基于全壽命劣化分析的海底盾構隧道管片安全保障對策研究

劉四進，何川，孫齊，封坤

（西南交通大學土木工程學院 交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031）

一、前言

隧道襯砌結構耐久性是與時間相關的，是由襯砌結構外界環境（如水土荷載、地質條件、腐蝕類型等）和本身因素（接縫、裂縫、滲漏和孔隙結構等）共同作用下所達到的使工程結構正常使用的年限。區別于一般的城市市政隧道和山嶺隧道，海底盾構隧道最大的不同在于其長期賦存于高壓力的海水環境中，在承受高濃度氯離子侵蝕的同時，還長期承受隧道外圍壓力的影響，兩者的耦合促進作用使得海底隧道服役環境更為惡劣，加之盾構隧道管片襯砌自帶的接頭薄弱環節，對海底盾構隧道的耐久性、結構遠期安全性能帶來巨大的挑戰。

國內外學者針對海域環境中隧道結構的耐久性進行了大量的研究[1～5]，但是，這些研究主要集中于對襯砌結構力學性能及腐蝕劣化特征的評價方面，并未考慮隧道服役時間因素的影響，難以實現全壽命周期內隧道結構的定量評價與壽命預測。鑒于此，筆者以海底盾構隧道結構的薄弱環節——管片接頭為切入點，在分析既有管片接頭侵蝕劣化研究成果的基礎上，引入隧道服役時間因素，建立可實現海水壓力滲透與氯離子侵蝕的管片接頭全壽命侵蝕劣化分析模型，分析了全壽命周期（100年）內海底隧道管片接頭漸進式侵蝕劣化的規律，研究海水壓力與氯離子含量對管片接頭侵蝕劣化的影響，探討了壓力滲透對管片外排鋼筋銹蝕時間的影響，并基于全壽命侵蝕劣化分析，提出保障海底盾構隧道管片襯砌結構長期安全的最經濟、最合理的對策。

二、典型的管片接頭侵蝕劣化研究

目前，國內外學者對氯離子侵蝕管片接頭的研究較少，工藤泉[6]以東京灣越灣公路盾構隧道為背景進行了盾構隧道接頭耐久性防腐實驗，以探明螺栓表面處理后的耐腐蝕性能。試驗中設置了三種螺栓：①普通螺栓；②普通鋼螺栓施加鋅粉酪酸保護膜；③普通鋼螺栓施加氟化乙烯樹脂涂層。并對以上三種螺栓進行了90天的鹽水噴霧試驗，結果發現②、③兩種螺栓未發生材質變化、具有耐腐蝕性，根據試驗腐蝕量計算得到②、③兩種螺栓在不同環境下的耐腐蝕暴露時間（見表1），相當于在重工業地區具有30～50年的防腐蝕能力。

楊林德等[7]通過理論分析，在Matlab環境下編程分析管片開裂和接縫滲漏對管片混凝土內氯離子侵蝕運移的影響，通過多參數分析和數據擬合得到了鋼筋起銹時間與保護層厚度、裂縫深度的關系，得出了管片開裂和接頭滲漏對管片鋼筋銹蝕的加速促進作用。

王永東[8]將海底隧道全壽命氯離子侵蝕周期劃分為三個階段：氯離子擴散階段、鋼筋銹蝕階段（自由膨脹、膨脹應力產生、混凝土開裂）及保護層開裂階段；進一步分析了海底隧道的耐久性，推導得到了海底隧道耐久性壽命預測模型，并與DuraCrete模型進行了比較，所得結果見表2。結果顯示：預測模型結果與DuraCrete模型相近，為今后海底隧道壽命預測及可靠度分析提供了參考。

分析上述研究可以發現，現有成果均未考慮海底隧道所處環境中海水壓力滲透作用的影響（見圖1）。海水作為腐蝕離子侵蝕運移的載體，使得全壽命周期內管片混凝土處于壓力水頭作用下的緩慢滲流狀態，管片混凝土從外至內漸進性地從“非飽和狀態”向“飽和狀態”演變（時間效應）；此外，管片接頭的接縫面處于雙向滲透侵蝕狀態，為海底隧道結構的薄弱環節及優先劣化位置，其全壽命周期內的侵蝕劣化性能對整個海底盾構隧道襯砌結構的長期安全性能評價、維修養護及長期安全性能影響顯著。為此，筆者擬引入服役時間因素，建立可考慮海水壓力滲透與侵蝕環境影響的管片接頭全壽命侵蝕劣化分析模型，分析其全壽命劣化性能。

