考慮耐久性的隧道工程設計關鍵點

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摘要：我國隧道工程所處的地質地形條件和水文環(huán)境一般較為復雜，用于建設隧道結構的材料性能也會出現劣化，從而降低隧道工程的耐久性。目前隧道結構在設計時并未考慮其耐久性能否滿足要求，與實際情況不符。因此，本文從圍巖的加固與初期支護、防排水系統(tǒng)、環(huán)境作用三個方面對隧道工程的耐久性的設計關鍵點進行了探討，以期對類似隧道工程的建設提供科學的理論指導。

關鍵詞：隧道工程；耐久性；襯砌結構；工程設計

1圍巖的加固與初期支護

錨桿隧道圍巖進行加固能起到防水和承重的作用，從而減少襯砌結構層的承重和防水壓力［2］。初期支護結構能夠與圍巖之間相互協調，最大限度地釋放圍巖的自承能力，這是整個隧道工程質量的最關鍵影響因素之一。

1．1注漿材料

隧道圍巖加固的注漿材料實現其耐久性的設計關鍵點主要在兩個方面：第一，應當按照隧道結構所處地質地形條件和水文環(huán)境來選擇適當的注漿材料；第二，應當充分考慮到注漿材料中水泥的抗腐蝕能力。用于隧道圍巖加固的注漿材料包括三大種類：水泥漿液類、水泥化學漿液類、化學漿液類。當隧道結構所處的地下環(huán)境含水量較小且無腐蝕性，水泥漿液類可滿足隧道耐久性要求；當隧道結構所處的地層位于斷層破碎帶時，則該地段的地下水含量較大，應當選取水泥化學漿液類。當隧道結構處于腐蝕性地下水的環(huán)境中，應當選用高爐礦渣水泥等耐久性好的特殊水泥材料。

1．2錨桿

隨著隧道運營時間的不斷增加，如果隧道圍巖中存在裂縫，地下水就會沿著裂縫處滲漏，對錨桿鋼材產生腐蝕作用，降低錨桿的抗拉強度，從而對隧道結構的耐久性產生不利影響。隧道工程用來加固圍巖的錨桿實現其耐久性的設計關鍵點主要在三個方面：第一，應當根據隧道結構的圍巖條件、錨桿允許布置角度來選擇合適的錨桿類型；第二，錨桿與隧道圍巖之間所使用的黏結材料應根據其所處的地下水環(huán)境的腐蝕作用大小來確定；第三，當隧道結構所處的地下水環(huán)境的腐蝕作用比較劇烈，必須采取一定的措施來提高錨桿桿體的抗腐蝕性能。國內的隧道設計中的錨桿類型大多是全長黏結錨桿。當隧道結構所處的巖土層傾角較小時，全長黏結型錨桿與圍巖之間可以視為組合梁，此時錨桿能夠改善隧道整體結構受力，使圍巖的穩(wěn)定性得到很大程度的提高；當隧道結構位于圍巖較好的地段，如果錨桿桿體的布置角度較小，可以選擇砂漿錨桿或藥卷錨桿；當隧道結構位于腐蝕性較強的地下水環(huán)境中，應當在全長黏結型錨桿的表面進行防腐蝕處理。

1．3網構格柵鋼架＋噴射混凝土

隧道工程中網構格柵鋼架＋噴射混凝土圍巖支護實現其耐久性的設計關鍵點主要在三個方面：第一，隧道圍巖的初期支護進行混凝土噴射時，材料應滿足混凝土的耐久性要求；第二，隧道圍巖噴射混凝土時應當選擇濕噴工藝；第三，網構格柵鋼架的格柵內側和格柵外側留設的保護層厚度應當滿足相關規(guī)范及標準的要求.隧道圍巖初期支護時噴射混凝土使用的水泥應當符合耐久性要求；進行混凝土噴射時采用濕噴方法不僅可以控制水泥用量、水灰比、速凝劑摻量等，還能夠減少混凝土收縮開裂現象；隧道結構在設計時一般應在格柵內側和外側分別設置2cm、4cm的保護層；此外，可以通過增加保護層的留設厚度來能減少地下水對全長黏結錨桿鋼筋的銹蝕作用，從而改善錨桿的耐久性能［3］。

2防排水系統(tǒng)

隧道結構要實現耐久性所涉及的防排水系統(tǒng)主要包括圍巖注漿堵水、初期支護防水、環(huán)向盲溝排水、防水層防水、縱向排水盲溝、路面邊溝排水、中心排水溝、二次襯砌防水、變形縫和施工縫防水等。隧道工程的防排水系統(tǒng)實現其耐久性的設計關鍵點主要在三個方面：第一，隧道工程必須布置完善的防水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)，從而保證隧道結構能夠有效地防水，同時使隧道內排水更加順暢。第二，用于修筑路面邊溝和中心排水溝的混凝土耐久性能應當與修筑主體結構的混凝土耐久性能保持一致；第三，變形縫和施工縫的防水措施較為關鍵，不僅要滿足防水需求，還要保證止水帶等材料的力學性能能滿足耐久性要求。

2．1防水層

隧道結構的防水層設計關鍵點主要在于如何選擇合適的材料。隧道防水層的防水材料必須具有抗?jié)B性能好、抗腐蝕性強及耐久性好等優(yōu)點。與此同時，防水材料還應當有較大的柔性和延伸率以及較大的抗拉強度、抗剪強度。防水層在施工作業(yè)時可以選擇無釘鋪設、搭接或焊接等施工工藝來加強防水層的薄弱環(huán)節(jié)，從而提高防水層的防排水能力。

