錢 根，王沛沛，湛 博

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

引言

城市軌道交通直流牽引電流一般通過鋼軌回到牽引變電所負極,回流過程中,由于鋼軌對地并不是完全絕緣,且具有一定的縱向電阻,此時將會有部分電流從鋼軌流出,通過隧道結(jié)構(gòu)、大地或其他鄰近金屬構(gòu)筑物等回到牽引變電所負極,這部分不按鋼軌預(yù)設(shè)路徑的回流被稱為雜散電流[1-3]。雜散電流通過混凝土?xí)r,如果有鋼筋存在,當(dāng)雜散電流由混凝土進入鋼筋位置時,鋼筋為陰極。根據(jù)陰極保護理論,陰極電流增大時,將會導(dǎo)致鋼筋表面有大量氫氣析出,如果氫氣不能及時從混凝土逸出,將會破壞混凝土與鋼筋之間的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致穩(wěn)定性下降。在雜散電流從鋼筋流出進入混凝土位置,鋼筋為陽極發(fā)生氧化反應(yīng),混凝土?xí)蛩a(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物堆積而開裂,造成破壞[4-6]。

城市軌道交通設(shè)計過程中,為盡量減少雜散電流對鋼軌回流系統(tǒng)、支持類基礎(chǔ)設(shè)施以及第三方基礎(chǔ)設(shè)施的影響,工程上會采取系列措施,以減小雜散電流危害[7-8]。BAHRA和CATLOW[9]總結(jié)了減少雜散電流泄漏的措施,包括保持高水平的軌地絕緣滿足接觸電壓的要求、采用有效的接地和連接方案、連接所有平行的軌道、短軌焊接為長軌、上下行軌道間連接、建立雜散電流收集系統(tǒng)、降低回流軌電阻、減少牽引所間距、隔離軌道和結(jié)構(gòu)鋼,尤其采用道床排流網(wǎng)時,確保軌道干燥、排水及時等,提出了監(jiān)測泄漏到系統(tǒng)外的雜散電流的必要性。牟龍華等[10]通過單邊供電單臺機車的簡化電路模型說明了排流網(wǎng)的有效性。COTTON和CHARALAMBOU[11]研究了當(dāng)牽引系統(tǒng)有排流網(wǎng)時,不同土壤電阻率下排流網(wǎng)的排流效率,結(jié)果表明,隨著土壤電阻率增加,從排流系統(tǒng)流過的雜散電流逐漸增大,當(dāng)土壤電阻率大于1 000 Ω·m時,超過95%的雜散電流從排流網(wǎng)回到牽引所負極。

雜散電流的泄漏位置、泄漏大小、泄漏方向等隨著環(huán)境變化而變化,給雜散電流影響測量以及判斷對金屬構(gòu)筑物的影響帶來很大困難[12-13]。工程上通常將金屬極化電位作為反映受雜散電流影響程度的指標(biāo),通常只有陽極極化會造成金屬腐蝕。曹阿林[14]模擬了土壤環(huán)境中埋地金屬管線涂層破損情況下的雜散電流分布和極化電位變化,實驗結(jié)果表明,雜散電流將較集中的從破損點流入或流出金屬管線,破損點極化電位較涂層完好區(qū)段有明顯升高或降低。

鋼結(jié)構(gòu)極化電位的現(xiàn)場實測目前已在國內(nèi)外部分城市開展,如南京地鐵1號線[15]、廣州地鐵8號線[16]、臺北地鐵[17-19]、米蘭地鐵[20]、德黑蘭地鐵3號線[21]等。金屬極化電位作為雜散電流腐蝕的工程分析參數(shù),主要被用到以下方面:將測量結(jié)果與模擬結(jié)果進行比較,判斷所建立模型是否足夠準(zhǔn)確;結(jié)合腐蝕現(xiàn)象和金屬極化電位評價雜散電流的具體影響;考慮極化電位不對稱系數(shù),評估金屬所受腐蝕影響水平。

目前將雜散電流與鋼結(jié)構(gòu)極化電位聯(lián)系起來的研究非常有限,為研究不同工況下雜散電流對隧道結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位的影響,建立了地鐵雜散電流對隧道結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位分布影響實驗?zāi)Ｐ?針對不同牽引電流、存在鄰近金屬管線、隧道鋼筋橫聯(lián)及加裝排流網(wǎng)等情況,開展了隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布測試,相關(guān)結(jié)果能夠為改善雜散電流防護工程措施,提高隧道結(jié)構(gòu)鋼筋耐腐蝕壽命提供參考。

