地鐵結(jié)構(gòu)耐久性研究

王影沖

摘要：中國(guó)地鐵建設(shè)飛速發(fā)展，地鐵與其他建筑相比，所處的位置、使用功能具有差異性，而其耐久性的研究也有著重要的意義。地鐵結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境中二氧化碳的濃度較高、地下水和有害離子也較多，這些因素均影響地鐵的使用壽命。因此，地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性分析對(duì)保證其在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)滿足功能要求具有重要意義，可以指導(dǎo)地鐵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工。

關(guān)鍵詞：地鐵；耐久性；分析

引言

地鐵屬于城市快速軌道交通系統(tǒng)，由于以其不受氣候條件的影響和安全快捷的運(yùn)輸特點(diǎn)，成為城市公共客運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)中的骨干。目前，我國(guó)北京、上海、天津、廣州、深圳、臺(tái)北、香港、南京、武漢等城市的地鐵均已實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀多線路運(yùn)營(yíng)。大量地鐵工程的建設(shè)，不僅解決了大城市公共交通運(yùn)輸問(wèn)題，更成為國(guó)家經(jīng)濟(jì)繁榮和社會(huì)進(jìn)步的顯著標(biāo)志之一。

地鐵工程是不可逆的工程，一次性投資巨大，且常常穿越城市中心區(qū)域，其耐久性要求相對(duì)于其他土建工程更高。但近年來(lái)，已建地鐵在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)不少問(wèn)題：如上海打浦路隧道因滲流嚴(yán)重而曾封閉大修；北京地鐵投入運(yùn)營(yíng)幾年后就出現(xiàn)隧道內(nèi)部水管腐蝕穿孔；香港因地鐵雜散電流引起煤氣管道的腐蝕穿孔而造成煤氣泄漏的事故。這些工程事例表明在環(huán)境的長(zhǎng)期作用下，地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性存在問(wèn)題，而對(duì)地鐵維護(hù)、修理、改建以提高其耐久性往往代價(jià)巨大，既浪費(fèi)了大量資金，又影響地鐵的正常使用，同時(shí)縮短了其維護(hù)周期和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)威脅地鐵行車的安全。因此，地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題是一個(gè)十分重要也是迫切需要解決的問(wèn)題。

1影響地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的因素分析

由于地鐵混凝土結(jié)構(gòu)埋置于地下的巖土體中，因此耐久性的影響因素相對(duì)于地面因素來(lái)說(shuō)更加的復(fù)雜。在具體分析地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性時(shí)應(yīng)該注意以下幾方面的影響：（1）地鐵結(jié)構(gòu)與水接觸，這樣會(huì)影響地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性。（2）巖土物質(zhì)具有的不均質(zhì)性以及流變性將會(huì)影響地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性。（3）地下復(fù)雜的工作條件給施工帶來(lái)較大的困難，勢(shì)必會(huì)在一定程度上影響地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)效果。下面對(duì)影響地鐵有關(guān)結(jié)構(gòu)耐久性的因素加以詳細(xì)的介紹。

1.1 化學(xué)作用對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)引起的侵蝕破壞

化學(xué)作用引起的破壞主要體現(xiàn)在一些離子的侵蝕作用，例如Cl-、SO42-、Mg2+等離子的侵蝕破壞，這些離子對(duì)鋼筋混凝土的破壞作用比較明顯，因此化學(xué)腐蝕會(huì)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。當(dāng)前許多地下工程的鋼筋混凝土存在嚴(yán)重碳化的現(xiàn)象，出現(xiàn)了大面積的裂縫和鋼筋生銹等破壞現(xiàn)象，這些破壞對(duì)于地鐵的正常運(yùn)行成很大的阻礙，嚴(yán)重影響地鐵的安全性，最終不得不花費(fèi)大量的人力物力來(lái)進(jìn)行維護(hù)和加固，保證地鐵的行車安全。

1.2 運(yùn)行中電流對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的影響

當(dāng)前一般的地鐵列車采用的是直流電力牽引，當(dāng)?shù)罔F運(yùn)行的過(guò)程中由于受各種因素的影響，會(huì)不可避免的出現(xiàn)泄漏電流的現(xiàn)象。這些電流將會(huì)對(duì)主體結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕作用，這樣將會(huì)大大降低金屬管線的使用壽命，同時(shí)降低地鐵主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成交通事故。

1.3 地質(zhì)沉降引起的結(jié)構(gòu)破壞

由于不同地層的流變性和堅(jiān)固性存在差異，同時(shí)地鐵隧道周圍環(huán)境土層存在不均勻的現(xiàn)象；因此在地鐵隧道建成以后，由于部分地段的土質(zhì)差異較大，這將會(huì)造成各部位隧道結(jié)構(gòu)呈不均勻的沉降。最終造成各階段處產(chǎn)生裂縫的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響地鐵的運(yùn)行安全。

2 提高地鐵耐久性的具體措施和方法

影響地鐵結(jié)構(gòu)耐受性因素眾多，提高地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性是一個(gè)長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程。要想提高地鐵相關(guān)結(jié)構(gòu)的耐久性能，應(yīng)該從多個(gè)方面考慮，針對(duì)各種影響因素進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)措施。

2.1 混凝土的防護(hù)

