龍頭山隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性實驗分析

1、龍頭山隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性實驗分析招國忠1 譚忠盛2 曾磊1 朋改非2（1廣州珠江黃埔大橋大橋建設(shè)有限公司 廣州 510725 2北京交通大學 北京 100044）摘要：隧道所處地質(zhì)環(huán)境的復雜，導致影響其耐久性的因素眾多，由于龍頭山隧道處于華南地區(qū)，以及其本身結(jié)構(gòu)的特殊性，對結(jié)構(gòu)的耐久性提出更加嚴格的要求，但對于其耐久性可行的研究部分仍然集中于混凝土的研究，如何提高隧道二襯混凝土的抗裂性和抗?jié)B性成為該隧道耐久性研究的關(guān)鍵因素。關(guān)鍵詞：隧道襯砌 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 混凝土配合比 耐久性實驗 中圖分類號： U 455 文獻標識碼： A The Durability Experimental Analys

2、is of Longtou Shan Tunnel Lining Structure (Zhao Guozhong1 Liu heng2 Zeng lei1 Zhang peng2)(1 Guangzhou Pearl River Bridge Construction Co. Ltd. Guangzhou 510725 2 Beijing Jiao tong University Beijing 100044 )Abstract: Local tunnel geological is so complex that there are many factors which affect it

3、s durability. Longtou Shan is in the southern China and has its own special structure; which require the strict ability of durability. However, its durability feasible study is still on the concrete research how to improve the tunnel lining concrete cracking and impermeability of the tunnel as the k

4、ey to durability factors. Key words: tunnel lining; reinforced concrete structure; the proportion of concrete; durability experiment 1.工程所處環(huán)境以及結(jié)構(gòu)特點龍頭山隧道所處地貌單元屬長期風化剝蝕丘陵地貌區(qū)，隧道上覆低矮灌木和雜草，植被茂密。隧址區(qū)屬亞熱帶海洋性季風氣候，溫暖潮濕，雨量充沛，環(huán)境平均溫度21.80C，環(huán)境相對濕度為0.781,隧道襯砌所處屬于室外潮濕環(huán)境，由于地處雨水充沛的南方，因此，需要對隧道的防排水系統(tǒng)以及混凝土的抗?jié)B提出更高的要求。此外，龍

5、頭山隧道屬于大斷面、大跨度的隧道，最大跨徑約為21m2，因而隧道襯砌結(jié)構(gòu)無論從承載力還是裂縫擴展等方面，對結(jié)構(gòu)的材料、構(gòu)件、及隧道的耐久性體系的提出相應的要求，成為控制結(jié)構(gòu)壽命的重要因素。2.隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性研究方法隧道與周圍介質(zhì)聯(lián)系緊密，且長期相互作用，故在研究耐久性的影響因素時應特別重視環(huán)境條件的影響，環(huán)境作用下影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的材料劣化現(xiàn)象主要是鋼筋和混凝土腐蝕。根據(jù)周圍環(huán)境與隧道發(fā)生作用的情況，將隧道分為內(nèi)側(cè)與外側(cè)環(huán)境進行考慮，隧道內(nèi)側(cè)主要考慮襯砌結(jié)構(gòu)在大氣環(huán)境中的性能衰減，大氣中的二氧化碳從混凝土表面向里滲透并與混凝土中的堿化物質(zhì)起化學作用使混凝土堿度降低（碳化），當碳化或中性

6、化發(fā)展到鋼筋表面，破壞了鈍化膜得以形成的條件，鋼筋就會發(fā)生銹蝕；此外運營后汽車尾氣對內(nèi)側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)耐久性有很大的影響；在外側(cè)主要考慮周圍地質(zhì)環(huán)境水及水中所含的化學物質(zhì)等對其耐久性的影響，周圍環(huán)境中的氯離子從鋼筋表面逐漸滲入到混凝土內(nèi)部，當?shù)竭_鋼筋表面處的氯離子濃度積累到一定值（臨界濃度）后也就會破壞鈍化膜，氯鹽引起鋼筋銹蝕的發(fā)展速度很快，遠比碳化銹蝕嚴重；還有一種常見的化學腐蝕主要源于混凝土自身，即混凝土的堿骨料反應。與此同時，隧道襯砌長期經(jīng)受圍巖壓力和地下水壓力的作用，在這些壓力的共同作用下襯砌混凝土的滲透性會有所變化，而混凝土的滲透性又與耐久性關(guān)系緊密?；炷两Y(jié)構(gòu)在荷載與環(huán)境的長期作用下都有

7、可能引起材料性能的一些劣化，特別是結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生裂縫后，裂縫的擴展大大增加了混凝土與有害物質(zhì)的侵蝕，加快了混凝土劣化的過程，從而影響隧道結(jié)構(gòu)的耐久性。荷載長期作用下的材料性能劣化主要表現(xiàn)為材料的降低，強度的降低通常在結(jié)構(gòu)承載力（強度）設(shè)計中已經(jīng)用持久強度、疲勞強度等參數(shù)予以考慮。如上所述，對龍頭山大斷面隧道進行耐久性研究時，針對其內(nèi)側(cè)外側(cè)考慮環(huán)境因素對其耐久性的影響及作用機理；對其混凝土自身的性能劣化則主要進行混凝土配合比試驗，來研究影響混凝土耐久性的各因素，主要結(jié)合工地現(xiàn)場以及室內(nèi)實驗，對其混凝土材料進行耐久性性能的指標分析。3.龍頭山隧道混凝土耐久性實驗3.1 地質(zhì)環(huán)境環(huán)境因素影響隧道襯砌耐

