地下工程结构物耐久性研究

第6期　

学术专论　

地下工程结构物耐久性研究

潘洪科1　汤永净1　葛世平2　杨林德1

)

)

)

)

(1) 同济大学地下建筑与工程系,200092, 上海; 2) 上海市地铁运营有限公司,200030, 上海∥第一作者, 博士研究生)

摘　要　简要分析国内外对地下结构耐久性研究的现状和不足, 指出今后研究重点和发展方向。结合上海地铁实际情况及上海一般土层地质特点, 对地下结构耐久性尤其在有别于地面结构的影响因素方面进行详细分析。化学作用、杂散电流、结构物差异沉降、受力变化等是主要影响因素。提出了耐久性评估和使用寿命预测, 以及耐久性试验方案。关键词　地下结构, 地铁, 耐久性, 可靠性中图分类号　TU 921; TU 312+. 3

The D u r a bilit y of U nde r gr ou nd S t r uct u res i n S ha n ghai Met r o

Pan Hongke , Tang Y ongjing , Ge Shiping , Y ang Linde

Abs t r act 　With a brief int roduction of the st ructures ’durability in Chinese and , this focuses on the actual and the general geological , the factors of the underground st durability , especially the dif 2ference between the underground &the ground st ructures. Finally , this paper p resents a scheme for the evaluation of the durability and the p rediction of the life 2span of the under 2ground st ructure.

Key w or ds 　underground st ructure , met ro , durability , reli 2

ability

A ut hor ’s a ddress 　Dept. of Geo 2technical Eng. , Tongji U 2niversity ,200092,Shanghai ,China

　　以往人们普遍认为, 地下工程混凝土或钢筋混

凝土衬砌不会自然损坏和失效, 能够满足50年或更长使用年限的要求。但近些年来, 这种观念己逐渐发生变化。、地下水、, 加上各种, 由此引发的各类耐。例如构件或结构的锈蚀、裂、差异沉降、变形过大等各种破坏现象频发, 缩短了工程结构物的使用寿命, 并因返修而耗费大量资金。尤其是近年来长大隧道和各种重大地下工程建设的增多, 一次性资金投入巨大, 且维修或改建都较困难, 由此对耐久性提出了更高的要求。以往按设计基准期50年进行设计已不能满足要求, 地下工程以100年或更长的时间为设计基准期已势在必行。

4　结论

(1) 电源滤波器中共模扼流圈内既存在共模磁

上, 以获得预期的衰减特性。

(4) 由于城市轨道交通的控制系统和电源系统

所处的电磁环境非常恶劣, 为减少由于电磁干扰引起的车载设备误动作, 保证人身安全, 必须针对其电

源及传输线加装滤波器。

通也存在差模磁通。为了得到共模电感, 同时使差模电感最小, 设计时最好采用横截面积较大的磁芯绕制成多匝线圈, 另外必须解决磁通离开磁芯引起的辐射问题。

(2) 在电源滤波器设计中除了要考虑源阻抗和

参考文献

1　钱照明, 程肇基. 电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技

负载阻抗不匹配的因素之外, 还必须考虑其对串联

电感的电感量及并联电容的电容量的严格限制, 以满足对滤波器插入损耗的要求。

(3) 电源滤波器的安装质量对其衰减特性影响

术. 杭州:浙江大学出版社. 2000

2　张松春, 竺子芳. 电子控制设备抗干扰技术及其应用. 北京:机械

工业出版社. 1995

3　李萍. 利用滤波器抑制开关电源的电磁干扰. 电源技术应用,2000

(8)

很大, 必须遵循相关原则将滤波器正确安装在设备(收稿日期:2004-03-30)

・41・

城市轨道交通研究　

　　国内外对混凝土材料的耐久性已有了较长时期的研究, 在理论和实践两方面均取得了很多有价值的成果, 如混凝土碳化、氯离子侵蚀、钢筋锈蚀等方面, 但该类成果主要集中在地面混凝土结构及海港、水工结构方面, 而对地下结构的耐久性研究文献却极少见。此外, 目前研究工作多停留在材料层面上, 对结构层次(包括荷载、应力应变、差异沉降、地下水渗流、施工过程等) 的研究还很不够; 在工程结构(尤其是地下结构) 耐久性技术规范及标准的制订方面也很欠缺; 各机构、部门的研究工作也缺乏统一规划, 重复性工作较多。再从耐久性研究角度和方法来看, 目前一般采用的是单一因素分析法, 而对各因素间的交叉影响考虑极少, 这与实际情况存在差异。

