巖溶-侵蝕環(huán)境盾構(gòu)隧道管片耐久性及防護(hù)

蔣金蕓，馬靜

(1. 衡陽(yáng)市城市建設(shè)投資有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421000；2. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

巖溶環(huán)境，作為一種特殊地質(zhì)條件廣泛分布于中國(guó)西南與華南地區(qū)，其特殊的應(yīng)力環(huán)境和復(fù)雜的地下水系，都為工程建設(shè)帶來(lái)挑戰(zhàn)，諸如：宜萬(wàn)鐵路[1-2]、成都地鐵[3]及武漢地鐵[4]等工程在建設(shè)過(guò)程中，都不同程度地受到了巖溶地質(zhì)的影響。近年來(lái)，由于技術(shù)設(shè)備的進(jìn)步，部分地區(qū)開(kāi)始嘗試穿越巖溶地層修建水下隧道[4-5]。與普通隧道相比，巖溶地質(zhì)條件中修建水下隧道，原生地質(zhì)環(huán)境中水系發(fā)達(dá)，且地下水鹽類豐富，除隧道結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定性問(wèn)題外，長(zhǎng)期條件下，隧道結(jié)構(gòu)的抗腐蝕耐久性也成為一個(gè)突出的問(wèn)題。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地下水對(duì)其腐蝕過(guò)程主要來(lái)自于Cl-和類鹽對(duì)鋼筋結(jié)構(gòu)與混凝土水泥基的腐蝕劣化[6-8]。目前，針對(duì)實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕劣化研究，已取得一定進(jìn)展，但混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕劣化損害，是一個(gè)相對(duì)持續(xù)的過(guò)程。實(shí)際工程中環(huán)境與水文的隨機(jī)變化，室內(nèi)模型試驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)果往往存在著誤差。鑒于此，針對(duì)侵蝕環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，在采用室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值分析等靈活、便利的方法基礎(chǔ)上，根據(jù)工程實(shí)際環(huán)境開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)檢測(cè)等工作[9-10]。

衡陽(yáng)合江套湘江隧道作為一條在建的巖溶地質(zhì)區(qū)水下隧道，工程環(huán)境復(fù)雜同時(shí)具備巖溶軟弱地質(zhì)和侵蝕性地下水的特征[11]，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限較長(zhǎng)，針對(duì)此情況，作者擬結(jié)合已有研究成果，利用有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics，對(duì)工程結(jié)構(gòu)耐久性特征進(jìn)行詳細(xì)分析，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果制定防護(hù)方案，保障其服役年限內(nèi)的正常使用，以期為相似工程中的耐久性防護(hù)工作積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

合江套湘江隧道位于湖南省衡陽(yáng)市珠暉區(qū)，地處湘江、耒水和蒸水三水匯水口位置，是全省范圍內(nèi)第二條穿越湘江的隧道。根據(jù)以往勘察工作表明：隧道所在工程區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，其下伏基巖有脈狀或薄層狀膏鹽層，其成分主要為硫酸鹽類礦物硬石膏或鈣芒硝。從水上物探勘察的結(jié)果可知：隧道施工范圍內(nèi)推測(cè)存在5 處巖溶異常，主要分布在里程Kn4+150～Kn4+360 范圍，其發(fā)育深度主要集中在2 個(gè)標(biāo)高段范圍內(nèi)，第一標(biāo)高段約為10～25 m，巖溶發(fā)育共4 處；第二標(biāo)高段約-10～5 m，巖溶發(fā)育1 處，溶洞沿隧道方向長(zhǎng)度為5～15 m，其具體分布如圖1 所示。

圖1 巖溶發(fā)育概況Fig.1 The details of the karst caves

從巖溶區(qū)的物探結(jié)果可知：合江套隧道場(chǎng)地其下伏基巖存在溶蝕空洞，部分為砂礫所充填。表明：本場(chǎng)地基巖裂隙水貫通性較好，地下水流動(dòng)活躍。同時(shí)，場(chǎng)地強(qiáng)風(fēng)化基巖直接下伏在砂土層及碎石土層之下，缺乏相對(duì)隔水層，這部分裂隙水與第四系含水層中地下水的水力聯(lián)系密切，循環(huán)通道較為暢通。