表1 不同環境下螺栓的耐腐蝕暴露時間

表2 DuraCrete模型與預測模型的結果比較

圖1 海底盾構隧道管片結構的工作環境示意圖

三、管片接頭全壽命侵蝕劣化模型

本節以海底盾構隧道結構的薄弱環節——管片接頭為重點研究對象，采用GeoStudio有限元軟件，建立管片接頭全壽命周期內氯離子侵蝕劣化的數值分析模型，如圖2所示。

數值分析模型采用“以直代曲”方式，采用直梁管片構件模擬，重點分析管片接頭的接縫面位置對兩側管片A、管片B的氯離子侵蝕及鋼筋銹蝕的影響。計算分析過程中，首先采用瞬態滲流的模式，計算分析不同水壓作用下、全壽命周期內管片接頭鄰近區域的滲流演變規律；而后采用對流–彌散分析方法，重點分析不同水壓、不同外界離子濃度作用下，全壽命周期內管片接頭鄰近區域的侵蝕劣化規律。

模型材料采用均勻、連續、各向同性材料，其中防水橡膠與傳力襯墊均為不透水材料。根據抗滲等級與滲透指標的關系[9,10]，管片混凝土（抗滲等級為P12）的滲透系數k及體積含水率w取值分別為1.11456×10–6m/d、0.001，體積壓縮系數為1.0×10–6kPa，橫向和縱向彌散度均為0.04，氯離子擴散系數取值為4.8×10–12m2/s。

四、管片接頭全壽命侵蝕劣化分析

（一）管片內部海水滲透規律

全壽命周期內，管片混凝土從外至內漸進性地從“非飽和狀態”向“飽和狀態”演變，處于緩慢滲流狀態，計算得到管片混凝土內海水滲透深度隨時間的變化關系如圖3所示。由圖3可以發現，隨著海底隧道管片襯砌結構服役時間的延長，海水在管片混凝土內部的滲透深度不斷增大，且在同等條件下，襯砌斷面所受外水壓越大，海水對管片的滲透侵蝕越嚴重。

圖2 管片接頭全壽命周期內的侵蝕劣化分析模型

圖3 不同水壓力下海水滲透深度隨時間的變化關系

（二）離子含量變化規律

根據盾構隧道的結構特點，接縫面位置處于雙向侵蝕滲透狀態，其附近位置處的離子含量分布呈現出局部橫、縱向不均勻性，選取不同位置的監測點（見圖4）分析管片接頭區域全壽命周期內侵蝕劣化的演變規律。

1.外水壓對接縫面位置處侵蝕劣化的影響

以鄰近管片接縫面的斷面A為例，當管片外表面氯離子含量為0.6%時，管片接頭近端氯離子侵蝕劣化規律如圖5所示。

由圖5可知，隨著海底隧道管片襯砌結構服役時間的延長，管片接縫面位置處氯離子含量不斷增大，體現出近管片外表面測點增幅較大的特點，如近外表面A-①、A-②測點的氯離子含量增速和增幅明顯大于靠近管片內側測點A-⑤、A-⑥；分析不同外水壓條件下的侵蝕劣化規律可以發現，外水壓越大管片內同一位置的氯離子含量也越大，如外水壓為0.10 MPa、0.50 MPa時，A-⑤測點的氯離子含量在服役100年時分別為0.05659%、0.3076%。可見，外水壓的增大對管片內部氯離子侵蝕有促進作用，且越靠近管片外表面，高水壓促進作用越明顯。

2.管片接頭近端與遠端氯離子的分布差異

以0.50 MPa外水壓工況為例，分析得到管片接頭近端、遠端的離子侵蝕劣化規律如圖6所示。

從圖5、圖6中可以看出，當外水壓一定時，與接縫面距離不同、氯離子含量分布不同。具體表現為距離管片接縫面越近，管片內部的氯離子濃度越大，如距接縫面分別為25 mm（圖5（c））、75 mm（圖6（a））和175 mm（圖6（b））的④號位置在服役50年時，氯離子含量分別為0.344%、0.202%和0.126%，管片接頭距接縫面375 mm（圖6（c））位置處各測點氯離子含量分布曲線與175 mm處基本重合，可見越靠近接縫面、氯離子含量越大，體現出氯離子含量分布的橫向不均勻性；與接縫面距離相同的位置線上，如距接縫面A=25 mm的①、②、③、④號位置，在100年時氯離子含量分別為0.59%、0.58%、0.54%和0.46%，氯離子含量分布體現出隨著深度的增大而逐步減小的特點，體現出氯離子含量的縱向不均勻性。

