孟鵬

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430056）

0 引言

根據(jù)國內(nèi)外研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，因混凝土耐久性病害而造成的工程問題非常嚴(yán)重［1-3］。隧道設(shè)計(jì)使用年限要求為100 年，在各項(xiàng)防腐措施、混凝土保護(hù)措施、鋼筋保護(hù)措施的作用下，混凝土的壽命預(yù)測、力學(xué)性能研究非常重要［4，5］。對于跨海盾構(gòu)隧道領(lǐng)域，特別是針對內(nèi)部行車、外部與周圍地層接觸的圓形特殊結(jié)構(gòu)，耐久性的研究還較少［6，7］。

國內(nèi)外在耐久性方面研究通常為混凝土及鋼筋材料、混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件、混凝土的自身結(jié)構(gòu)三個方向。目前國內(nèi)關(guān)于材料和構(gòu)件的研究已非常深入，研究了各種外界環(huán)境對混凝土材料工作性能的影響，如大氣、海水、化學(xué)侵蝕等。關(guān)于結(jié)構(gòu)耐久性的研究主要集中在結(jié)構(gòu)耐久性的評定和壽命預(yù)測兩方面，國內(nèi)在該方面的研究起步較晚，研究的主要目的是解決新建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)或?qū)ǔ山Y(jié)構(gòu)的耐久性評估預(yù)測。

考慮到耐久性對氯鹽侵蝕環(huán)境下的隧道結(jié)構(gòu)影響很大，其結(jié)構(gòu)受力研究較少，因此，文中通過數(shù)值計(jì)算方法，研究隧道襯砌在氯鹽侵蝕環(huán)境下全壽命周期內(nèi)力學(xué)特性的變化規(guī)律，并考慮襯砌結(jié)構(gòu)劣化，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，研究襯砌結(jié)構(gòu)全生命周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)承載力變化特征。

1 工程概況

孟加拉卡納普里河底隧道位于孟加拉灣入?？?，隧道采用盾構(gòu)法修建，為80km/h雙向雙洞4車道公路水下隧道。盾構(gòu)段長約2450m，管片外徑11.8m，管片厚度50cm，采用C50混凝土。該地區(qū)屬于熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年降雨量充沛，雨季明顯。地下水類型為潛水。主要土層為黏性土層和砂土層。

地區(qū)的水質(zhì)分析如表1所示。根據(jù)地勘報(bào)告對水質(zhì)的分析結(jié)果，區(qū)域場地內(nèi)地表水對管片結(jié)構(gòu)、鋼筋在長期浸水、干濕交替條件下具弱腐蝕性。地下水中的SO42-對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕為弱腐蝕，侵蝕性CO2對混凝土腐蝕為強(qiáng)腐蝕，Cl-對隧道混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有強(qiáng)腐蝕性。

表1 場地土體腐蝕性評價(jià)

2 盾構(gòu)隧道有限元模型計(jì)算

2.1 有限元模型建立

根據(jù)地勘資料及孟加拉國河底隧道典型橫斷面，并考慮盾構(gòu)隧道為細(xì)長平面應(yīng)變結(jié)構(gòu)，建立二維有限元模型進(jìn)行計(jì)算。圖1給出有限元模型網(wǎng)格。為了保證模型盡可能的反應(yīng)實(shí)際工程，同時考慮數(shù)值模擬的邊界效應(yīng)，模型長130m，寬度70m，模型兩側(cè)約束水平位移，底部約束豎向位移。隧道管片采用線彈性梁單元模擬，同時考慮管片間的接頭剛度。地層參照該項(xiàng)目實(shí)際土層選取典型斷面，即盾構(gòu)被全斷面砂層包裹的情況。

圖1 有限元模型

2.2 參數(shù)選取

管片采用50cm厚的C60混凝土材料，管片接頭剛度按8000kN·m/rad考慮。結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

第1層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚度5.6m；第2層為粉砂，厚度7.3m；第3層為粉細(xì)砂，厚度33m，第4層為厚層密實(shí)的粉細(xì)砂，主要礦物成份為石英、長石等，該層強(qiáng)度較高，力學(xué)性質(zhì)較好，厚度為33.2m；第5 層為密實(shí)粉細(xì)砂，顆粒級配差，成分較均勻，厚度為11m；第六層為粉質(zhì)粘土，具低壓縮性，強(qiáng)度高，力學(xué)性質(zhì)好，厚度為3m。地層參數(shù)見表3。

