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行业动态

基于全寿命劣化分析的海底盾构隧道管 片结构安全保障对策
发布时间:2022年06月02日



全寿命周期内钢筋的锈蚀和劣化分析

对于钢筋混凝土海底隧道管片衬砌结构,其全 寿命周期内劣化的主要标志为管片内部钢筋是否发 生锈蚀。根据文献 [11,12],以钢筋表面氯离子浓度 达到 0.4 % 为钢筋已发生锈蚀的判定依据。基于此, 以氯离子含量 0.6 % 为例,得到管片外排钢筋不同 测点(见图 8)位置处的氯离子含量分布图如图 9所示。

图 8 外排钢筋区域监测点示意图

 

图 9 外排钢筋不同位置处氯离子含量分布曲线

 

分析图 9 中钢筋的锈蚀结果可知,当不考虑水 压作用时,管片外排钢筋位置处的氯离子含量随着 服役时间的延长而不断累积,但出现钢筋锈蚀的测 点仅为邻近管片接缝面的测点①位置处(图 9(a)), 可见在不考虑水压影响下,管片接头的削弱作用(接 缝面处双向渗透侵蚀状态)仅体现在管片接缝面较 小的区域内,对距接缝面远端的钢筋影响较小;进 一步分析可以发现,因管片接头接缝面处于双向渗 透侵蚀状态,管片外排钢筋顺筋方向体现出纵向不 均匀锈蚀的特点。当管片外侧水压为 0.50 MPa 时, 测点①、测点⑦位置的钢筋发生锈蚀的时间分别为 7 年、28 年,可见,水压力的增大加速了管片外 排钢筋的锈蚀和劣化。考虑外水压的压力渗透作 用后,在无外水压作用时(图 9(a)),此时仅测点 ①发生钢筋锈蚀,但随着水压的增大,如图 9(b) 在 0.10 MPa 水压作用下,测点① ~ ⑦均发生锈蚀, 测点①、⑦发生锈蚀的时间分别为 8 年、72 年。而 当水压达到 0.50 MPa(图 9(c))时,运营 28 年 后所有测点(① ~ ⑦)均发生锈蚀,起锈时间大大 提前。

笔者进一步分析不同外水压、不同钢筋位置在全寿命周期内的侵蚀劣化规律发现,随着管片外水 压的增大,氯离子的侵蚀速率也越大(曲线陡、斜 率大),且在服役 100 年后达到的最大氯离子含量 的量值也越大,水压促进了腐蚀离子的侵蚀。当外 水压较小时或无压状态下,最大氯离子含量处于 0.05%~0.6%时,钢筋不同位置最大氯离子含量差异 较大;但随着外水压的不断增大,钢筋不同位置的 氯离子含量差异不断减小。如在 0.50 MPa 高水压下, 钢筋不同位置的最大离子含量处于 0.54%~0.6%, 不均匀差异较小,可见,外水压的增大明显减小了 顺筋方向的不均匀腐蚀和劣化的差异。

海底盾构隧道管片结构安全保障对策

海底盾构隧道管片衬砌结构中的管片接头为 整体衬砌结构的薄弱环节,极易成为高水压与腐 蚀离子侵蚀劣化的首要位置,通过对全寿命周期 内的侵蚀和劣化分析可以发现,管片接头的接缝 面对两侧的削弱影响有限,并未波及整个管片衬 砌结构。

分析图 9 可以发现,全寿命周期内管片衬砌结 构在高水压与海水腐蚀环境作用下发生渐进性侵蚀 劣化,远离管片接头接缝面的测点⑥、⑦,其锈蚀劣化过程几乎同步,外排钢筋开始锈蚀的时间相同, 均处于单向渗透离子侵蚀运移状态,管片接头的接 缝面对管片衬砌结构的削弱影响可忽略不计;而 测点① ~ ⑤位置在管片接头局部双向渗透侵蚀作用 下,受到管片接头接缝面削弱作用的影响,其钢筋 锈蚀时间各不相同,随着与接缝面距离的减小而不 断减小。根据测点的位置关系,可确定管片接头接 缝面削弱影响范围近似为距管片接头接缝面距离约 等于管片厚度的两侧范围内,如图 10 所示。

图 10 海底盾构隧道管片接头耐腐蚀设防范围示意图

 

因此,为满足海底盾构隧道在全寿命周期内 的安全服役要求,在管片衬砌薄弱环节——管片 接头两侧约等于管片厚度的范围内,进行耐腐蚀 设防设计及重点维修养护,可提高整体隧道衬砌 结构的耐侵蚀能力及长期安全性能。此外,根据 钢筋累积到临界腐蚀离子浓度的时间与混凝土保 护层厚度正相关(保护层厚度(c)越大、氯离子 侵蚀时间越长)的关系,也可采用提高混凝土保 护层厚度实现延缓钢筋锈蚀、保障隧道结构安全 的目的,如图 11 所示。

图 11 海底盾构隧道管片钢筋保护层厚度(c)示意图

 

由于水土荷载、周围氯离子侵蚀及内部运营环 境的共同作用,整体管片衬砌结构在全寿命周期内的安全承载性能将发生缓慢地衰退,加之盾构管片 衬砌结构属于由管片拼装而成的多体拼接结构,结 构本身自带管片接头薄弱环节,若对全隧道断面进 行整体耐久性防腐设防及重点维修养护,将大地 增加隧道修建及维修成本。

根据上述研究结果,可在管片接头局部的有 限区域进行最经济、最合理的设防(见图 12、图 13),通过提高耐腐蚀设防范围内混凝土的抗渗等 级、在区域管片外侧或者内外两侧增加表面防腐涂 层、适当提高混凝土保护层厚度等方式,可以最经 济、最合理地增加腐蚀离子对危险区域的侵蚀难度, 延缓钢筋的锈蚀速度,提高全寿命周期内海底高水 压环境、复杂离子侵蚀环境、内部运营环境等多环 境耦合作用下的管片衬砌结构安全储备能力,延缓 或减弱多环境耦合作用对隧道衬砌结构的不利影 响,提高整体管片衬砌结构的耐久性,为海底盾 构隧道的管片安全提供有效的技术保障。

图 12 海底盾构隧道管片接头安全保障对策示意图

 

图 13 海底盾构隧道管片结构安全保障对策示意图



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