圖4 管片接頭區域監測點示意圖（單位：mm）

圖5 管片接頭近端氯離子含量分布曲線

3. 外界腐蝕離子濃度變化的影響

以0.50 MPa外水壓工況為例，得到不同外界腐蝕離子濃度作用下，管片接縫面位置處（斷面A）的離子侵蝕劣化規律，如圖7所示。

從圖7可以看出，當管片外界的氯離子濃度不同時，全壽命周期內管片內部的氯離子含量隨著位置的不同而不同，如管片表面氯離子含量為0.5%、0.6%和0.7%時，A-①測點在100年時氯離子含量分別為0.5%、0.6%和0.7%，而A-⑥號測點氯離子含量分別為0.12%、0.14%和0.16%，內部氯離子含量變化并不明顯。

可見，提高表面氯離子含量對靠近管片外表面位置處的氯離子含量影響較大，隨著氯離子侵蝕深度的拓展，這種影響逐漸減弱；當表面的氯離子含量不同時，氯離子含量變化曲線的趨勢相同，同一位置達到相同含量所需的時間不同，如管片表面氯離子含量為0.5%、0.6%和0.7%時，A-④測點氯離子含量達到0.2%所需的時間分別為34年、29年和26年，可見增大管片外表面的氯離子濃度可縮短近外表面位置累積到同一氯離子含量的侵蝕時間。

五、基于全壽命劣化分析的海底盾構隧道管片結構安全保障對策

（一）全壽命周期內鋼筋的銹蝕和劣化分析

對于鋼筋混凝土海底隧道管片襯砌結構，其全壽命周期內劣化的主要標志為管片內部鋼筋是否發生銹蝕。根據文獻[11,12]，以鋼筋表面氯離子濃度達到0.4%為鋼筋已發生銹蝕的判定依據。基于此，以氯離子含量0.6%為例，得到管片外排鋼筋不同測點（見圖8）位置處的氯離子含量分布圖如圖9所示。

圖6 管片內不同位置處氯離子分布曲線

圖7 外界不同氯離子濃度下管片內的氯離子含量分布曲線

分析圖9中鋼筋的銹蝕結果可知，當不考慮水壓作用時，管片外排鋼筋位置處的氯離子含量隨著服役時間的延長而不斷累積，但出現鋼筋銹蝕的測點僅為鄰近管片接縫面的測點①位置處（圖9（a）），可見在不考慮水壓影響下，管片接頭的削弱作用（接縫面處雙向滲透侵蝕狀態）僅體現在管片接縫面較小的區域內，對距接縫面遠端的鋼筋影響較小；進一步分析可以發現，因管片接頭接縫面處于雙向滲透侵蝕狀態，管片外排鋼筋順筋方向體現出縱向不均勻銹蝕的特點。當管片外側水壓為0.50 MPa時，測點①、測點⑦位置的鋼筋發生銹蝕的時間分別為7年、28年，可見，水壓力的增大加速了管片外排鋼筋的銹蝕和劣化。考慮外水壓的壓力滲透作用后，在無外水壓作用時（圖9（a）），此時僅測點①發生鋼筋銹蝕，但隨著水壓的增大，如圖9（b）在0.10 MPa水壓作用下，測點①～⑦均發生銹蝕，測點①、⑦發生銹蝕的時間分別為8年、72年。而當水壓達到0.50 MPa（圖9（c））時，運營28年后所有測點（①～⑦）均發生銹蝕，起銹時間大大提前。

筆者進一步分析不同外水壓、不同鋼筋位置在全壽命周期內的侵蝕劣化規律發現，隨著管片外水壓的增大，氯離子的侵蝕速率也越大（曲線陡、斜率大），且在服役100年后達到的最大氯離子含量的量值也越大，水壓促進了腐蝕離子的侵蝕。當外水壓較小時或無壓狀態下，最大氯離子含量處于0.05%～0.6%時，鋼筋不同位置最大氯離子含量差異較大；但隨著外水壓的不斷增大，鋼筋不同位置的氯離子含量差異不斷減小。如在0.50 MPa高水壓下，鋼筋不同位置的最大離子含量處于0.54%～0.6%，不均勻差異較小，可見，外水壓的增大明顯減小了順筋方向的不均勻腐蝕和劣化的差異。

（二）海底盾構隧道管片結構安全保障對策

海底盾構隧道管片襯砌結構中的管片接頭為整體襯砌結構的薄弱環節，極易成為高水壓與腐蝕離子侵蝕劣化的首要位置，通過對全壽命周期內的侵蝕和劣化分析可以發現，管片接頭的接縫面對兩側的削弱影響有限，并未波及整個管片襯砌結構。