表3 地層參數(shù)

根據(jù)牛荻濤公式，計(jì)算可得鋼筋銹脹導(dǎo)致混凝土保護(hù)層銹裂的臨界鋼筋銹蝕率為9.24%。目前的試驗(yàn)研究一般以到鋼筋銹蝕率達(dá)到臨界銹蝕率為止，其后的力學(xué)性態(tài)與銹裂前已相同，因此研究重點(diǎn)研究銹裂前的力學(xué)性能變化。臨界銹蝕率條件下計(jì)算所得的彈性模量衰減率如表4所示。

表4 不同混凝土等級銹裂臨界時彈性模量衰減率

根據(jù)計(jì)算所得臨界鋼筋銹蝕率，且項(xiàng)目選用的混凝土等級為C60，混凝土管片達(dá)到臨界狀態(tài)時的彈性模量衰減率為45.61%，選擇彈性模量衰減率45%作為分析的最大值C60混凝土的鋼筋銹蝕時間，約為41.4年。

2.3 模擬步驟

管片腐蝕劣化的模擬過程如下：

（1） 建立分析區(qū)域內(nèi)的有限元模型，施加重力，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡。

（2） 通過軟化彈性模量法，降低開挖區(qū)域彈性模量，應(yīng)力釋放系數(shù)為0.6、0.4。

（3） 激活外管片單元，模擬外管片的施工。

（4） 將開挖區(qū)域的土體單元“殺死”，模擬土體開挖。

（5） 依次降低外管片彈性模量5%，直至45%。

3 結(jié)果分析

3.1 盾構(gòu)隧道在氯鹽腐蝕下的管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形分析

按照文中的計(jì)算步驟，研究單洞隧道在未腐蝕和腐蝕后隧道變形及受力。圖2給出了腐蝕前隧道的土體變形圖，圖3給出了腐蝕后隧道的土體變形圖。

圖2 隧道腐蝕前土體變形圖（單位：m）

圖3 隧道腐蝕后周圍土體變形量絕對值等值圖（單位：m）

從腐蝕前后土體及襯砌的變形和受力結(jié)果來看，腐蝕后周圍土體的變形加大。腐蝕前后管片的受力結(jié)果：隧道的豎向變形從3.5cm 減小至2.1cm，襯砌頂部彎矩從586kN·m 減小至412kN·m。結(jié)果表明隨著襯砌的腐蝕程度的增加，管片剛度降低，管片的劣化，襯砌的力學(xué)性能在逐漸下降。

圖4給出了隧道管片最大彎矩絕對值和彈性模量衰減率關(guān)系圖，可以看出，隨著彈性模量衰減率的增大，管片的彎矩值逐漸減小。如圖5 給出了隧道管片最大彎矩絕對值和銹蝕時間關(guān)系圖，可以看出，隨著銹蝕時間的增加，管片彎矩逐漸減小。圖6 給出了隧道洞周豎向收斂值和銹蝕時間關(guān)系圖，可以看出隨著銹蝕時間的增加，隧道豎向收斂值逐漸增加。圖7 給出了隧道洞周側(cè)向收斂值和銹蝕時間關(guān)系圖，可以看出，隨著銹蝕時間的增加，隧道水平收斂增加速率較快。

圖4 隧道管片最大彎矩絕對值和彈性模量衰減率關(guān)系

圖5 隧道管片最大彎矩絕對值和銹蝕時間關(guān)系

圖6 隧道洞周豎向收斂值和銹蝕時間關(guān)系

圖7 隧道洞周側(cè)向收斂值和銹蝕時間關(guān)系

由于外部荷載的作用，管片在外荷載的作用下變形類似于扁圓狀，中間壓扁，兩側(cè)向外突出，管片分塊之間有一定轉(zhuǎn)角，其中最大位移發(fā)生在管片拱頂處。隨著氯離子對鋼筋混凝土的腐蝕，外管片的剛度逐步降低，土體和襯砌的內(nèi)力和位移發(fā)生變化。隨著管片腐蝕劣化，管片的彎矩也逐步降低，位移逐漸變大。

