曠南樹(shù)，彭立敏，雷明鋒，謝順意

(中南大學(xué)土木與建筑學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

我國(guó)西南地區(qū)山脈綿延，崇山峻嶺，不可避免地要修建許多公路、鐵路隧道。然而該地區(qū)分布著含大量硫酸鹽等侵蝕性物質(zhì)的巖層，這種侵蝕環(huán)境對(duì)隧道混凝土(或鋼筋混凝土)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的破壞作用，會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)變得酥松、成層剝落、強(qiáng)度下降，降低隧道襯砌的整體承載能力，對(duì)列車運(yùn)營(yíng)安全造成重大隱患。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土鹽腐蝕做了大量試驗(yàn)及理論研究［1－2］，然而試驗(yàn)對(duì)象多是混凝土試塊［3］或鋼筋混凝土梁，模型材料也是用石膏、砂等代替進(jìn)行了簡(jiǎn)化［4－6］，以混凝土襯砌整體結(jié)構(gòu)為對(duì)象的鹽腐蝕災(zāi)害研究很少。隧道襯砌作為一個(gè)整體，處于同一環(huán)境中，但是各個(gè)位置所受的壓力不同，硫酸鹽濃度也不同［7］，因此，隧道襯砌各部位的腐蝕程度是不均勻變化的。本試驗(yàn)以西南地區(qū)典型既有雙線鐵路隧道為試驗(yàn)原型，圍巖取Ⅴ級(jí)，對(duì)隧道襯砌受腐蝕過(guò)程進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的人工環(huán)境模擬，探索隧道襯砌腐蝕規(guī)律。

1 人工環(huán)境模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

采用腐蝕環(huán)境模擬法，將試件置于5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸鹽溶液土壤中，以隧道襯砌為研究對(duì)象，探索隧道腐蝕規(guī)律以及襯砌各部位腐蝕速度關(guān)系。

1.2 相似比

試驗(yàn)以西南地區(qū)既有老隧道為原型，選定幾何相似比10∶1和容重相似比1∶1，并以此為基礎(chǔ)，得到模型試件的尺寸為:隧道直徑為0.845 m，洞高1 m，直墻高0.5m，襯砌厚4cm。確定的泊松比、應(yīng)變、摩擦角相似比為1∶1，強(qiáng)度、應(yīng)力、黏聚力、彈性模量相似比為10∶1。

1.3 試驗(yàn)材料及工況

混凝土所用的水泥為P·F 42.5，天然砂、碎石全部由昆明施工現(xiàn)場(chǎng)提供，配合比參照現(xiàn)場(chǎng)選取，混凝土配合比及各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表1—3。

表1 混凝土配比Table 1 Mixing proportion of concrete kg

表2 混凝土參數(shù)Table 2 Parameters of concrete

通過(guò)對(duì)腐蝕時(shí)間的控制，進(jìn)行了12組試塊4種工況的試驗(yàn)。

表3 不同腐蝕時(shí)間下試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛪K數(shù)Table 3 Number of specimens for tests under different corrosion duration

1.4 隧道內(nèi)環(huán)境模擬

隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，對(duì)腐蝕狀態(tài)的影響因素主要有空氣溫度和濕度，為盡量真實(shí)模擬隧道內(nèi)環(huán)境，試驗(yàn)中保持空氣溫度為常溫狀態(tài)(25℃)，空氣濕度為80%。

1.5 人工腐蝕環(huán)境模擬

模型置于封閉的腐蝕箱內(nèi)，箱周圍填充黏土模擬圍巖，箱上放置一定量的砂袋模擬荷載，模型進(jìn)、出口處用風(fēng)扇抽風(fēng)或用鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)模擬通風(fēng)，每天向腐蝕箱內(nèi)灑入25kg 5%的硫酸鈉溶液，持續(xù)2～6個(gè)月。人工環(huán)境模擬腐蝕試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