1 隧道鋼結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ?/h2>

水與土壤雖然是兩種不同的介質(zhì),但對于雜散電流泄漏影響而言,差別主要反映在介質(zhì)類型上,雜散電流形成的電流場在相同電阻率的均勻土壤與水中具有相似的分布規(guī)律。與土壤相比,水的顏色透明,易于觀察,均勻性好、電阻率改變時調(diào)節(jié)更加均勻,大型模擬裝置試驗更為方便。因此,實驗以水代替土壤媒質(zhì),建立地鐵隧道結(jié)構(gòu)鋼筋模型,如圖1所示。研究不同牽引電流、存在鄰近金屬管線、隧道結(jié)構(gòu)鋼筋互聯(lián)以及加裝排流網(wǎng)等工況下,雜散電流對結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位的影響。

圖1 隧道模型示意

隧道模型主體由環(huán)氧樹脂構(gòu)成,半徑為15 cm,內(nèi)部充滿空氣,不為雜散電流提供流通路徑。隧道外部沿隧道壁平行布置8根結(jié)構(gòu)鋼筋,位置及編號如圖1(c)中所示。將一根電阻絲置于隧道模型底部正中央,與結(jié)構(gòu)鋼筋平行,模擬走行軌。電阻絲中點與直流電源正極相連,模擬列車位置。電阻絲兩端與直流電源負極相連,模擬牽引變電所位置。當(dāng)電流從列車位置流出,通過電阻絲回到牽引變電所負極時,由于縱向電阻的存在,部分返回電流將泄漏至環(huán)境介質(zhì)中,形成雜散電流。

水環(huán)境電阻率為30 Ω·m。實驗初始選用長100 cm、直徑0.3 mm、單位長度電阻15.4 Ω/m電阻絲,對環(huán)境介質(zhì)等效絕緣電阻為2×10-4Ω·m。結(jié)構(gòu)鋼筋長100 cm,單位長度電阻4×10-5Ω/m,對環(huán)境介質(zhì)等效絕緣電阻為1×10-4Ω·m。每間隔10 cm取一個極化電位測量點,共88個測量點,測量采用Cu/CuSO4參比電極。通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓直流源,保持直流源輸出電流為1.5 A。

2 隧道鋼結(jié)構(gòu)沿線極化電位分布特性

2.1 牽引電流對隧道鋼筋極化電位分布影響

初始試驗條件下各隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布如圖2所示,結(jié)構(gòu)鋼筋自然電位為-960 mV。由圖2可知,與鋼軌平行各隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線整體極化電位分布均呈“V”形,對應(yīng)兩端牽引所位置測量點極化電位值最高,陽極極化最嚴重。對應(yīng)列車位置測量點極化電位值最低,陰極極化最嚴重。

圖2 隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位

圖2中,第1號～4號結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分別與第8號～5號結(jié)構(gòu)鋼筋呈近似對稱分布。由于隧道底部1號和8號結(jié)構(gòu)鋼筋距離鋼軌最近,所受雜散電流影響最大,沿線極化程度最高。2號和7號結(jié)構(gòu)鋼筋次之,相對于1號和8號鋼筋,整體極化程度有明顯減小。隧道上半部分3號～6號鋼筋由于距離鋼軌較遠,所受雜散電流影響有限,沿線極化電位分布較均勻,幾乎重合。8號結(jié)構(gòu)鋼筋上極化電位最大值與最小值相差141 mV,5號結(jié)構(gòu)鋼筋上極化電位最大值與最小值相差26 mV。與隧道底部結(jié)構(gòu)鋼筋相比,隧道頂部結(jié)構(gòu)鋼筋受雜散電流影響極化程度減少約81.6%。比較1號和4號結(jié)構(gòu)鋼筋可以得到相似的結(jié)論。

保持其他各項條件不變,改變牽引電流大小分別設(shè)置為1 A和2 A時,隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布分別如圖2和圖3所示。由圖2、圖3可知,流經(jīng)鋼軌的電流越小,所產(chǎn)生的雜散電流越小,從而對隧道結(jié)構(gòu)鋼筋的極化影響程度也越小。牽引電流從2 A減小到1 A后,對于第1和第8根結(jié)構(gòu)鋼筋,極化電位偏移程度降低了約68.5%;對于第2根和第7根結(jié)構(gòu)鋼筋,極化電位偏移程度降低約68.2%;對于第3根和第6根結(jié)構(gòu)鋼筋,極化電位偏移程度降低了約73.1%;對于第4根和第5根結(jié)構(gòu)鋼筋,極化電位偏移程度降低了約73.3%。