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范(GB 50021—2001)》與巖溶區(qū)分布情況，在全線選取了4 個(gè)鉆孔點(diǎn)進(jìn)行了水樣檢驗(yàn)與腐蝕性評(píng)估，考慮到合江套隧道部分結(jié)構(gòu)全部置于強(qiáng)透水層中；部分結(jié)構(gòu)一面位于強(qiáng)透水層中，一面暴露在大氣中，于是根據(jù)場(chǎng)地類型對(duì)結(jié)構(gòu)的腐蝕性分別按I 類和Ⅱ類進(jìn)行了評(píng)價(jià)。按照環(huán)境類型進(jìn)行劃分時(shí)，合江套隧道地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性為強(qiáng)腐蝕，對(duì)鋼筋結(jié)構(gòu)的腐蝕為中腐蝕。勘探結(jié)果表明：和Cl-存在于地下水中，且其含量對(duì)隧道混凝土和鋼筋結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生影響，因此，需要進(jìn)行防和Cl-侵蝕處理后再進(jìn)行隧道施工。

2 離子侵蝕電化學(xué)仿真模型研究

2.1 模型的建立

選取地下水交換更為頻繁的未充填z1 溶洞區(qū)Kn4+186 處隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，其中，隧道下方溶洞為未填充狀態(tài)，隧道及溶洞均位于地層編號(hào)為⑦1的強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖中，如圖2 所示。

圖2 Kn4+186 隧道勘探情況(單位：m)Fig.2 The detection structure of Kn4+186 (unit: m)

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，該處地層成分為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，多呈現(xiàn)為土夾碎石塊，主要參數(shù)為：天然容重22 kN/m3，天然孔隙比0.178，側(cè)壓力系數(shù)0.33，導(dǎo)溫系數(shù)2.05×103m2/h，基底摩擦系數(shù)0.4，承載力特征值350 kPa，顆粒密度2.2 g/cm3和電阻率59.46 Ω·m。

混凝土作為一種多孔材料，其內(nèi)部離子和氣體的傳輸受含水量控制，地下水及地層中的Cl-通過(guò)破壞鋼筋鈍化膜，產(chǎn)生去極化反應(yīng)而導(dǎo)致鋼筋結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕。因此，衡量Cl-傳輸效率的混凝土電解質(zhì)導(dǎo)電率與氧化反應(yīng)重要參考指標(biāo)氧氣擴(kuò)散系數(shù)可以間接衡量Cl-引起混凝土中鋼筋銹蝕快慢。

式中：Eeq,Zn為熱噴涂鋅和混凝土電極的經(jīng)驗(yàn)測(cè)量平衡電位，取決于模型設(shè)置。

在分層模型里，基礎(chǔ)層代表信息基礎(chǔ)設(shè)施，傳輸層反映以寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)為代表的信息服務(wù)水平。在表3中，其相關(guān)系數(shù)是最低的，表明現(xiàn)階段在西部地區(qū)進(jìn)一步提高信息基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)能力對(duì)提升信息服務(wù)水平的作用有限。

陽(yáng)極氧氣濃度假設(shè)與大氣中的一致：

主要電化學(xué)反應(yīng)有：

在鋼筋邊界上進(jìn)行電化學(xué)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)通過(guò)二次電流分布接口中的電極表面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，在該邊界條件上，鋼筋的外電位設(shè)為施加的電池電位-1 V。

根據(jù)法拉第定律，在鋼表面發(fā)生的氧氣還原反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氧氣通量，這種現(xiàn)象可以用稀物質(zhì)傳遞接口中的電極電解質(zhì)界面耦合節(jié)點(diǎn)來(lái)建立模型。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 模型電位分析

