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行业动态

海底盾构隧道管片接头全寿命侵蚀劣化分析
发布时间:2022年06月02日

管片内部海水渗透规律

全寿命周期内,管片混凝土从外至内渐进性地 从“非饱和状态”向“饱和状态”演变,处于缓慢渗流状态,计算得到管片混凝土内海水渗透深度随 时间的变化关系如图 3 所示。由图 3 可以发现,随 着海底隧道管片衬砌结构服役时间的延长,海水在 管片混凝土内部的渗透深度不断增大,且在同等条 件下,衬砌断面所受外水压越大,海水对管片的渗 透侵蚀越严重。

图 3 不同水压力下海水渗透深度随时间的变化关系

 

离子含量变化规律

根据盾构隧道的结构特点,接缝面位置处于双 向侵蚀渗透状态,其附近位置处的离子含量分布呈 现出局部横、纵向不均匀性,选取不同位置的监测 点(见图 4)分析管片接头区域全寿命周期内侵蚀 劣化的演变规律。

图 4 管片接头区域监测点示意图(单位:mm)

 

1. 外水压对接缝面位置处侵蚀劣化的影响

以邻近管片接缝面的断面 A 为例,当管片外表 面氯离子含量为 0.6 % 时,管片接头近端氯离子侵 蚀劣化规律如图 5 所示。

图 5 管片接头近端氯离子含量分布曲线

 

由图 5 可知,随着海底隧道管片衬砌结构服役 时间的延长,管片接缝面位置处氯离子含量不断增 大,体现出近管片外表面测点增幅较大的特点,如近 外表面 A- ①、A- ②测点的氯离子含量增速和增幅明 显大于靠近管片内侧测点 A- ⑤、A- ⑥;分析不同外 水压条件下的侵蚀劣化规律可以发现,外水压越大 管片内同一位置的氯离子含量也越大,如外水压为0.10 MPa、0.50 MPa 时,A- ⑤测点的氯离子含量 在服役 100 年时分别为 0.05659 %、0.3076 %。可见, 外水压的增大对管片内部氯离子侵蚀有促进作用, 且越靠近管片外表面,高水压促进作用越明显。

2. 管片接头近端与远端氯离子的分布差异

以 0.50 MPa 外水压工况为例,分析得到管片 接头近端、远端的离子侵蚀劣化规律如图 6 所示。

图 6 管片内不同位置处氯离子分布曲线

 

从图 5、图 6 中可以看出,当外水压一定时, 与接缝面距离不同、氯离子含量分布不同。具体 表现为距离管片接缝面越近,管片内部的氯离子 浓度越大,如距接缝面分别为 25 mm(图 5(c))、 75 mm(图 6(a))和 175 mm(图 6(b))的④号 位置在服役 50 年时,氯离子含量分别为 0.344 %、 0.202 % 和 0.126 %,管片接头距接缝面 375 mm (图 6(c))位置处各测点氯离子含量分布曲线与 175 mm 处基本重合,可见越靠近接缝面、氯离子 含量越大,体现出氯离子含量分布的横向不均匀性;与接缝面距离相同的位置线上,如距接缝面 A=25 mm 的①、②、③、④号位置,在 100 年时 氯离子含量分别为 0.59 %、0.58 %、0.54 % 和 0.46 %, 氯离子含量分布体现出随着深度的增大而逐步减小 的特点,体现出氯离子含量的纵向不均匀性。

3. 外界腐蚀离子浓度变化的影响

以 0.50 MPa 外水压工况为例,得到不同外界 腐蚀离子浓度作用下,管片接缝面位置处(断面 A) 的离子侵蚀劣化规律,如图 7 所示。

图 7 外界不同氯离子浓度下管片内的氯离子含量分布曲线

 

从图 7 可以看出,当管片外界的氯离子浓度不 同时,全寿命周期内管片内部的氯离子含量随着位 置的不同而不同,如管片表面氯离子含量为 0.5 %、 0.6 % 和 0.7 % 时,A- ①测点在 100 年时氯离子含 量分别为 0.5 %、0.6 % 和 0.7 %,而 A- ⑥号测点氯 离子含量分别为 0.12 %、0.14 % 和 0.16 %,内部氯 离子含量变化并不明显。

可见,提高表面氯离子含量对靠近管片外表面 位置处的氯离子含量影响较大,随着氯离子侵蚀深度的拓展,这种影响逐渐减弱;当表面的氯离子含 量不同时,氯离子含量变化曲线的趋势相同,同一 位置达到相同含量所需的时间不同,如管片表面氯 离子含量为 0.5%、0.6% 和 0.7% 时,A- ④测点氯 离子含量达到 0.2% 所需的时间分别为 34 年、29 年 和 26 年,可见增大管片外表面的氯离子浓度可缩短 近外表面位置累积到同一氯离子含量的侵蚀时间。


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