用硅烷浸漬、環(huán)氧涂層鋼筋、鋼材阻銹劑等措施對襯砌鋼筋進行防腐處理[4]。3)對混凝土進行飾面保護。根據以上的分析，隧道內側大氣環(huán)境中的鋼筋混凝土較易腐蝕，尤其是鋼筋保護層厚度不足和表面裂縫是混凝土施工質量通病的情況下，在鋼筋混凝土襯砌表面噴射一定厚度的環(huán)氧涂層，封閉混凝土表面裂縫，減少表面孔隙，阻止氧氣和有害氣體的進入，不僅可以對內側鋼筋混凝土具有防腐作用，對外側的支護結構也具有很好的防腐作用。這種措施比較有針對性，簡單易行。

3 結語

由于海底隧道維修困難，維護費用高，應在建設階段對耐久性給予足夠的重視，在技術經濟比較的基礎上采取一切可行的手段保證耐久性的實現，防腐蝕耐久性設計應遵守保證混凝土結構在設計工作壽命期的安全、正常使用功能及可接受的外觀，而不需支付過高維修費的原則。隨著我國對海底隧道研究的不斷推進，防腐研究也應列為重點研究課題之一。

[1] 胡紅梅.海底隧道襯砌混凝土抗蝕影響因素分析與模擬[J].武漢理工大學學報，2007(3):10-12.

[2] 楊建森，何黨慶.鋼筋混凝土中鋼筋腐蝕的化學機理與防腐措施[J].寧夏大學學報(自然科學版)，2001(20):8-10.

[3] 潘德強.海水環(huán)境中混凝土結構防腐蝕耐久性設計[J].水運工程，2001(8):15-17.

[4] JTJ 275-2000，海港工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范[S].