混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕來(lái)源于孔隙中的水與混凝土結(jié)構(gòu)的接觸反應(yīng)，孔隙初始飽和度影響氧氣、鹽離子的擴(kuò)散速度，改變電解質(zhì)電位，從而腐蝕的速率發(fā)生相應(yīng)變化。應(yīng)用COMSOL 中的分析模塊對(duì)鋼筋混凝土電解質(zhì)進(jìn)行分析，選取孔隙飽和度(pore saturation,簡(jiǎn)稱為PS)為0.8 和0.2 時(shí)的混凝土電解質(zhì)電位如圖3 所示。從圖3 中可以看出，對(duì)高飽和度水平與低飽和度水平下的電解質(zhì)電位分布，其混凝土電解質(zhì)的電位分布相似，但隨著飽和度增加，模型電位峰值略有增大，但整體的電位差減小。

圖3 電解質(zhì)電位分布Fig.3 The distribution of electrolyte potential

計(jì)算模型為保證電化學(xué)進(jìn)行，將工作電極設(shè)置于隧道模型面處。不同飽和度變化下，鋼筋-混凝土界面在不同位置的工作電極電位(電極電位與電解質(zhì)電位之差)變化情況如圖4 所示。隨著模型飽和度的變化，各測(cè)點(diǎn)處的工作電極電位整體下降，高飽和度時(shí)電位差更大，侵蝕更快，當(dāng)飽和度從0.4 變化至0.5 這一階段，電極電位下降最為明顯。各測(cè)試點(diǎn)的電位差因飽和度變化呈現(xiàn)相同的電位變化趨勢(shì)，相距巖溶區(qū)較近的點(diǎn)7 與點(diǎn)8 電位變化更明顯，侵蝕的程度會(huì)更高。

圖4 鋼筋-混凝土界面在不同位置點(diǎn)的工作電極電位Fig.4 The working electrode potential of different positions at the reinforced-concrete interface

2.2.2 氧氣濃度

氧氣濃度是另一個(gè)影響腐蝕速率的重要因素，氧氣濃度越大，電化學(xué)反應(yīng)越容易進(jìn)行，反應(yīng)速率越快。而氧氣在混凝土中的擴(kuò)散速度會(huì)隨著孔隙飽和度的變化而發(fā)生變化。比較孔隙飽和度為0.8 和0.2 的氧氣濃度如圖5 所示。鋼筋混凝土界面處的局部氧氣濃度隨孔隙水飽和度的變化特征如圖6 所示。

從圖5 中可以看出，在高飽和度與低飽和度條件下，對(duì)于模型整體的氧氣濃度分布沒(méi)有明顯差異。但從圖6 中可以看出，孔隙飽和度與界面處的氧氣濃度在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。其原因是：孔隙飽和度增加時(shí)，氧氣擴(kuò)散速率會(huì)下降，當(dāng)PS≥0.45 時(shí)，氧氣濃度趨于穩(wěn)定。

圖5 氧氣濃度分布Fig.5 The distribution of oxygen concentration

圖6 鋼筋混凝土界面處的局部氧氣濃度Fig.6 The distribution of oxygen concentration at the reinforced-concrete interface

2.2.3 反應(yīng)電流密度

在侵蝕過(guò)程中，孔隙飽和度的變化同樣會(huì)導(dǎo)致鋼筋-混凝土界面處的化學(xué)反應(yīng)和電流密度發(fā)生變化，其對(duì)鐵氧化的電流密度的影響如圖7 所示。

圖7 鋼筋混凝土界面處的局部鐵腐蝕電流密度Fig.7 The current density of iron corrosion at the reinforced-concrete interface

從圖7 中可以看出，鐵氧化電流密度在一定范圍內(nèi)與孔隙飽和度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)變化，與氧氣濃度的變化趨勢(shì)一致，而高飽和度時(shí)由于缺乏氧氣反應(yīng)，反而其氧化電流在處于較低水平時(shí)，鋼筋得到較好的保護(hù)，腐蝕現(xiàn)象較難出現(xiàn)。所以隨著模型飽和度變化，模型的腐蝕情況也有所改變，在高飽和度的情況下，鋼筋得到較好保護(hù)，但其較高的工作電極可能導(dǎo)致混凝土中水泥基與硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)，而若飽和度有所下降，則鋼筋也可能與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生銹蝕。模型的計(jì)算表明：合江套隧道管片結(jié)構(gòu)存在著腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要對(duì)隧道管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性防護(hù)，提高其抗腐蝕性能。