8、久性的一個主要外部因素就是隧道所處的地質(zhì)水文環(huán)境，因此在隧道襯砌前，為檢測其所處地質(zhì)的有害成分，以及評估其對隧道的腐蝕性，委托廣東交通集團檢測中心對隧道內(nèi)SO5標段出口水質(zhì)進行分析,主要測試項目有：PH值、游離，侵蝕性等，通過所處的地質(zhì)水文條件良好，對隧道結(jié)構(gòu)具有腐蝕性的離子所含量很少，因此對隧道襯砌的侵蝕影響較小3。故對于隧道襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性研究將主要集中在混凝土自身的耐久性以及隧道的大跨受力對結(jié)構(gòu)的耐久性的影響方面。3.2 混凝土不同配合比耐久性性能比較目前，設(shè)計和施工一般只是對襯砌結(jié)構(gòu)混凝土進行強度要求，但事實上針對不同的地質(zhì)氣候環(huán)境和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，應該對混凝土的其它對應耐久性提出相應的要求

9、，這就與混凝土的配合比相關(guān)。因此我們在實驗室進行的混凝土試驗中，比較不同配合比的耐久性性能的差異，一共做了12組配合比試驗（GZ1為工地采用配合比），分別做了表面抗?jié)B試驗、氯離子滲透試驗、斷裂能試驗，炭化試驗、劈裂試驗和強度試驗，其中在第2組加入鋼纖維，在第3組加入聚丙烯纖維，在第4組加入混合的鋼纖維和聚丙烯纖維。下面是其主要性能方面的性能的比較：（1）強度上的比較W/B=0.61 0.61 0.61 0.61 0.45 0.40 0.45 0.45 0.40 C = 310 310 310 310 310 310 290 270 290 kg/m3 圖1不同配合比混凝土的折算為150mm試件

10、28天抗壓強度從試驗我們可以看出，雖然同樣都滿足混凝土強度設(shè)計要求，但是其早期強度和28天強度不同的配合比依然有一些差別，如果只考慮強度方面，工地采用的GZ1配合比仍然有提高的空間。（2）斷裂能比較對于龍頭山大跨隧道，由于結(jié)構(gòu)拱頂所受的拉力增加，而且由于混凝土抗拉能力較低，因此結(jié)構(gòu)的抗裂性能是影響隧道耐久性的關(guān)鍵因素，通常一般也認為，混凝土的抗裂性能是大跨隧道耐久性關(guān)鍵因素，本試驗中加入纖維也是為了比較其抗拉性能的差異，并且用斷裂能的大小來比較。W/B=0.61 0.61 0.61 0.61 0.45 0.40 0.45 0.45 0.40 C = 310 310 310 310 310 31

11、0 290 270 290 kg/m3 圖2 不同配合比混凝土的28天齡期斷裂能從圖2的試驗結(jié)果可知，優(yōu)化后的混凝土GZ2至GZ12的斷裂能得到了顯著提高。其中以加混雜纖維與鋼纖維的效果最為突出，此外不含纖維的0.40水膠比混凝土GZ7和GZ12的斷裂能也有了顯著提高。但由于施工中纖維對防水板的影響較大，因此在實際工程中仍采用原有配合比。（3）抗?jié)B性能的比較對于華南地區(qū)的隧道結(jié)構(gòu)，由于降雨較多，因此襯砌結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能也是影響龍頭山隧道耐久性的主要方面，采用氯離子滲透和表面滲透進行混凝土滲透性能得比較，在氯離子滲透試驗中，由于含鋼纖維混凝土因自身導電，而無法實施氯離子滲透電量試驗。故該混凝土的氯

12、離子滲透電量數(shù)據(jù)缺，在本報告中以表面滲透性試驗結(jié)果作為參考數(shù)據(jù)，進行分析、討論。表1 不同配合比混凝土的氯離子滲透電量試驗結(jié)果編號滲透電量C（庫侖）GZ11826GZ11826GZ2/*GZ31718*GZ4/GZ61458GZ71150GZ91389GZ101362GZ121083W/B=0.61 0.61 0.61 0.61 0.45 0.40 0.45 0.45 0.40 C = 310 310 310 310 310 310 290 270 290 kg/m3圖3不同配合比混凝土的表面滲透性試驗綜合氯離子滲透電量試驗與表面滲透性試驗的結(jié)果看，本項目中纖維混凝土滲透性的主要影響因素是水膠