在施工的過(guò)程中，混凝土中存在著大量的孔隙，為侵蝕介質(zhì)提供了滲透的通道。因此要想增強(qiáng)有關(guān)結(jié)構(gòu)的耐久性，必須改善混凝土的抗?jié)B和抗裂的性能，不給任何物質(zhì)提供滲透的通道，延長(zhǎng)有關(guān)部件的使用壽命。根據(jù)現(xiàn)代混凝土的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些新型的混凝土，這些混凝土具有很強(qiáng)的使用效果。（1）具有高效能的混凝土，采用高效能的混凝土取代傳統(tǒng)的水泥，制成的混凝土具有高強(qiáng)度、低收縮和高抗?jié)B的優(yōu)點(diǎn)。（2）采用鋼纖維混凝土，主要做法是將鋼纖維摻入混凝土中，顯著提高其抗彎的性能，增加韌性，最終實(shí)現(xiàn)其良好的可塑性。另外，將侵蝕介質(zhì)與混凝土隔離開來(lái)，在混凝土的表面涂刷保護(hù)膜，可以很好的降低侵蝕介質(zhì)擴(kuò)散率，同時(shí)可以增加混凝土表面的保水性。阻止水分的蒸發(fā)，切斷混凝土毛細(xì)水通路延緩碳化進(jìn)程。

2.2 防止鋼筋等材料氧化生銹

在施工的過(guò)程中，鋼筋如果得不到有效保護(hù)，往往會(huì)容易生銹。特別的是在環(huán)境十分惡劣的條件下，鋼筋更容易生銹，因此要時(shí)刻注意對(duì)鋼筋等材料的保護(hù)。主要的保護(hù)措施有：利用鋼筋阻銹劑防止鋼筋生銹；利用陰極保護(hù)技術(shù)防止鋼筋生銹；利用鍍層鋼筋或者是涂層鋼筋。鋼筋得到有效的保護(hù)可以增強(qiáng)地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.3 制定詳細(xì)的規(guī)章制度

在使用階段，應(yīng)制定合理的管理制度以及辦法，消除或盡量減少各種可能存在影響地鐵耐久性的潛在威脅，并加強(qiáng)安全性與耐久性的檢測(cè)；對(duì)某些具體的指標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，時(shí)刻掌握工程使用狀態(tài)信息，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，可以及時(shí)解決問(wèn)題。當(dāng)前，地鐵隧道結(jié)構(gòu)材料的防腐和防老化，可以采取混凝土表面涂層，結(jié)構(gòu)件的陰極保護(hù)等措施。

3 地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

結(jié)構(gòu)的耐久性是一項(xiàng)綜合性能，但是對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，提高耐久性的措施有一個(gè)共同之處。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要從材料選擇、構(gòu)造措施和施工措施這三方面考慮。

3.1 地鐵材料的選擇

施工中應(yīng)減小大體積混凝土澆筑時(shí)產(chǎn)生的水化熱，以降低溫度應(yīng)力對(duì)車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的危害，同時(shí)車站結(jié)構(gòu)的頂板、底板、側(cè)墻的混凝土應(yīng)具有良好的自防水性能。因此，在地鐵結(jié)構(gòu)中的水泥材料應(yīng)該選擇堿性含量小，耐熱性等性能良好的水泥?；炷良系倪x擇也應(yīng)該考慮堿活性，進(jìn)行合理的級(jí)配，改善混凝土的堿性，提高混凝土的密實(shí)度。

在進(jìn)行地鐵設(shè)計(jì)時(shí)，要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的勘察，由于地質(zhì)條件的差異，土壤中存在各種各樣侵蝕物質(zhì)，因此采用高性能的混凝土也是提高結(jié)構(gòu)耐久性的一種有效的方法。一般都是采用高性能的優(yōu)質(zhì)水泥，優(yōu)質(zhì)的摻合料和高效減水劑，并利用高效減水劑盡量降低混凝土的水膠比。

3.2 構(gòu)造措施和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合地鐵結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)，改善地鐵結(jié)構(gòu)耐久性的構(gòu)造措施主要有：地鐵的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)該盡量保持構(gòu)建截面均勻，避免截面出現(xiàn)棱角，從而減小混凝土產(chǎn)生收縮力，防止裂縫現(xiàn)象的出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)按其使用環(huán)境確定相應(yīng)的混凝土保護(hù)層厚度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該著重考慮混凝土的裂縫寬度，預(yù)防外界物質(zhì)滲入內(nèi)部腐蝕鋼筋。在進(jìn)行地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該考慮構(gòu)件局部損壞后的整體耐受能力，還要注意局部的防水設(shè)計(jì)，防止水進(jìn)入到內(nèi)部對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損害，影響地鐵的使用壽命。

3.3 施工過(guò)程中措施

在施工的過(guò)程中應(yīng)該有效的釋放水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，防止因?yàn)闇囟鹊淖兓鸾Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，從而導(dǎo)致鋼筋出現(xiàn)上銹的現(xiàn)象。暴露在混凝土外的金屬部件要進(jìn)行有效的保護(hù)，防止出現(xiàn)氧化生銹的現(xiàn)象。在潮濕的環(huán)境中更要采取合理的防腐措施，保證部件的安全性，防止氧化。施工中應(yīng)嚴(yán)格遵守混凝土養(yǎng)護(hù)制度和施工環(huán)境要求等，為地鐵結(jié)構(gòu)具有良好的耐久性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

結(jié)束語(yǔ)

影響地鐵地下工程耐久性的因素很多，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該借鑒國(guó)內(nèi)外的成功經(jīng)驗(yàn)與做法，充分考慮到現(xiàn)階段的施工管理水平和材料工藝水平，設(shè)置適當(dāng)?shù)陌踩群透辉６?，運(yùn)用科學(xué)合理的管理和設(shè)計(jì)辦法，最終提高地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性。

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