彭 浩，熊 鵬，陶永虎

(貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

21世紀(jì)至今我國(guó)高速公路及高鐵建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展，隧道保有量也急劇攀升。為保證隧道安全長(zhǎng)效工作，開展隧道服役壽命預(yù)測(cè)勢(shì)在必行。劉強(qiáng)等[1]通過模擬臨海碳化環(huán)境和硫酸鹽侵蝕環(huán)境，結(jié)合已有研究成果[2]，構(gòu)建理論模型預(yù)測(cè)了拱北隧道暗挖段鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)壽命，但臨海隧道服役環(huán)境與內(nèi)陸隧道差異較大，在公路隧道中應(yīng)用受限。李昕等[3]基于相似法則和可靠度理論，利用蒙特卡羅法和Matlab編程，根據(jù)承載力極限準(zhǔn)則和裂縫限值準(zhǔn)則兩種服役壽命預(yù)測(cè)方法，對(duì)南京緯三路水下大直徑盾構(gòu)隧道工程實(shí)例的襯砌結(jié)構(gòu)壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，但依托工程為水下隧道，其服役環(huán)境亦較內(nèi)陸地區(qū)的隧道更為復(fù)雜，失效原因更加多樣，故其預(yù)測(cè)壽命的方法也有一定局限性。王海彥等[4]通過分析硫酸鹽的侵蝕機(jī)理，建立了自然劣化衰減方程，再根據(jù)規(guī)范中混凝土強(qiáng)度耐蝕系數(shù)低于75%時(shí)混凝土壽命終結(jié)的基本原則，得出了混凝土抗硫酸鹽侵蝕的壽命預(yù)測(cè)方程，并使用該方程進(jìn)行了襯砌混凝土硫酸鹽侵蝕壽命預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)襯砌混凝土在硫酸鹽侵蝕環(huán)境與高濃度CO2環(huán)境下的誘因不同、致?lián)p過程差異較大，故該方法并不能在高濃度CO2公路隧道中應(yīng)用。姚貝貝等[5]將響應(yīng)面法和重要抽樣法結(jié)合，以響應(yīng)面法所得驗(yàn)算點(diǎn)作為重要抽樣法的樣本中心，以此求解結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)，并考慮結(jié)構(gòu)抗力隨時(shí)間遞減的因素，利用Matlab編制了隧道在服務(wù)壽命期限內(nèi)的時(shí)變可靠度指標(biāo)的計(jì)算程序，通過時(shí)變性可靠度指標(biāo)與耐久性系數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到隧道襯砌任意時(shí)刻的耐久性系數(shù)，并應(yīng)用有限元計(jì)算，預(yù)測(cè)了實(shí)例的隧道壽命，但該方法計(jì)算過于繁瑣，實(shí)際應(yīng)用存在一定難度。潘洪科等[6]選取保護(hù)層完全碳化壽命準(zhǔn)則作為結(jié)構(gòu)的耐久性壽命評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上獲得各影響因素與碳化深度的相關(guān)數(shù)據(jù)，采用人工智能的方法，建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，并將訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行應(yīng)用檢驗(yàn)。該思路及方法十分新穎，但并未考慮混凝土性能退化、鋼筋銹蝕等因素，仍有改進(jìn)空間。本文從襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的一般性出發(fā)，考慮隧道所處環(huán)境、襯砌材料、鋼筋銹蝕等諸多因素，以裂縫寬度限值準(zhǔn)則和結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕量與表面裂縫寬度之間的關(guān)系作為理論基礎(chǔ)，建立隧道正常使用壽命預(yù)測(cè)模型，再對(duì)不同濃度CO2環(huán)境下隧道的正常使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。