3 耐久性防護(hù)措施

3.1 管片防腐措施

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鹽類侵蝕是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，硫酸鹽或氯鹽通過(guò)地下水與混凝土結(jié)構(gòu)接觸，分別與混凝土內(nèi)的水泥基和鋼筋發(fā)生反應(yīng)，以結(jié)晶和銹脹的形式促使混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，而合江套隧道地下水系含鹽較為豐富，其腐蝕損害機(jī)制更加復(fù)雜，最佳的防護(hù)措施在于嚴(yán)格做好管片防護(hù)工作，隔絕管片與地下水的接觸，為此，采取的防腐措施為：

1) 做好接縫處外止水施工，降低漏水概率。

2) 在施工及后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)接縫漏水，可考慮及時(shí)注漿堵水，切斷漏水通道，避免形成化學(xué)腐蝕條件。

3) 根據(jù)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范，在管片接縫及其周邊噴涂硅烷浸漬保證其防腐蝕性。加強(qiáng)防腐蝕處理，即在管片外側(cè)、接縫處及內(nèi)側(cè)100 mm 范圍內(nèi)涂刷防腐蝕涂料涂層(如圖8 所示)，涂料的選擇應(yīng)遵循滿足結(jié)構(gòu)防腐及節(jié)約的原則。

管片內(nèi)弧面和外弧面采用俯噴法進(jìn)行噴涂，端側(cè)面采用站噴法進(jìn)行噴涂，噴涂量為400～450 g/m2。

圖8 硅烷浸漬涂層(單位：mm)Fig.8 The silane coating (unit: mm)

硅烷主要指的是異丁基三乙氧基硅烷(液體狀態(tài))和異辛基三乙氧基硅烷(固體狀態(tài))，吸水率低、Cl-滲透率低、抗碳化能力強(qiáng)。因其具較高的防水性能，所以硅烷浸漬在阻斷水分進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)中的同時(shí)也可以將地下水中會(huì)讓混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的和鋼筋銹蝕的Cl-等有害因素阻擋在混凝土外部，有效提高隧道的使用壽命。

3.2 防水橡膠密封圈防腐措施

在侵蝕的長(zhǎng)期作用下，盾構(gòu)隧道的防水會(huì)發(fā)生老化，老化后的防水橡膠會(huì)出現(xiàn)裂縫、粉化、發(fā)黏、翹曲外部變化以及強(qiáng)度降低、抗疲勞性能下降、應(yīng)力松弛等內(nèi)部變化。

地下水的入侵會(huì)造成橡膠中的水溶性物質(zhì)和親水基團(tuán)等成分被水抽提溶解，水中具有侵蝕性的離子與橡膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，更會(huì)加速接頭材料損傷。因此，在具有侵蝕性的地下水作用時(shí)，管片防水橡膠應(yīng)滿足2 個(gè)要求：

1) 具有良好的彈性。盾構(gòu)施工過(guò)程中，在推進(jìn)油缸的反復(fù)推力作用下與管片產(chǎn)生變形時(shí)，其防水性能依舊較高。