上海轨道交通建设只有短短十几年的历史, 但也出现一些事故, 如局部地区沉降过大、轨道交通4号线隧道出现涌水、连续墙施工振捣中混入泥沙、地铁墙体合理厚度的确定在考虑耐久性方面的不足及某些局部初显的迷流腐蚀迹象等。为此, 上海市政府及地铁有关部门对该类课题的立项研究很为重视, 提出了对城市软土地下工程结构物及地铁的耐久性和可靠度的研究课题, 构提供耐久性评价、预测方法, 久性设计与施工提供建议上海轨道交通1质对其耐久性的影响规律, 重点研究不均匀地层沉降及各种施工荷载与应力状态变化下地下结构使用寿命的综合评价与预测。本文主要提出一些拟对课题进行研究的思路、方案及相关观点, 以供探讨。

2004年

　

水体渗流压力、不均匀沉降、外荷变化、结构尺寸与

构造等) , 施工因素(混凝土浇筑及振捣、支护形式及时机、超欠挖、质量管理等) 。同时这些因素还将相互交错影响。对于上海地铁车站及区间隧道结构的耐久性研究, 考虑到上海地区土质一般特点及隧道线路穿越的诸多地段, 经综合分析, 笔者认为应着重考虑化学作用、杂散电流、结构物沉降、结构受力变化等因素。1. 1　化学作用引起的腐蚀破坏

2-2+

这方面包括碳化作用及各种Cl -、SO 4、Mg 等的侵蚀破坏。考虑上海地区一般土壤情况, 此处主要分析碳化作用对混凝土的中性化及离子对钢筋

2-的腐蚀。由于上海地区一般环境土体中Cl -、SO 4、

等的含量较低(参考表1、表2, 市区内土体中侵蚀性离子含量较长江口应更低) [1], 与碳化相比, 其对混凝土保护层的侵蚀甚微, 可不予考虑。但是,

Mg

2+

, 则因Cl -可优先于O 和-Cl -的。-。

表1　长江水体中Cl -的含量

测试日期

联样位置崇明越江隧道出口处

2003-07-02

mg/L Cl -含量

56. 155. 134. 2

江心处宝杨路码头

1　耐久性影响因素分析

地下混凝土结构埋置于地下岩土体中(同时可

伴有地下水) , 因而其耐久性影响因素相对于地面结构更具复杂性和不确定性。在分析地下工程结构物的耐久性时应考虑到以下几方面的影响:①与土体

(水) 直接接触, 应力状况复杂多变; ②岩土介质的

　　化学腐蚀对钢筋的破坏作用很明显, 由此造成的损失也是巨大的。美国标准局1975年的调查表明, 美国全年各种腐蚀的损失为700亿美元, 其中混凝土中钢筋腐蚀损失占40%。对于地铁隧道结构, 由于隧道内存在各种地下水及土壤中的离子, 大气中的CO 2和O 2等也易侵入, 因此化学腐蚀破坏尤为严重。许多地下工程的混凝土、钢筋混凝土严重碳化, 导致出现大面积裂缝和钢筋锈蚀等早期破损现象, 因而不得不耗费大量资金维修加固。

表2　长江口江边底泥侵蚀性离子含量检测报告　mg/L

测试日期

测试项目

Mg 2+

Cl --SO 24Cl -

不均质性、非线性、流变性等特点对结构工程的影

响; ③处于地下, 给观测、模拟、试验等工作带来较大难度; ④外界荷载的不确定性等。

本文经综合调查、分析认为, 地下工程结构物的耐久性影响因素主要包括以下一些方面:环境因素(包括温湿度、CO 2、特殊离子环境、地下水、杂散电流等) , 材料因素(水灰比、水泥品种、碱骨料等) , 结构力学因素(应力状态及水平、裂缝程度、岩土流变、・42・

土样编号(土样深度:15m )

东(1) 号西(2) 号

84. 71636. 1139. 21558. 3

125. 3105. 6102. 81044. 4

2002-09-202002-09-26

1. 2　杂散电流引起的电化学腐蚀破坏

地铁列车采用直流电力牵引, 随着时间的推移,

第6期　

由于各种原因的影响, 不可避免存在一定的泄漏电流(也称迷流) 。地铁迷流主要是对地铁周围的埋地金属管道、通讯电缆外皮以及车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀。它不仅能缩短金属管线的使用寿命, 还会降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性, 甚至酿成灾难性事故。