1 隧道襯砌在CO2環(huán)境下破壞過程

公路隧道由于汽車排放大量尾氣使得隧道內(nèi)CO2濃度遠(yuǎn)高于大氣環(huán)境中的濃度，故襯砌混凝土的碳化速度也遠(yuǎn)快于自然環(huán)境中的混凝土，導(dǎo)致其正常使用壽命較低，但二者從碳化到破壞的過程基本相同，其大致過程如下：

(1)混凝土的水化產(chǎn)物(氫氧化鈣和水化硅酸鈣)和未水化水泥顆粒(硅酸三鈣和硅酸二鈣)與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CaCO3、水等，使得混凝土出現(xiàn)PH值降低、孔隙增大、強(qiáng)度降低等現(xiàn)象，這個(gè)過程被稱之為混凝土碳化，相關(guān)化學(xué)方程式如下[7]：

Ca(OH)2+CO2+H2O→CaCO3+H2O

(1)

(xCaO2SiO2yH2O)+xCO2+yH2O→xCaCO3+2SiO2(x+y)H2O

(2)

(2CaOSiO2)+2CO2+nH2O→SiO2nH2O+2CaCO3

(3)

(3aOSiO2)+3CO2+nH2O→SiO2nH2O+3CaCO3

(4)

(2)混凝土碳化后PH持續(xù)降低，當(dāng)鋼筋表面PH<11.5后由于混凝土的中性化，導(dǎo)致鋼筋表面鈍化膜發(fā)生脫鈍現(xiàn)象。完全脫鈍后鋼筋開始銹蝕且腐蝕速率隨PH減小逐漸加快?；炷罰H≤9后，鋼筋腐蝕速率不再受PH值影響[8- 9]。

(3)鋼筋腐蝕產(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物體積是原體積的3～8倍[10]，混凝土保護(hù)層受到膨脹壓力，當(dāng)腐蝕達(dá)到一定程度后襯砌混凝土被撐破，襯砌開裂。裂縫的出現(xiàn)導(dǎo)致鋼筋表面濕度、酸性氣體及O2濃度梯度增加，鋼筋腐蝕速率急劇加快。

(4)隨著鋼筋腐蝕程度加重，襯砌將會(huì)出現(xiàn)承載能力降低、裂縫寬度增大等問題。當(dāng)裂縫寬度達(dá)到規(guī)范限值或承載力不足時(shí)可認(rèn)為隧道不再符合正常使用要求，隧道正常使用壽命終結(jié)，需對(duì)隧道進(jìn)行加固處理并進(jìn)行安全性評(píng)估方可繼續(xù)使用。

2 建立鋼筋混凝土襯砌正常使用壽命模型

在實(shí)際工程中，隧道襯砌結(jié)構(gòu)在服役若干年后，一般都會(huì)發(fā)育出不同程度的裂縫，而后將處于帶縫工作狀態(tài)。但只要裂縫寬度不超過規(guī)范限值，將不會(huì)危及結(jié)構(gòu)的安全性能，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)滿足使用耐久性要求。隧道二次襯砌一般作為安全儲(chǔ)備，并不作為主要的承力結(jié)構(gòu)，因此以承載力準(zhǔn)則進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算存在一定局限性。本文以裂縫寬度限值準(zhǔn)則作為判斷隧道是否滿足使用耐久性的依據(jù)，相較于承載力準(zhǔn)則有著更廣泛的適用性。

考慮隧道襯砌從碳化到失效的全過程可建立高濃度CO2環(huán)境下的隧道正常使用壽命預(yù)測(cè)模型。

綜合隧道內(nèi)考慮CO2濃度、環(huán)境溫度、濕度、混凝土強(qiáng)度和施工工藝后結(jié)合已有研究成果[11- 13]可得鋼筋開始銹蝕時(shí)間ti的計(jì)算方法如下：

ti=[(c-χ0)/k]2

(5)

式(5)中，

(6)

(7)

鋼筋持續(xù)銹蝕體積發(fā)生膨脹，撐破保護(hù)層，開裂后，鋼筋銹蝕速率加快，保護(hù)層開裂時(shí)間及開裂后銹蝕速率計(jì)算方法如下[10]。