一般防水橡膠進(jìn)行防腐時(shí)主要是利用密封墊的接觸壓力進(jìn)行防水，防水的同時(shí)地下水中具有侵蝕性的Cl-和的腐蝕作用。目前，常用的防水橡膠主要有：遇水膨脹橡膠、三元乙丙橡膠。遇水膨脹橡膠利用原材料中的高吸水樹(shù)脂、天然膠等遇水發(fā)生膨脹進(jìn)行防水止水，這種橡膠整體性好，但當(dāng)沒(méi)有涂緩膨劑時(shí)，這種橡膠遇水發(fā)生的膨脹會(huì)使得密封墊不能夠完全的裝入溝槽內(nèi)；而三元乙丙橡膠利用橡膠的壓縮彈性進(jìn)行防水的，耐水解，是目前工程中較常用的防水橡膠。合江套湘江隧道中由于地下水中侵蝕物質(zhì)的影響，在選擇防水橡膠密封圈時(shí)應(yīng)該充分考慮復(fù)雜的環(huán)境條件。因此，可以將這2 種方法相結(jié)合，利用三元乙丙橡膠的回彈力進(jìn)行初步止水和遇水膨脹橡膠增強(qiáng)防水效果，滿足后期管片產(chǎn)生變形后更高防水和防腐的要求，整體的防水結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 防水橡膠密封圈Fig.9 The waterproof rubber sealing ring

4 效果分析

4.1 隧道管片防腐效果

通過(guò)選取36 個(gè)×2 組直徑為50 mm，深度為45 mm±5 mm 圓柱形芯樣進(jìn)行硅烷浸漬吸水率和氯化物吸收量降低效果進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果得出管片混凝土結(jié)構(gòu)吸水率降低率為85%，硅烷浸漬有效提高了混凝土的防水性能，從而可以有效防止由水分侵入所攜帶的Cl-和及少量等有害物質(zhì)對(duì)管片結(jié)構(gòu)的侵蝕；管片結(jié)構(gòu)中氯離子擴(kuò)散系數(shù)與電通量均有所降低到30%左右，表明硅烷浸漬能夠有效提高隧道管片結(jié)構(gòu)的抗Cl-滲透性，采用這種措施能夠在一定程度上降低了混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋發(fā)生銹蝕的危險(xiǎn)性。

影響混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的因子有：混凝土保護(hù)層厚度、氯離子在混凝土表面的初始含量、混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子的擴(kuò)散系數(shù)及硅烷浸漬的浸漬深度，本工程采用的管片防腐方法能夠降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)和混凝土表面氯離子濃度，且防水性能高。因此，能夠起到防止管片腐蝕的作用，提高混凝土結(jié)構(gòu)壽命。

4.2 防水橡膠密封圈防腐效果

合江套隧道在管片拼裝時(shí)，采用2 種橡膠進(jìn)行有效結(jié)合，利用三元乙丙橡膠的回彈力進(jìn)行初步止水和遇水膨脹橡膠增強(qiáng)防水效果，能夠滿足后期管片產(chǎn)生變形后更高防水、防腐的要求，從而使得防水橡膠密封圈的防腐效果更佳。

5 結(jié)論

1) 通過(guò)多物理場(chǎng)耦合計(jì)算軟件 COMSOL Multiphysics 建立模型計(jì)算，在高孔隙飽和度為0.8和低孔隙飽和度為0.2 的條件下，模型的電解質(zhì)電位與氧氣濃度分布一致，模型的孔隙飽和度與電極電位呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，而飽和度在一定范圍內(nèi)與氧氣濃度和氧化電流呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，模型中隧道結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)的電化學(xué)參數(shù)存在一致的變化趨勢(shì)，其變化的敏感程度和測(cè)點(diǎn)與陽(yáng)極的距離負(fù)相關(guān)。

2) 從模型計(jì)算結(jié)果來(lái)看，不同飽和度條件下，隧道發(fā)生的腐蝕類型有所區(qū)別。當(dāng)在高孔隙飽和度條件下，管片中的鋼筋較難發(fā)生腐蝕，僅可能管片混凝土與硫酸鹽產(chǎn)生腐蝕；當(dāng)飽和度有所降低時(shí)，管片中鋼筋也可能產(chǎn)生腐蝕，因此，合江套隧道管片面臨腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

3) 結(jié)合合江套隧道的實(shí)際，設(shè)計(jì)了管片硅烷噴涂與拼裝時(shí)防水橡膠雙重密封的防水措施，經(jīng)檢測(cè)分析可知該方案能使管片獲得較好的防水效果，提高合江套隧道管片結(jié)構(gòu)的耐久性。