2．2路面邊溝或中心排水溝

當隧道工程處于含水量較大的地段，設計時往往采用中心水溝或隧道兩側暗埋邊溝來排除隧道內的積水。當隧道工程所處的地下水環(huán)境有腐蝕性，邊溝或排水溝的耐久性也必須滿足耐久性要求，建議邊溝或排水溝采用塑料材料來提高其耐久性。

2．3變形縫和施工縫

隧道結構在施工過程中不可避免地會出現變形縫和施工縫，這些部位容易出現地下水滲漏現象，是隧道工程防排水應當重點關注的因素之一。變形縫和施工縫的防水一方面應當確定合適的防水方式，另一方面要控制止水帶、止水條等在襯砌環(huán)間發(fā)生錯動時的力學性能。

3環(huán)境作用對襯砌結構的影響

根據隧道工程因素所處的環(huán)境主要有四種［4］：一般環(huán)境、凍融環(huán)境、氯化物環(huán)境、化學環(huán)境，后三種環(huán)境均具有較大的腐蝕作用。隧道結構所處環(huán)境中的氣體、水以及各種有害元素會通過混凝土的表面遷移進入混凝土的內部，從而對隧道工程的襯砌結構產生劇烈的腐蝕作用。出現腐蝕作用的各種環(huán)境均和地下水密切相關，比如錨桿鋼筋的銹蝕和混凝土凍蝕要地下水的直接參與；地下水對氯化物腐蝕和化學腐蝕產生“搬運”作用，從而使得有害物質產生遷移。隧道所處的環(huán)境中如果沒有地下水的作用，即使含有有害元素，也只能在襯砌結構混凝土的表面出現腐蝕。故隧道工程在進行耐久性設計時應當充分考慮地下水對隧道襯砌結構產生的腐蝕作用。下文將分別介紹一般環(huán)境和腐蝕環(huán)境對隧道襯砌結構產生的不利影響。

3．1一般環(huán)境

當隧道工程處于一般環(huán)境條件下，環(huán)境作用對襯砌混凝土的影響包括混凝土的碳化作用、混凝土在地下水的作用下出現的溶出性侵蝕等。隧道結構的初期支護的噴射混凝土受到大氣的影響較小，考慮混凝土的碳化作用時沒有意義的。與此同時，隧道工程初期支護的鋼架、錨桿等構件也不易發(fā)生銹蝕。如果隧道結構的防水設計是采用防排水結合的設計理念，則應當控制混凝土的溶出性侵蝕。隧道工程的二次襯砌結構，不僅要考慮混凝土的碳化作用，還要考慮混凝土的溶出性侵蝕。由上可知，在一般環(huán)境條件下，隧道結構所受到的影響較小，在進行隧道工程設計時，一方面可通過提高混凝土的抗腐蝕性能，另一方面可通過加大保護層厚度等辦法來減小環(huán)境的不利影響。一般環(huán)境條件下隧道結構設計的關鍵點包括兩個方面：第一，隧道結構選擇初期支護和二次襯砌支護一起來分擔圍巖的荷載；第二，初期支護在進行設計時應當選擇地層結構法，二次襯砌支護在進行設計時應當選擇荷載結構法。

3．2腐蝕環(huán)境

當隧道工程處于凍融循環(huán)或者含有氯化物等有害元素的環(huán)境中，必然會受到腐蝕作用。腐蝕環(huán)境條件下隧道工程設計的關鍵包括兩個方面：第一，隧道工程的初期襯砌結構的耐久性一般不能滿足設計要求，可將其作為臨時結構來進行設計。同時，隧道工程的二次襯砌結構是用來承受各種荷載作用的影響，應當將其作為永久結構來進行設計；第二，初期襯砌結構在進行設計時應當選擇地層結構法，二次襯砌支護在進行設計時應當選擇荷載結構法。此外，Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖地段的地下水串流到Ⅰ級圍巖、II級圍巖和Ⅲ級圍巖地段的可能性較大，因此，在設計受地下水影響的Ⅰ～Ⅲ級圍巖地段的隧道結構時一般使用Ⅳ～Ⅴ級圍巖地段隧道設計方法。

4結束語

本文對考慮耐久性的隧道工程設計關鍵點展開了詳細的分析，主要得到了以下結論：第一，應當根據隧道工程所處的質條件和水文條件來選擇適當圍巖加固和支護材料；第二，用于修筑路面邊溝和中心排水溝的混凝土耐久性能應當與修筑主體結構的混凝土耐耐久性保持一致；第三，隧道結構的初期支護一般作為臨時施工結構進行設計，在進行設計時選擇地層結構法。二次襯砌應當按照永久結構進行設計，在進行設計時選擇荷載結構法。

〔參考文獻〕

［1］劉強，黃綿松，金峰．臨海隧道混凝土結構耐久性和使用壽命研究［J］．北京交通大學學報，2018，42（6）：1－8．

［2］穆松，李化建，王育江，等．鐵路混凝土耐久性理論與提升方法［J］．鐵道建筑，2018，58（11）：20－25．

［3］巴明芳，薛濤，黃國陽，等．公路隧道低水膠比襯砌混凝土碳化耐久性預測與分析［J］．公路交通科技，2018，35（9）：56－62．

［4］王家濱，牛荻濤，張永利．噴射混凝土力學性能、滲透性及耐久性試驗研究［J］．土木工程學報，2016，49（5）：96－109．

作者：劉毅 單位：中設設計集團股份有限公司