(8)

δcr=0.015(c/d)1.55+0.0014fcuk+0.0016

(9)

(10)

λ1=(4.5-340λ0)λ0

(11)

式(5)—(11)中，ti—鋼筋開始銹蝕時(shí)間；k—碳化系數(shù)，c—保護(hù)層厚度，mm；χ0—碳化殘量，mm；fcuk—混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；Dc—與保護(hù)層厚度及碳化系數(shù)有關(guān)的參數(shù)；m—局部環(huán)境系數(shù)；KCO2、Kk1、KkT、Kks和KF—CO2濃度影響系數(shù)、位置影響系數(shù)、養(yǎng)護(hù)澆筑影響系數(shù)、工作應(yīng)力影響系數(shù)和粉煤灰取代系數(shù)；T、RH、C0—混凝土溫度(℃)、環(huán)境相對(duì)濕度、CO2濃度(%)；tcr—保護(hù)層開裂時(shí)間；δcr—保護(hù)層銹脹開裂時(shí)的臨界鋼筋銹蝕深度；λ0—保護(hù)層銹脹開裂前的年平均鋼筋銹蝕速率；Kcl為鋼筋位置影響系數(shù)；λ1為保護(hù)層銹脹開裂后年平均銹蝕率。

萬(wàn)勝武等[14]通過大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)鋼筋位于一般位置時(shí)混凝土表面的裂縫寬度與鋼筋銹蝕深度存在如下關(guān)系：

ω=4.1969δ-0.064

(12)

通過對(duì)公式(5)—(12)進(jìn)行整理計(jì)算可得任意時(shí)刻t與裂縫寬度的關(guān)系：

(13)

式(12)—(13)中，δ—鋼筋銹蝕深度，δ=δcr+λ1(t-tcr)；ω—裂縫寬度，按規(guī)范[13]規(guī)定取2mm；t—結(jié)構(gòu)裂縫寬度限制的時(shí)間，即為隧道正常使用壽命，其余各符號(hào)意義同前。

對(duì)隧道進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)時(shí)先按照本文模型對(duì)隧道相應(yīng)服役年限的最大裂縫寬度ωmax進(jìn)行預(yù)測(cè)，并以隧道內(nèi)裂縫寬度的實(shí)測(cè)值對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，按修正后模型預(yù)測(cè)隧道的正常使用壽命并與已服役時(shí)間做差，差值即為隧道的剩余使用壽命。

3 工程實(shí)例及其影響因素

3.1 典例分析

某公路隧道工程[15]，地區(qū)年平均溫度25℃，平均濕度0.78,采用鋼筋混凝土二次襯砌對(duì)稱配筋。截面參數(shù)為：采用C30混凝土，截面厚度為60cm，保護(hù)層厚度40mm，每延米布置8根22mm螺紋鋼筋(Art=3041mm2)。

由上述公式可得當(dāng)t=99(年)時(shí)，襯砌的最大裂縫寬度ωmax=2.005mm>2mm，因此該隧道的正常使用壽命為99年。

3.2 主要影響因素

3.2.1溫度對(duì)隧道正常使用壽命的影響

溫度是影響隧道正常使用壽命的重要因素之一。根據(jù)熱力學(xué)定律，溫度升高分子運(yùn)動(dòng)速率加快，化學(xué)反應(yīng)加速進(jìn)行，導(dǎo)致混凝土碳化速度、鋼筋腐蝕速率也隨之加快，隧道正常使用壽命縮短，保持環(huán)境條件不變以溫度為變量繪制不同CO2濃度環(huán)境下隧下的正常使用壽命曲線如圖1所示。