1.6 鉆芯法測(cè)試混凝土強(qiáng)度

試驗(yàn)采用ZX 500型鉆芯機(jī)，從腐蝕了2，4，6個(gè)月的混凝土試件中鉆取混凝土芯樣。芯樣選取的位置為構(gòu)件頂部、拱腰、拱腳及邊墻(鉆點(diǎn)位置布置見(jiàn)圖2)，每個(gè)截面沿截面高度方向鉆取2～3個(gè)芯樣，鉆芯機(jī)鉆頭直徑為70mm，取出的芯樣直徑為65mm。將取出的芯樣在30 kN萬(wàn)能壓力機(jī)上進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，勻速加荷，測(cè)取其軸心抗壓強(qiáng)度。

1.7 隧道襯砌各部位腐蝕強(qiáng)度結(jié)果分析

對(duì)各個(gè)位置測(cè)到的腐蝕強(qiáng)度取平均值，得到硫酸鹽腐蝕后隧道襯砌各部位抗壓強(qiáng)度及抗腐蝕系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4中可以看出:

1)當(dāng)試件腐蝕到2個(gè)月時(shí)，襯砌各部位抗壓強(qiáng)度都有所提升，頂部抗壓強(qiáng)度由21.3 MPa增大到25.56 MPa，增幅為20%;拱腳及邊墻位置增幅最小，在10%以內(nèi)。

2)腐蝕到4個(gè)月時(shí)，頂部及拱腰位置腐蝕強(qiáng)度急劇下降，頂部強(qiáng)度從25.56 MPa減小到19.17 MPa，減幅最為明顯，為25%;拱腳及邊墻位置強(qiáng)度有所增大，邊墻強(qiáng)度從23.8 MPa增大到25.1 MPa，增幅最為明顯，增幅為5%。

3)腐蝕到6個(gè)月時(shí)，各部抗壓強(qiáng)度都有所減小，頂部強(qiáng)度減幅最小，拱腳及邊墻位置減幅最大，為8%左右。

由此說(shuō)明，硫酸鹽腐蝕條件下隧道襯砌混凝土各個(gè)位置的強(qiáng)度變化規(guī)律一致:在一定時(shí)間內(nèi)，混凝土各部位強(qiáng)度都增大;隨著時(shí)間的延伸，混凝土強(qiáng)度一直減小。

表4 硫酸鹽腐蝕后隧道襯砌各部位抗壓強(qiáng)度及抗腐蝕系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of compressive strength and corrosion resistance coefficient at different lining positions after sulfate corrosion

分析腐蝕曲線如圖3所示，由圖3知:隧道襯砌各部位強(qiáng)度隨腐蝕時(shí)間成拋物線變化，各部位強(qiáng)度走勢(shì)基本一致，拱腳及邊墻要比頂部及拱腰位置滯后。

圖3 隧道襯砌各部位抗壓強(qiáng)度隨腐蝕時(shí)間變化曲線圖Fig.3 Time-dependent curves of compressive strength at different lining positions

2 襯砌各部腐蝕強(qiáng)度關(guān)系計(jì)算模型的建立

隧道結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體，處于同一環(huán)境中，襯砌不同部位的腐蝕必然存在關(guān)聯(lián)。由于腐蝕環(huán)境的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有得出混凝土強(qiáng)度隨腐蝕時(shí)間變化的規(guī)律，鑒于此，本文就以頂部腐蝕強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線圖作為基準(zhǔn)，建立隧道襯砌各個(gè)部位腐蝕強(qiáng)度與頂部腐蝕強(qiáng)度的關(guān)系式。

為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，作以下假定:1)圍巖處于穩(wěn)定的環(huán)境中;2)襯砌各部位只存在腐蝕速度的差別。

為此，設(shè)襯砌腐蝕速率從頂部到邊墻依次為v1，v2，v3，v4。以圖4(頂部腐蝕曲線)為基準(zhǔn)，查出其他部位同時(shí)間對(duì)應(yīng)于頂部同等強(qiáng)度的腐蝕時(shí)間，見(jiàn)表5。

