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为了研究盾构法隧道管片衬砌结构强度的历时老化和衰减及其服务寿命的预测问题,提出了对其进行耐久性设计的一种基本方法。主要讨论的内容有:钢筋混凝土管片结构的腐蚀机理;影响隧道混凝土结构耐久性的主要因素;管片接头螺栓和防水材料的耐久性;钢筋混凝土管片结构耐久性设计方法;隧道结构服务寿命预测,以及提高隧道管片衬砌耐久性的工程措施———综合防治。该研究成果已在崇明长江隧道工程中得到了初步应用。
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第 25 卷 第 1 期
2008 年 3 月
建筑科学与工程学报
Journal of Architecture and Civil Engineering
Vol .25 No .1
Mar .2008
文章编号 :1673‐2049(2008)01‐0001‐09
收稿日期 :2008‐01‐28
基金项目 :国家高技术研究发展计划(“八六三”计划 )项目 (0230235033)
作者简介 :孙 钧 (1926‐) ,男 ,浙江绍兴人 ,教授 ,博士生导师 ,中国科学院院士 ,E‐mail :
j
unsunk@ online .sh .cn 。
崇 明 长 江 隧 道 盾 构 管 片 衬 砌 结 构 的 耐 久 性 设 计
孙 钧
1 ,2
(1 .同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室 ,上海 200092 ;
2 .上海城建集团公司 院士工作研究室 ,上海 200092)
摘要 :为了研究盾构法隧道管片衬砌结构强度的历时老化和衰减及其服务寿命的预测问题 ,提出了
对其进行耐久性设计的一种基本方法 。 主要讨论的内容有 :钢筋混凝土管片结构的腐蚀机理 ;影响
隧道混凝土结构耐久性的主要因素 ;管片接头螺栓和防水材料的耐久性 ;钢筋混凝土管片结构耐久
性设计方法 ;隧道结构服务寿命预测 ,以及提高隧道管片衬砌耐久性的工程措施 ——— 综合防治 。 该
研究成果已在崇明长江隧道工程中得到了初步应用 。
关键词 :盾构法隧道 ;管片衬砌 ;结构耐久性设计 ;隧道服务寿命 ;综合防治
中图分类号 :TU528 .33 文献标志码 :A
Durability Design of Segment Lining Structure in
Chongming Yangtze River Shield Tunnel
SUN Jun
1 ,2
(1 .Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education ,
Tongji University ,Shanghai 200092 ,China ;2 .Academician Studio ,Shanghai Urban
Construction Group Corporation ,Shanghai 200092 ,China)
Abstract :In order to understand the long‐term strength attenuation and material ageing of tunnel
structures ,the author presented an explorative study on the durability design and service life
p
rediction of the under‐river tunnel lining segments constructed by shield driving method .The
main topics under discussion here were :corrosion mechanism of RC segment lining structures ,
main factors affecting the durability of RC tunnel structures , durability of bolts connected
segment joints and water‐
p
roofing materials , durability design method for segment linings ,
p
rediction of the service life on tunnel structures and the comprehensive prevention and cure
measures w hich were intended to improve the durability of tunnel segment lining structures in
engineering aspects . The results obtained here have been preliminarily used in Chongming
Yangtze River Tunnel engineering project .
Key words :shield tunnel ;segment lining ;durability design of structure ;tunnel service life ;com‐
p