圖1 溫度對(duì)正常使用壽命的影響

由圖1可知：隨著CO2濃度的增加，不同溫度環(huán)境下的隧道正常使用壽命都有不同程度的減少，當(dāng)隧道內(nèi)CO2濃度處于0.03%～0.12%間時(shí)降幅最為劇烈，之后濃度的增加雖然也在一定程度上影響隧道的正常使用壽命，但降幅并不明顯，逐漸趨于平穩(wěn)。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因如下：根據(jù)式(1)—(4)中的相關(guān)反應(yīng)及相關(guān)化學(xué)知識(shí)可知，由于CO2濃度增加，反應(yīng)物濃度增大反應(yīng)加快，隧道襯砌碳化速率加快，壽命減少。當(dāng)CO2濃度達(dá)到一定值時(shí)，繼續(xù)增加反應(yīng)物濃度，對(duì)反應(yīng)的促進(jìn)效果將不再顯著；因此，當(dāng)CO2濃度超過0.12%(即自然環(huán)境中CO2濃度的3～4倍)后，隨著濃度增加，隧道正常使用壽命也隨之減少，但幅度有所下降。相同CO2濃度環(huán)境下，隧道的正常使用壽命隨溫度上升而減少，原因在于較高的溫度使物質(zhì)間化學(xué)反應(yīng)速率加快，但大氣環(huán)境下溫度的升降幅度有限，并不會(huì)使混凝土的碳化及鋼筋銹蝕速率產(chǎn)生太大程度的改變；因此，溫度對(duì)隧道壽命的影響相較于隧道動(dòng)輒上百年的壽命來說影響程度微乎其微，且隧道內(nèi)溫度很難通過人力改變，因此設(shè)計(jì)階段進(jìn)行充分考慮即可。

3.2.2保護(hù)層厚度對(duì)隧道正常使用壽命的影響

公路隧道服役過程中由于汽車尾氣的大量排放導(dǎo)致隧道內(nèi)CO2濃度遠(yuǎn)高于自然環(huán)境內(nèi)的濃度，其濃度很容易達(dá)到大氣環(huán)境內(nèi)的3～4倍，使得隧道襯砌混凝土的碳化速度和深度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自然環(huán)境中的混凝土，較厚的保護(hù)層可防止鋼筋過早被銹蝕，因此公路隧道的正常使用壽命很大程度上由隧道襯砌混凝土的保護(hù)層厚度決定，保持環(huán)境條件不變，以保護(hù)層厚度為變量繪制不同CO2濃度環(huán)境下隧道的正常使用壽命曲如圖2所示。

圖2 保護(hù)層厚度對(duì)正常使用壽命的影響

由圖2可知：隨著隧道襯砌混凝土保護(hù)層厚度的增加，不同CO2濃度環(huán)境下隧道正常使用壽命都有大幅度的增長(zhǎng)；正常情況下，保護(hù)層厚度每增加5mm隧道壽命就有5～10年不同程度的提升。保護(hù)層較薄時(shí)CO2濃度對(duì)隧道正常使用壽命影響較小，但隨厚度增加影響不斷增大；保護(hù)層厚度為30mm時(shí)CO2濃度從0.03%升高至0.15%，隧道正常使用壽命僅減少了8年，但厚度為60mm時(shí)減少了20年，降幅為30mm時(shí)的2.5倍。因此，保護(hù)層厚度與CO2濃度對(duì)隧道正常使用壽命影響有較深的耦合度。

3.2.3相對(duì)濕度對(duì)隧道正常使用壽命的影響

隧道服役過程中，由于含有大量水蒸汽的汽車尾氣大量排放，使得隧道內(nèi)相對(duì)濕度遠(yuǎn)高于自然環(huán)境，而較高的濕度會(huì)使混凝土碳化、鋼筋銹蝕速率加快，故相對(duì)濕度對(duì)隧道正常使用壽命的影響不容忽視，限定環(huán)境條件參數(shù)不變，以相對(duì)濕度為變量繪制不同CO2濃度下隧道的正常使用壽命曲如圖3所示。