在杂散电流作用下[2], 作为阳极的铁可被电解

2+(Fe →Fe +2e ) , 并可生成化合物。其电解过程符

学术专论　

1. 4　荷载变化及受力状态变化引起的破坏

这方面包括施工荷载变化及水土荷载变化。由

于工程建设施工和环境水土的变化, 地铁结构承受荷载相应发生变化, 结构物各部分的应力状态随之变化, 从而导致拉、压区及受弯区或剪应力区状态和范围都会有所变化。混凝土结构的耐久性与混凝土材料的孔隙率(或渗透性) 关系密切, 而其受力状态则能影响材料的渗透性。不同的应力状态将使混凝土孔隙率发生变化甚至产生裂缝。在拉应力区, 材料的孔隙率大, 渗透性也将明显提高, 混凝土易于碳化, 氯化物等侵蚀性物质也易于通过受拉区混凝土到达钢筋, 从而引起钢筋锈蚀。前苏联曾有人通过试验证明, 在无筋混凝土试件中(水灰比为0. 47) , 当压应力约为0. 7R up (压应力极限强度) 时,CO 2气体的有效扩散系数可降低一个数量级; 而当拉应力为0. 7R p (拉应力极限强度) 时, 则将增加1～2个数量级。另外, 。

合法拉第定律。在电解质溶液中, 移动1mol 电子所需的电量为:

Q 0=N A ・e =96485. 3C

式中:N A =6. 0225×1023为阿伏加德罗常数, e =

1. 602×10

-19

,C 为一个电子的电量。

设电解质离子的分子量为M , 化合价为n , 重量为W , 则离子运动时所带的电量为:nWQ 0/M 。

假设在某段由走行钢轨、过渡电阻、结构钢筋

(排流网) 组成的迷流圈内, 杂散电流的强度为I , 流

过阳极钢筋的时间为t , 则杂散电流的电量为It , 并等于电解质离子所带的电量, 即:

It =nWQ 0/M

2,

分别为:基于经验或类比的预测法、快速试验的预测方法、相似模拟法、数学模型方法、专家系统法等。以上的方法均有其优缺点。本文将采用数学模型与试验方法结合的研究手段。

要对地下工程进行耐久性评估与预测, 首先应确定其耐久性破坏准则。一般仍可采用极限状态理论, 即按承载能力极限状态或正常使用极限状态进行判断。考虑到整个工程的统一性, 应综合各单一结构、构件失效准则等按系统失效准则进行分析, 同时确定以单因素还是多因素交叉影响作为破坏模式。本文拟以研究单因素影响为基础。如逐一分析是否结构力学因素引起的受力变形过大或出现裂缝导致破坏, 是否碳化或离子侵蚀引起的化学破坏占据主因, 以及是否杂散电流腐蚀造成的破坏等, 然后据此评判其使用寿命。同时拟以正交试验及综合可靠度考虑交叉影响。

工程结构耐久性失效的极限状态方程常采用:Z (t ) =R (t ) -S (t ) 。此处亦可借鉴。该式表示结构抗力(R ) 、结构荷载(S ) 和功能函数(Z ) 均为时间的函数。S 主要为水土压力和外荷载。R 衰减是各种原因的综合结果。考虑S 和R 随时间的变化为随机过程, 故以随机数学原理进行耐久性风险评估。

・43・

　　由此可得被腐蚀的铁的质量为:

W =(MIt /(0)

　　铁的原子量M 89, n =2, 故当电流强度为1A 时,1:

W =(MIt ) /(nQ 0) =9297. 2g ≈9. 3kg

　　对于上海地铁之杂散电流, 根据有关单位试验监测数据[3], 1km 走行钢轨上最大电压降约30V 。设若电阻取值600Ω, 则电流为0. 05A , 则依照有关公式在1km 长的线路上(包括走行钢轨及结构钢筋或排流网) 1年内将有约0. 465kg 的钢筋将被腐蚀掉。因此杂散电流对钢筋的腐蚀破坏应引起足够重视。