13、比W/B，在同一水膠比條件下的纖維種類對混凝土滲透性無顯著影響。由上述纖維混凝土的滲透性試驗結(jié)果及前述的力學性能試驗結(jié)果可以推知，如果要在本項目試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，進一步獲得增韌抗裂和顯著提高混凝土抗?jié)B性（即降低滲透性）的優(yōu)化效果，則應該采取的技術(shù)途徑是：在水膠比W/B0.45、0.40或更低W/B的混凝土中加入纖維；如果同時還要降低水化熱、減低混凝土水化溫升，則還可在水膠比W/B0.45、0.40或更低W/B的混凝土中適當降低水泥用量，用粉煤灰等量取代水泥，且這樣做的另一效果是可維持混凝土的強度等級無顯著改變，使混凝土的實際強度等級與結(jié)構(gòu)設(shè)計所定的設(shè)計強度維持一致。4.從材料上提高隧道耐久性的

14、措施從室內(nèi)試驗中我們可以看到，通過調(diào)整混凝土的配合比，改變水灰比等可以有效地提高混凝土的抗壓強度、針對龍頭山大斷面隧道，主要是提高其抗裂性能和抗?jié)B性能，從試驗中我們也可以看到目前工地所用的混凝土配比并不是最佳的選擇。但是無論什么配合比，為有效提高襯砌結(jié)構(gòu)耐久性能，最大限度降低襯砌結(jié)構(gòu)劣化的危害，在施工材料以及施工質(zhì)量上作如下要求：（1）原材料及混凝土拌制的要求優(yōu)先選用低水化熱和含堿量低的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，避免使用旱強水泥，水泥宜與礦物摻和料一起使用。由于襯砌結(jié)構(gòu)易遭受海水中有害離子（硫酸鹽氯鹽和酸等）的侵蝕，因此，應采用較大摻量礦物摻和料的低水膠比混凝土。單摻粉煤灰的摻量不宜小于25

15、%，且宜符合使用粉煤灰加硅灰粉煤灰加礦渣或兩種以上的礦物摻摻和料。（2）水泥的細度（比表面積）要符合國家標準，不得超過350m2/kg;為了保護混凝土的體積穩(wěn)定性和抗裂性能，硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥中的C3A不宜超過10，游離的氧化鈣含量不超過3.5%,水泥堿含量（案Na20當量計）不宜超過水泥質(zhì)量的0.6。（3）對龍頭山隧道，混凝土的最低強度等級不低于C30。（4）根據(jù)設(shè)計好的混凝土配合比，在正式施工開始前的試配工作中，進行混凝土和膠凝材料抗裂性能的對比試驗，從中優(yōu)選抗裂性能好的混凝土原材料和配比作為最終選用的原材料和配比。（5）混凝土骨料質(zhì)量要嚴格按標準選用，選用高強耐磨耐腐蝕級配合格粒

16、型良好吸水率低空隙率小的骨料。粗骨料的松散堆積密度一般應大于1500kg/m3;對不同細度模數(shù)的砂子，控制6.75mm0.6mm和0.15mm篩的累計篩余量分別為054070和95。粗骨料的壓碎指標不大于7，吸水率不大于2，針片狀顆粒含量不宜超過5%.（6）襯砌結(jié)構(gòu)混凝土不宜采用抗?jié)B透性較差的巖質(zhì)如某些崗巖砂巖等作為粗細骨料。骨料的最大公稱直徑不宜超過25mm,同時不應超過混凝土保護層厚度的2/3。（7）拌制和養(yǎng)護用水應符合現(xiàn)行標準的有關(guān)規(guī)定，同時，油有機質(zhì)酸、堿鹽等物質(zhì)不能超過對混凝土和鋼筋有害的含量。（8）外加劑（減水劑旱強劑緩凝劑引氣劑等）的選用應以不產(chǎn)生對混凝土和鋼筋有害的物質(zhì)，不降低

17、混凝土耐久性為依據(jù)。不得使用氯化物類外加劑。（9）各種外加劑應有廠家提供的推薦摻量與相應的減水率主要成分（包括復配組分）的化學名稱含堿量以及施工中必要注意的事項如超量和欠量使用時的有害影響摻和方法和成功的使用證明等。（10）混合使用幾種外加劑阻銹劑及其他防腐劑時，應事先測定他們之間的相容性。（11）各種阻銹劑的長期有效性需經(jīng)過檢驗，不能使用亞硝酸鈉類阻銹劑。（12）混凝土應根據(jù)所用材料具體作配合比設(shè)計，并經(jīng)過檢驗驗證，使配制的混凝土產(chǎn)品具有適當?shù)暮鸵仔院统矶?，以便澆筑時能夠順利入模并包裹鋼筋和預埋件，不發(fā)生離析或過多的泌水。5.結(jié)論從上面分析可以得出，龍頭山大跨隧道耐久性除了需考慮混凝土材料的耐久性外，由于其處于華南地區(qū)以及其結(jié)構(gòu)自身的特點，則主要考慮大斷面受力的裂縫控制和混凝土抗?jié)B性的要求，即在設(shè)計時要充分考慮合理的設(shè)計斷面，在混凝土材料選擇以及配合比等方面都需要合理選擇，在施工時要符合耐久性施工的要求，此外運營期間做好隧道的通風也有利于將有害的汽車尾氣排出隧道，提高隧道結(jié)構(gòu)的耐久性能。因此