圖3 相對(duì)濕度對(duì)正常使用壽命的影響

由圖3可知：相同CO2濃度環(huán)境下當(dāng)相對(duì)濕度<0.7時(shí)隧道的正常使用壽命遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)年限一百年，且隨相對(duì)濕度的增加驟減，而后降幅逐漸減小，相對(duì)濕度介于0.8～0.85時(shí)隧道的正常使用壽命達(dá)到最小值而后有小幅度增加。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因?yàn)樵诃h(huán)境相對(duì)濕度為0.8時(shí)鋼筋的腐蝕速率最快；當(dāng)相對(duì)濕度大于0.8后由于孔隙水飽和度增加、氧氣擴(kuò)散困難使銹蝕速率反而下降，這也導(dǎo)致了在相對(duì)濕度在大于0.85后隧道正常使用壽命不降反增的反?，F(xiàn)象，故在結(jié)構(gòu)耐久性計(jì)算中，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度大于0.8時(shí)皆按0.8進(jìn)行計(jì)算。

3.2.4混凝土強(qiáng)度對(duì)隧道正常使用壽命的影響

混凝土強(qiáng)度能真實(shí)地反映出混凝土的孔隙率和密實(shí)度的大小以及水泥用量的多少，因此襯砌混凝土的強(qiáng)度能宏觀地反應(yīng)隧道的正常使用壽命的長(zhǎng)短，控制各環(huán)境參數(shù)不變，以混凝土強(qiáng)度為變量繪制不同CO2濃度環(huán)境下隧道的正常使用壽命曲線如圖4所示。

圖4 混凝土強(qiáng)度對(duì)正常使用壽命的影響

由圖4可知：隨著襯砌混凝土強(qiáng)度增加，隧道的正常使用壽命在不同CO2濃度環(huán)境下都有小幅度上升，增加幅度基本不受CO2濃度影響。高強(qiáng)度襯砌混凝土壽命較長(zhǎng)的原因在于，高強(qiáng)度混凝土的孔隙率較小、密實(shí)度較大，CO2和O2的濃度梯度都較小，大大抑制了混凝土的碳化及鋼筋銹蝕速率。其次，高強(qiáng)度的混凝土能在一定程度上抑制裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)散，標(biāo)號(hào)越高抑制裂縫發(fā)育的效果越明顯。因此，隧道在使用高強(qiáng)度混凝土?xí)r壽命普遍高于普通混凝土。

上述各因素都對(duì)隧道的正常使用壽命有或大或小的影響。其中又以相對(duì)濕度、CO2濃度、保護(hù)層厚度的影響為最突出。因此，大力發(fā)展小排量燃油汽車或者零排放的新能源汽車能在很大程度上降低隧道內(nèi)相對(duì)濕度、CO2濃度以及SO2、NO2等酸性氣體濃度，是未來提升隧道服役壽命最可行的方法之一。

4 結(jié)論

(1)依據(jù)鋼筋銹蝕量與裂縫寬度之間的實(shí)驗(yàn)關(guān)系給出了隧道正常使用壽命t與裂縫限制寬度、腐蝕速率、開裂時(shí)間等因素的關(guān)系顯式。

(2)按照鋼筋銹蝕量與裂縫寬度之間關(guān)系建立的隧道壽命預(yù)測(cè)模型，計(jì)算結(jié)果較為合理，且計(jì)算簡(jiǎn)單、參數(shù)容易獲取，為相關(guān)研究提供了新的思路。

(3)碳化系數(shù)k為進(jìn)行隧道壽命預(yù)測(cè)最重要的參數(shù)之一，但其計(jì)算公式存在計(jì)算結(jié)果誤差較大的問題，建議通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的方法確定其取值。

(4)在影響隧道正常使用壽命的諸多因素中，保護(hù)層厚度、相對(duì)濕度及CO2濃度對(duì)壽命的影響最突出。