1. 3　差异沉降引起的结构破坏

由于地铁隧道周围环境土体、土层的不均质性, 所处的工程地质环境特点不同, 其流变性和固结度也有差异(上海地区土体普遍为饱和含水土层或粘性夹砂层) 。在地铁隧道建成后, 部分地段土体还有相当程度的固结下沉和流变变形, 而其他一些地段的土体可能固结量及变形量不大或甚微, 如此必然造成各部位隧道结构物相应地存在不均匀沉降和变形。其结果是引起各段结构间产生相互应力作用, 并可能形成裂缝。这种结构破坏在隧道管壁连接处更为明显。

城市轨道交通研究　

由此, 上述所讨论的4类引起地铁结构耐久性破坏的因素中, 化学作用、杂散电流属于影响结构承载力R (衰减) 的因素, 流变固结、应力变化属于影响结构荷载S 变化的因素。2. 1　按结构或力学因素考虑若考虑结构或荷载因素破坏, 本文拟主要采取理论分析结合数学模型进行研究。采用上文提到的工程结构耐久性失效的极限状态方程进行判断。若上述不均匀沉降变形或应力变化对混凝土结构造成的损伤破坏较大, 则可主要考虑按这种损伤标准进行耐久性判断和寿命预测。2. 2　按化学腐蚀破坏考虑

若环境因素造成的化学腐蚀对破坏起主要作用, 则可考虑按钢筋锈蚀状态进行评估和预测, 主要采取试验、检测手段结合理论分析、模型假设方案进行。钢筋的锈蚀过程可分为3个阶段, 即:①从浇筑混凝土到其碳化深度开始到达钢筋表面、使钢筋失去表面钝化膜并开始锈蚀(Cl -也开始对钢筋产生锈蚀作用) ; ②自钢筋开始锈蚀到混凝土表面开始出现细微顺筋胀裂、剥落跞破坏现象; ③钢筋大面积锈蚀, 导致钢筋锈蚀速度加快、不能安全使用。为t 0、t 1和t 2(t 0, t 1和t 2为钢筋锈蚀期, t =t 0+t 1+t 2; 对地铁结构, 一般可将t =t 0+t 1′, t 1′一般应小于等于t 1, 量值视结构破坏标准而定, 而t 0则是真正意义上的安全使用期

。

[2]

2004年

　

　　设P S 为地铁结构可靠概率, P f 为失效概率, 则有:P S +P f =1

鉴于结构可靠度指标β(t ) 与失效概率的对应关系, 可由可靠度指标来控制结构的失效概率:

(-β(t ) ) =1-Ф(β(t ) ) P f =Ф　　当R (t ) , S (t ) 服从正态分布且相互独立时:μZ (t ) μR (t ) -μS (t )

βZ (t ) ==

22σZ (t ) (t ) +σ(t )

R

S

　　可采用当量正态化法, 把非正态变量当量化为正态分布的随机变量。

σZ (t ) 分别为随机过程Z (t ) 的上式中, μZ (t ) 、样本均值函数和均方差函数, 其值分别为:

μZ (t ) =E{Z (t ) }=一阶矩　

t ) d z

22σ二阶中心矩　Z (t ) =E{[Z (t ) -μZ ]}=

∫zf (x ,

-∞

+∞

∫

+∞-∞

2

[Z -μZ (t ) ]f (z , () , R 与时间过程有关, 是一随机。R 随时间的增长总体呈衰变趋势。影响R 衰减的因素很多, 因此, 混凝土的R 衰减是多因素影响机制。考虑多因素影响的耐久性研究方法目前较常用的有3种:多因素综合法, 实测统计法, 层次分析法。若只考虑单因素影响, 则需通过试验归纳与理论分析的方式对第1节中提到的各种主要影响因素逐个进行分析, 建立其随时间的变化规律及对结构耐久性的影响程度, 即回归结构抗力(包括承载力、抗剪力、弯矩等) 随时间的衰减曲线。这也是进行结构耐久性研究的基础, 须结合试验方案进行。

比如, 若仅考虑单因素耐久性影响, 当分别按混凝土碳化和Cl -侵蚀作为耐久寿命评判准则时, 可分别按以下极限状态功能函数是否满足条件进行评判[4]:

图1　混凝土中钢筋的腐蚀过程

Z d 1(t ) =R d 1(t ) -S d 1(t )

2. 3　结构耐久性可靠度分析

由上所述, 实际情况下的结构抗力(R ) 和结构荷载(S ) 是一随机过程, 则功能函数(Z ) 也为一随机过程:

Z (t ) =R (t ) -S (t )

=0, 结构处于极限状态; >0, 结构处于可靠状态。

式中:Z d1(t ) ———由Cl -侵蚀使钢筋钝化膜破坏导致钢筋锈蚀的功能函数;