rehensive prevention and cure measure
0 引 言
中国工程部门经常提到“百年大计 ,质量第一” ,
这一要求在工程设计和施工中如何具体反映和体
现 ,已日益引起业界人士的迫切关注 ,隧道与地下工
程结构的耐久性问题已经成为当前的一项研究热
点 。 现行城市轨道交通设计规程中规定了地铁主体
结构的设计基准期(使用年限)为 100 年 ;而越江和
海底隧道的服务寿命则可能要求更长 。 对结构耐久
性的定义和内涵 ,枟混凝土耐久性设计规范枠 (GB/
T — 200X)征求意见稿(待颁布实施)中已写明 :在设
计确定的环境 ——— 引起混凝土结构材料性能劣化的
环境因素(工程周围大气温湿度变化 ,CO
2
、O
2
、氯
盐 、酸碱等有害化学离子施加于结构主体等)的作用
和在正常维修 、使用条件下 ,结构构件在规定期限内
保持其适用性和安全性的能力 ,即工程结构的耐久
性 。 但是 ,在相应的工程设计中如何进行其耐久性
设计 ,迄今尚未很好地解决 ,如现行枟混凝土结构设
计规范枠(GB 50010 — 2002) ,虽提出了耐久性要求 ,
但其标准似乎偏低 ;新拟的耐久性设计规范则多原
则性要求 ,尚不够具体实用 。 在规范适用范围内 ,虽
包含了城市桥梁 、隧道 ,但又提到对低周反复荷载和
持久荷载作用 ,也能引起材料性能劣化的耐久性问
题 ,它与荷载作用下的结构强度设计有关 ,有别于环
境作用下的耐久性设计 ,不属该规范考虑的范畴 ,有
关隧道方面的内容也都尚未纳入其中 。
多年来 ,对混凝土材料耐久性方面的研究已有
很多
[1‐15 ]
,但本文中所探讨的水底隧道衬砌结构的
耐久性问题 ,则与单纯材料方面的研究有着质的不
同 ,其差异主要可归结为以下各点 :① 长江水底隧道
衬砌最大需承受约 70 m 高水头的渗透压力 ,以及
深厚土层围压的长期持续作用 ;② 通过江床下伏的
各层性质各异的土体 ,江水以地下水渗流的方式作
用并长期腐蚀管片衬砌的后背 ;③ 要求先对江水(和
涨潮时长江口外海水的倒灌作用)及土层矿物质组
成进行物化分析 ,考察江水 (海水)与土体层各组分
间的物化反应过程 ,进而探究这种变性 (变质)江水
(海水)对管片衬砌的腐蚀效应 ;④ 衬砌钢筋混凝土
结构随不同截面位置和各种不利荷载组合 ,分别呈
大 、小偏心受压作用 ,若干控制截面还将局部承受不
利的拉弯受力 ,并处于允许的限裂和裂控状态 ;⑤ 要
研究最不利工况和不同受力状态下混凝土材料抗渗
性能的变化及其衬砌腐蚀后强度的时程恶化 ,即对
混凝土腐蚀损伤(带有早期裂纹的初始损伤)的积累
与演化 ;⑥ 要研究隧道内部在接近恒温与夏季高温 、
秋冬干燥的环境条件下 ,由于隧道内外部温湿度交
替反复变化使衬砌材料的腐蚀随时间而加剧 ,从而
引起结构耐久性呈变加速持续恶化的情况 。 在该项
研究中 ,需要配合以上各复杂因素条件 ,进行一系列
的试验和测试 ,以求获得大量有参考价值的数据和
第一手资料 ,进而才能有根据地做出隧道结构的耐
久性设计 。
目前 ,仅在结构设计中提出了诸如结构选材(优
选高性能混凝土 、高品质钢材等) 、适当加厚混凝土
保护层厚度 、结构表面和钢筋上增敷防腐涂层 、优化
施工工艺等工程措施 。 众所周知 ,作为一个完整的
工程结构耐久性设计 ,仅提出上述几个方面是远远
不够的 。 研究认为 ,在耐久性问题中 ,采用何种理论
预测并经试验修正与验证 ,以求定量地对隧道服务
寿命做出有一定依据的合理预测及做好结构耐久性
设计 ,并进而探讨如何采用综合性的工程处治措施 ,
使对结构的耐久性做出更加具有针对性的技术保障
等 ,都是现时亟待研究解决的问题 。 由于隧道工程
(特别如本文中探讨的长大越江隧道等)属于一项难
于日后再做大手术加固和修复的 、隐蔽性很强的水
下和地下重大工程项目 ,对其耐久性方面决策的可
靠性和有依据性问题就更显突出而具有相当大的难
度和复杂性 。 影响工程耐久性的主要环境场合有 :
化工和油品类等毒害物污染 ;海水和海洋环境 、江口
水域潮汛影响等含盐氯离子腐蚀 ;隧道受含放射性
物质地下水长期浸泡入渗 ;道路隧道内车流尾气中
CO
2
对混凝土的碳化作用 ;高寒地域气候变化 、冻
融 、南方地区冬夏温湿度交替 ;其他氯化物和各种化
学腐蚀环境等 。 在本文中讨论的长江水底隧道结构
的诸环境侵蚀场合中 ,上述众多因素的不少方面都
与其耐久性研究密切相关 。
隧道结构耐久性设计存在的问题和困难主要在
于 :设计中认为土层 、地下水和隧道内外环境中腐蚀
性介质的含量未超标 ,而不主动采取保证耐久性的
措施 ,这是一个误区 。 此外 ,混凝土材料随时间呈劣
化(老化)也是一个变加速的过程 。 再则 ,耐久性研
究需要做长时间的试验和测试 ,这在客观上是不可
能的 。 这些困难和问题在很大程度上制约了耐久性
研究工作的进展 。
1 管片衬砌结构的腐蚀机理
1 .1 腐蚀情况
从 19 世纪后期开始 ,球墨铸铁隧道管片使用
100 多年迄今仍然完好 (伦敦地铁和泰晤士河上一
些老时代的盾构隧道等) ;而 20 世纪中叶后 ,钢筋混
凝土管片出现的问题却不少 ,以中国香港 20 世纪
70 年代建成的地铁为例 ,到了 20 世纪 90 年代 ,衬
砌结构的内排钢筋 、连接螺栓的外露部分和钢拉杆
都有不少锈蚀 ,多处管片的混凝土保护层剥落 。 采
2
建筑科学与工程学报 2008 年
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