圖8 外排鋼筋區域監測點示意圖

圖9 外排鋼筋不同位置處氯離子含量分布曲線

分析圖9可以發現，全壽命周期內管片襯砌結構在高水壓與海水腐蝕環境作用下發生漸進性侵蝕劣化，遠離管片接頭接縫面的測點⑥、⑦，其銹蝕劣化過程幾乎同步，外排鋼筋開始銹蝕的時間相同，均處于單向滲透離子侵蝕運移狀態，管片接頭的接縫面對管片襯砌結構的削弱影響可忽略不計；而測點①～⑤位置在管片接頭局部雙向滲透侵蝕作用下，受到管片接頭接縫面削弱作用的影響，其鋼筋銹蝕時間各不相同，隨著與接縫面距離的減小而不斷減小。根據測點的位置關系，可確定管片接頭接縫面削弱影響范圍近似為距管片接頭接縫面距離約等于管片厚度的兩側范圍內，如圖10所示。

因此，為滿足海底盾構隧道在全壽命周期內的安全服役要求，在管片襯砌薄弱環節——管片接頭兩側約等于管片厚度的范圍內，進行耐腐蝕設防設計及重點維修養護，可提高整體隧道襯砌結構的耐侵蝕能力及長期安全性能。此外，根據鋼筋累積到臨界腐蝕離子濃度的時間與混凝土保護層厚度正相關（保護層厚度（c）越大、氯離子侵蝕時間越長）的關系，也可采用提高混凝土保護層厚度實現延緩鋼筋銹蝕、保障隧道結構安全的目的，如圖11所示。

由于水土荷載、周圍氯離子侵蝕及內部運營環境的共同作用，整體管片襯砌結構在全壽命周期內的安全承載性能將發生緩慢地衰退，加之盾構管片襯砌結構屬于由管片拼裝而成的多體拼接結構，結構本身自帶管片接頭薄弱環節，若對全隧道斷面進行整體耐久性防腐設防及重點維修養護，將極大地增加隧道修建及維修成本。

根據上述研究結果，可在管片接頭局部的有限區域進行最經濟、最合理的設防（見圖12、圖13），通過提高耐腐蝕設防范圍內混凝土的抗滲等級、在區域管片外側或者內外兩側增加表面防腐涂層、適當提高混凝土保護層厚度等方式，可以最經濟、最合理地增加腐蝕離子對危險區域的侵蝕難度，延緩鋼筋的銹蝕速度，提高全壽命周期內海底高水壓環境、復雜離子侵蝕環境、內部運營環境等多環境耦合作用下的管片襯砌結構安全儲備能力，延緩或減弱多環境耦合作用對隧道襯砌結構的不利影響，提高整體管片襯砌結構的耐久性，為海底盾構隧道的管片安全提供有效的技術保障。

六、結語

圖10 海底盾構隧道管片接頭耐腐蝕設防范圍示意圖

圖11 海底盾構隧道管片鋼筋保護層厚度（c）示意圖

圖12 海底盾構隧道管片接頭安全保障對策示意圖

圖13 海底盾構隧道管片結構安全保障對策示意圖

本文以海底盾構隧道結構的薄弱環節——管片接頭為切入點，建立可實現海水壓力滲透與氯離子侵蝕運移的管片接頭全壽命侵蝕劣化分析模型，分析了全壽命周期（100年）內海底隧道管片接頭的侵蝕劣化規律，明確了高水壓與氯離子侵蝕對海底盾構隧道侵蝕劣化的不利影響；并基于全壽命周期內的侵蝕劣化分析，提出了海底盾構隧道襯砌結構最經濟、最合理的耐腐蝕設防及維修養護關鍵區域，采用局部提高設防范圍內混凝土的抗滲等級、在管片外側或者內外兩側增加表面防腐涂層、適當提高混凝土保護層厚度等方式，可提高全壽命周期內多環境耦合作用下的管片襯砌結構安全儲備能力，減弱多環境耦合作用對隧道襯砌結構的不利影響，提高整體管片襯砌結構的耐久性，可為海底盾構隧道管片的長期安全提供有效的技術保障。

在隧道結構的全壽命周期內，與設計、施工階段相比，結構在長期服務運營和維修養護階段具有在役周期長、賦存環境復雜、腐蝕劣化累積等特點，長期處于城市富水環境、近海和海洋環境中的盾構隧道襯砌結構更易出現病害，對其結構性能的科學評價與量化尤為重要與緊迫，如何保障盾構隧道工程的系統可靠性及長期安全性仍將是我國科技工作者面臨的一大技術挑戰。

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