圖3 牽引電流1 A時隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布

圖4 牽引電流2 A時隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布

2.2 鄰近金屬管線對隧道鋼筋極化電位分布影響

保持各項初始條件不變,在與鋼軌同一水平面上,與8號結(jié)構(gòu)鋼筋水平距離10 cm處平行布置一根長100 cm金屬管線,實驗布置如圖5所示。結(jié)構(gòu)鋼筋及金屬管線自然電位為-960 mV。

圖5 鄰近金屬管線對隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布影響實驗?zāi)Ｐ?/p>

金屬管線沿線極化電位分布如圖6所示。圖6中,隧道結(jié)構(gòu)旁的金屬管線受到明顯雜散電流影響,整體分布與隧道結(jié)構(gòu)鋼筋相似,呈“V”形。金屬管線沿線極化電位發(fā)生不同程度偏移,極化電位最大值與最小值相差近100 mV,整體極化程度小于1號和8號結(jié)構(gòu)鋼筋,大于其他結(jié)構(gòu)鋼筋。

圖6 鄰近金屬管線沿線極化電位分布

選取1號、4號、7號、8號結(jié)構(gòu)鋼筋與無其他金屬管線時的極化電位分布進行比較,如圖7所示。由圖7可知,其他金屬管線存在前后,第1號、4號、7號、8號結(jié)構(gòu)鋼筋上的沿線極化電位分布幾乎重合。實驗設(shè)置位置的金屬管線雖然自身受到明顯雜散電流影響,但其存在對隧道各結(jié)構(gòu)鋼筋上的極化電位分布幾乎無影響。

2.3 隧道結(jié)構(gòu)鋼筋并聯(lián)對沿線極化電位分布影響

保持各項初始條件不變,在結(jié)構(gòu)鋼筋靠近兩端各15 cm處,分別用銅導(dǎo)線將8根結(jié)構(gòu)鋼筋連接,實驗示意如圖8所示。結(jié)構(gòu)鋼筋自然電位為-960 mV。

圖8 隧道鋼筋并聯(lián)對沿線極化電位分布影響實驗?zāi)Ｐ?/p>

結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布如圖9所示,隧道模型各結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布規(guī)律與并聯(lián)前相似。選取1號、4號、5號、8號結(jié)構(gòu)鋼筋與隧道結(jié)構(gòu)鋼筋并聯(lián)前的極化電位分布進行比較,如圖10所示。由圖10可知,當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋并聯(lián)時,靠近鋼軌第1號、8號結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位較不并聯(lián)時無明顯變化,整體極化程度在并聯(lián)前后基本保持一致。對于遠離鋼軌第4號、5號結(jié)構(gòu)鋼筋,沿線整體極化程度較互聯(lián)前有所減弱,導(dǎo)體兩端對應(yīng)牽引變電所發(fā)生陽極極化位置,極化程度較并聯(lián)前下降約14.1%,中間對應(yīng)列車發(fā)生陰極極化位置,極化程度較并聯(lián)前下降約26.3%。隧道結(jié)構(gòu)鋼筋并聯(lián)能有效減少雜散電流對隧道頂部結(jié)構(gòu)鋼筋的影響,但是對靠近鋼軌附近結(jié)構(gòu)鋼筋影響不明顯。

圖9 隧道鋼筋并聯(lián)時沿線極化電位分布

圖10 隧道鋼筋并聯(lián)對結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布影響

2.4 排流網(wǎng)對隧道鋼筋沿線極化電位分布影響

保持各項初始條件不變,在鋼軌下方加裝排流網(wǎng)。排流網(wǎng)由3根與電阻絲等長且平行放置的鐵絲組成,每隔25 cm用銅導(dǎo)線進行一次橫連。排流網(wǎng)寬10 cm,兩端直接與直流電源負極相連,排流網(wǎng)與鋼軌的垂直距離為5 cm,如圖11所示。結(jié)構(gòu)鋼筋自然電位為-960 mV。結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布如圖12所示。選取1號、2號、3號、8號結(jié)構(gòu)鋼筋與無其他金屬管線時的極化電位分布進行比較,如圖13所示。