3.2 混凝土等級對氯鹽腐蝕下的盾構(gòu)隧道影響

試驗(yàn)和相關(guān)研究都表明，混凝土等級的提高有利于提高混凝土的抗腐蝕能力，主要有兩方面的原因：其一，高等級的混凝土原料，水灰比等的要求和等級都更高，而混凝土在氯鹽作用下的腐蝕本質(zhì)上是氯離子侵入混凝土引起鋼筋銹蝕，而這些因素可以大大減緩氯離子的侵入；另一方面結(jié)構(gòu)的劣化本質(zhì)上是由于鋼筋銹蝕膨脹后對周圍混凝土產(chǎn)生擠壓作用，產(chǎn)生各種裂縫，降低結(jié)構(gòu)的性能，而高等級的混凝土往往有更高的強(qiáng)度和剛度，因此在腐蝕環(huán)境下能更為有效地抵抗結(jié)構(gòu)的劣化作用。

分別對管片采用C30、C40 和C50 等級的混凝土并結(jié)合鋼筋銹蝕率時程函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 不同混凝土等級下拱頂沉降和銹蝕時間關(guān)系

圖9 不同混凝土等級下拱頂沉降變化量和銹蝕時間關(guān)系

從圖8 可以看出，盾構(gòu)隧道在力學(xué)性能下降的情況下，頂端位移初期較為平緩，鋼筋銹蝕率和彈性模量衰減率較低增長速度比較平緩，兩者后期開始迅速增長。在鋼筋腐蝕的早期，由于鋼筋銹蝕率較低且鋼筋和混凝土之間存在一定的空隙，因此對構(gòu)件整體力學(xué)性能影響較小。隨著對混凝土的擠壓產(chǎn)生裂縫，鋼筋的銹蝕和混凝土構(gòu)件性能的下降都呈現(xiàn)出加速的趨勢。

從圖9 中可以看到，混凝土等級的提高也能夠抑制頂端位移隨著腐蝕推進(jìn)的增長，這與我國的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性規(guī)范的規(guī)定是一致的，腐蝕環(huán)境越嚴(yán)重，混凝土等級的最低等級應(yīng)當(dāng)越高。

4 提高盾構(gòu)隧道管片耐久性工藝要求

考慮到氯鹽侵蝕環(huán)境下，混凝土管片的耐久性要求高，應(yīng)從施工控制、澆筑、預(yù)制、連接件及質(zhì)量體系的方面等嚴(yán)格把關(guān)，提高盾構(gòu)隧道管片的耐久性，施工工藝要求如下：

（1） 嚴(yán)格控制混凝土攪拌及澆筑過程的用水量和用水質(zhì)量，其中用水氯離子含量不超過500mg/L，硫酸鹽含量（以SO42-計(jì)）不得超過2000mg/L。未經(jīng)處理或檢測的海水和江水嚴(yán)禁直接用于近海盾構(gòu)隧道工程管片澆筑中。

（2） 根據(jù)混凝土相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制澆搗過程工藝流程及質(zhì)量，成型后的管片外弧面混凝土收水間隔時間以管片外弧面混凝土表面已達(dá)到初凝來控制。管片澆注成型后，在初凝前宜再次進(jìn)行壓面。

（3） 注重提高管片的預(yù)制技術(shù)的提高，包括鋼膜控制、鋼筋骨架制作、混凝土配制攪拌、成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)、脫模修補(bǔ)、二次養(yǎng)護(hù)。

（4） 確保管片連接件的耐久性，包括螺栓、彈性密封墊、軟木襯墊、剪力銷、定位桿、二次注漿孔結(jié)構(gòu)等。

（5） 建立嚴(yán)格的質(zhì)量控制體系，確保各個環(huán)節(jié)的記錄、檢查、核對、驗(yàn)收，確保施工流程標(biāo)準(zhǔn)化，對整個澆筑體系的材料、工藝、模具、堆放、進(jìn)出場、工藝等做到流程化管理。

5 結(jié)語

（1） 管片在外荷載的作用下變形類似于扁圓狀，最大位移發(fā)生在管片拱頂處。隨著管片腐蝕劣化，管片的彎矩也逐步降低，位移逐漸變大，水平收斂逐漸變大。

（2） 混凝土等級的升高可有效抑制管片變形，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性；隨著對混凝土的擠壓產(chǎn)生裂縫，鋼筋的銹蝕和混凝土構(gòu)件性能的下降都呈現(xiàn)出加速的趨勢；腐蝕環(huán)境越嚴(yán)重，混凝土等級的最低等級應(yīng)當(dāng)越高。

（3） 從混凝土用水、混凝土澆筑過程、預(yù)制技術(shù)、連接件耐久性、質(zhì)量控制體系等角度，提出了提高盾構(gòu)隧道管片耐久性工藝。