Z d2(t ) ———由混凝土碳化使保护层失效而使

钢筋锈蚀的功能函数;

-R d1(t ) ———Cl 的临界浓度;

S d1(t ) ———Cl 浓度;

-

・44・

第6期　

R d2(t ) ———钢筋保护层厚度;

S d2(t ) ———混凝土碳化深度, S d2(t ) =K (t ) λ,

学术专论　

工、使用管理等方面考虑各种耐久性破坏因素的破

坏作用而采取得力措施。例如从设计开始就应引入耐久性概念, 经过分析计算或一定的试验方案而采取消除不稳定荷载或不均匀沉降土体, 或加强对混凝土、钢筋等材料的保护等切实可行的方案; 在施工阶段, 应按照耐久性要求严格施工, 如钢筋的衬砌保护层一定要有足够厚度; 又如, 在含水地基中浇筑混凝土时, 会出现靠土体侧混凝土被水土混入从而形成层状岩土样块体、影响混凝土质量和强度, 因此如何提高浇筑施工质量是值得研究的; 在使用阶段, 也应有合理的管理方案和制度, 断绝或尽量减少各种可能的有损地铁隧道耐久性的潜在威胁; 并加强安全与耐久性检测, 对某些指标进行长期监测以反馈工程使用状况信息, 若出现危险信号及时进行处理。

对于地铁隧道结构材料的防腐和防老化, 已有如下一些措施可供采用:混凝土表面涂层, 迷流收集网, 合理厚度的保护层, , 钢筋阻锈剂, 结构件的阴极保护, 。

其中K 为混凝土碳化速度系数;

T ———结构设计的基准期。

(2) 结构荷载统计分析

荷载的统计分析与T 有关。一般情况下, 荷载随时间的变化而变化, 应采用随机过程模型。荷载类型一般有3类:永久荷载, 持续荷载和短期瞬时荷载。对于永久荷载, 其随时间的变化很小, 近似保持恒定的量值, 仍可按现行标准经现场实测与计算分析取值; 对于可变荷载(包括持续荷载和短期瞬时荷载) , 以随机过程或时间序列作为概率模型, 一般多采用平稳随机过程。本文拟采用平稳二项随机过程模型, 在综合分析总荷载效应时, 将荷载样本函数模型转化为等时段的矩形波函数, 将设计基准期改为耐久性设计目标使用期。

3　耐久性试验方案

综上可知, 固结沉降破坏、裂缝宽度形态等方面对耐久性的影响, 主要以力学分析、理论假设方式进行, 拟结合试验分析。:

(1) 碳化检测5, 很多因素目前尚不明确或研究不够, 具有不确定性, 且这些因素将对结构的耐久性联合产生作用, 本文进行的工作仅为对其各自的影响进行的探讨, 因此还存在一定的粗糙性。对地下结构进行耐久性研究是近期提出的课题。鉴于涉及因素较为复杂和研究时间尚短, 研究工作仍有待继续深入。今后研究的重点应放在其有别于地面和水工结构的地方, 即应主要考虑各类岩土介质、复杂多变的应力状况、地下水渗流耦合效应、不均匀地层沉降等因素对地下工程结构物耐久性的影响。

碳化状况, 。

(2) 快速碳化试验。试验分现场取样试件和自

制试件分别进行。以验证试验(1) 并建立联系; 同时

探求水灰比、水泥品种、温湿度对碳化的影响。

-(3) 测试Cl -、SO 2Mg 2+等在混凝土中的扩4、

散速度, 与碳化试验相比, 以此求得碳化至钢筋界面时的离子的浓度积聚量, 并建立快速试验与离子实际侵蚀速度的关系。

(4) 将钢筋置于试验(3) 所求得的离子浓度的溶液中, 测试钢筋电化学腐蚀过程。

(5) 杂散电流腐蚀试验。

(6) 应力状态下钢筋混凝土碳化情形(受压、弯

参考文献

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道方案风险分析研究. 项目研究报告(专题11) ,2003:6～11

2　高占学. 隧道衬砌耐久性的研究[学位论文].上海:同济大学土木

曲受拉、不受力情形) 。

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-

工程学院,2003:22

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4　防治措施及结语

为提高地铁墙体结构的耐久性能, 应从设计、施

位论文].上海:同济大学土木工程学院,2004:91

(收稿日期:2004-04-26)

・45・