圖4 襯砌頂部抗壓強(qiáng)度隨腐蝕時(shí)間變化曲線圖Fig.4 Time-dependent curve of compressive strength at lining crown

表5 襯砌各部腐蝕時(shí)間對(duì)應(yīng)頂部位置腐蝕時(shí)間表Table 5 Relationship between corrosion time and corrosion positions

根據(jù)腐蝕關(guān)系，可得:

混凝土試件處于同一環(huán)境中，隧道襯砌不同部位的截面水平夾角不同導(dǎo)致了腐蝕程度的差異，據(jù)此，用襯砌截面的水平夾角的正弦函數(shù)擬合以上數(shù)據(jù)可得到:。

式中:θ為襯砌水平夾角(0°≤θ≤90°，見(jiàn)圖2);v1為頂部腐蝕速度;vx為襯砌腐蝕速度。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)西南地區(qū)隧道襯砌硫酸鹽腐蝕環(huán)境的人工模擬，分析比較了襯砌各個(gè)部位腐蝕強(qiáng)度的關(guān)系，確定了隧道襯砌同一時(shí)間各部位腐蝕強(qiáng)度的的關(guān)系式，在該次人工模擬試驗(yàn)條件下，得出如下規(guī)律:

1)隧道襯砌各部位腐蝕效果為:一定時(shí)間內(nèi)，混凝土強(qiáng)度有所增加，增幅最大值為20%，隨著時(shí)間的推移，混凝土強(qiáng)度逐漸減小。

2)隧道襯砌在硫酸鹽腐蝕環(huán)境中，頂部位置腐蝕最為嚴(yán)重。

3)隧道襯砌各部位腐蝕速度存在關(guān)聯(lián)性，與對(duì)應(yīng)斷面的水平角度有關(guān)。

［1］ 梁詠寧，袁迎曙.硫酸鹽侵蝕環(huán)境因素對(duì)混凝土性能退化的影響［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，34(4):452－457.(LIANG Yongning，YUAN Yingshu.Effects of environmental factors of sulfate attack on deterioration of concrete mechanical behavior［J］.Journal of China University of Mining＆Technology，2005，34(4):452－457.(in Chinese))

［2］ 元強(qiáng)，鄧德華，張文恩，等.粉煤灰與混凝土的硫酸鹽侵蝕［J］.粉煤灰，2005，17(2):43－45.(YUAN Qiang，DENG Dehua，ZHANG Wenen，et al.Sulphate attack of ryash and concre［J］.Coal Ash China，2005，17(2):43－45.(in Chinese))

［3］ 王偉，楊德斌.摻膨脹劑混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2008，6(3):117－123.(WANG Wei，YANG Debin.Research on sulfate attack resistance of concrete with expansion admixture［J］.Journal of Water Resources and Architectural Engineering，2008，6 (3):117－123.(in Chinese))

［4］ 何川，張建剛，劉志前.層狀復(fù)合地層條件下管片襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特征模型試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30 (10):1537－1543.(HE Chuan，ZHANG Jian’gang，LIU Zhiqian.Model tests on mechanical characteristics of segment lining structureunder multi-layered strata［J］.Chinese Jurnal of Geotechnical Engineering，2008，30(10):1537－1543.(in Chinese))

［5］ 張輝，張子新.偏壓錯(cuò)臺(tái)小凈距隧道力學(xué)性態(tài)相似模型試驗(yàn)［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，37(2):169－175.(ZHANG Hui，ZHANG Zixin.Model test oil mechanical behavior of twoshallow-buried closely-spaced tunnels atdifferent elevations under unsymmetrical load［J］.Journal of Tongji University:Natural Sciense，2009，37(2):169－175.(in Chinese))

［6］ Suryavanshi A K.Estimation of diffusion coefficient for chloride ion penetration into structural concrete［J］.ACI Materials Journal，2002，99(5):65－71.

［7］ Boulfiza M.Prediction of chloride Ions ingress in uncracked and cracked concrete［J］.ACI Materials Journal，2003，100 (1):45－61.