圖11 排流網(wǎng)對隧道鋼筋極化電位分布影響實驗?zāi)Ｐ?單位:cm)

圖12 加裝排流網(wǎng)后隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布

圖13 加裝排流網(wǎng)對結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布影響

由圖13可知,增加排流網(wǎng)后,靠近鋼軌第1號、8號結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化程度有明顯增加,其中,陽極極化平均增加約23.4%,陰極極化均增加約33.2%。2號結(jié)構(gòu)鋼筋沿線整體極化程度較未安裝排流網(wǎng)時有輕微增加,3號結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化程度較未安裝排流網(wǎng)時減小約16.7%。

排流網(wǎng)的存在使靠近走行軌和排流網(wǎng)的隧道結(jié)構(gòu)鋼筋受到更嚴重的雜散電流腐蝕,對于遠離排流網(wǎng)的結(jié)構(gòu)鋼筋,排流網(wǎng)能夠降低雜散電流對金屬的腐蝕影響。

2.5 鋼軌與隧道鋼筋距離對極化電位分布影響

雜散電流流通路徑對結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位分布有明顯影響,路徑主要反映在鋼軌與結(jié)構(gòu)鋼筋的距離上,實驗?zāi)Ｐ椭?7號結(jié)構(gòu)鋼筋與鋼軌直線距離和實際距離示意如圖14所示。以初始數(shù)據(jù)為例,表1給出了隧道結(jié)構(gòu)鋼筋極化程度隨距離變化關(guān)系,其中,Ln為n號結(jié)構(gòu)鋼筋與鋼軌的直線距離,Dn為n號結(jié)構(gòu)鋼筋與鋼軌的實際距離,ΔEn為n號結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位偏移最大值。

表1 隧道結(jié)構(gòu)鋼筋極化程度與距離變化關(guān)系

圖14 隧道結(jié)構(gòu)鋼筋與鋼軌直線距離和實際距離示意

表1中,以8號結(jié)構(gòu)鋼筋為基準(zhǔn)值,對各結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化程度變化率隨距離變化關(guān)系進行計算,可以發(fā)現(xiàn),隨著實際距離和直線距離的增加,結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化程度均呈指數(shù)衰減。當(dāng)實際距離增長至1.92倍時,結(jié)構(gòu)鋼筋整體極化程度下降約56%,衰減速率約為0.61。當(dāng)實際距離增長至3.75倍時,結(jié)構(gòu)鋼筋極化程度下降80%以上,衰減速率約為0.29。當(dāng)直線距離增長至1.75倍時,結(jié)構(gòu)鋼筋整體極化程度下降約56%,衰減速率約為0.75。當(dāng)實際距離增長至2.55倍時,結(jié)構(gòu)鋼筋極化程度下降80%以上,衰減速率約為0.52。在中空隧道模型中,結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化程度隨直線距離衰減速率均大于實際距離。

3 結(jié)論

建立地鐵雜散電流對隧道結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位分布影響實驗?zāi)Ｐ?針對不同牽引電流、存在鄰近金屬管線、隧道鋼筋橫聯(lián)及加裝排流網(wǎng)等情況,開展隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布影響實驗,主要結(jié)論如下。

(1)隧道附近存在其他埋地金屬管線時,金屬管線自身會受到明顯雜散電流影響,但其存在對隧道各結(jié)構(gòu)鋼筋上的極化電位分布幾乎沒有影響。

(2)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋并聯(lián),能有效降低雜散電流對隧道頂部結(jié)構(gòu)鋼筋的影響,陽極極化與陰極極化程度較并聯(lián)前分別下降約14.1% 與26.3%,并聯(lián)對靠近鋼軌附近結(jié)構(gòu)鋼筋影響不大。

(3)排流網(wǎng)對雜散電流有一定吸附作用,加裝排流網(wǎng)將使靠近鋼軌和排流網(wǎng)的結(jié)構(gòu)鋼筋受到更嚴重的雜散電流腐蝕,平均極化程度增加約28.3%。對于遠離排流網(wǎng)的金屬結(jié)構(gòu),排流網(wǎng)能有效降低雜散電流影響。

(4)結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化程度隨著鋼軌與結(jié)構(gòu)鋼筋距離的增加呈指數(shù)衰減,對于靠近和遠離鋼軌的隧道結(jié)構(gòu)鋼筋,衰減速率分別為0.61～0.75和0.29～0.52。