京張高鐵八達嶺長城站耐久性設計方法及措施

劉建友，呂 剛，趙 勇，胡 晶

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055；2.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司,北京 100844)

引言

我國普通房屋建筑物的設計使用年限一般為50年，紀念性建筑和特別重要的建筑結構設計使用年限一般為100年，這是我國規范對一般建、構筑物的耐久性做出的要求。但對于鐵路工程，尤其是干線鐵路工程，其使用年限往往超越100年，如我國自主設計施工的第一條鐵路—京張鐵路，目前已經使用了110年，而且今后很長一段時間還將作為貨運鐵路繼續使用。因此，研究設計使用年限超越100年的耐久性設計方法和控制技術具有重要意義。

隧道和地下工程具有相對恒溫恒濕的環境，有利于工程結構的耐久性。但如果在設計施工過程中耐久性考慮不足，后期使用過程中因耐久性失效而出現各種病害問題，則維修的成本將非常高昂。調查研究發現，我國鐵路隧道在運營期由于支護結構或者防排水系統的耐久性不足，大多存在滲漏水、襯砌裂損、底部翻漿冒泥等病害。鐵路部門每年需投入大量的人力、物力及資金用于其維修和整治，因此開展隧道及地下工程的耐久性設計具有重要的社會經濟意義。

國內外對隧道結構的耐久性開展了大量的研究。黃慷、涂鵬等[1-2]利用類比、實測等方法對各類風險因素的影響進行了分析，評估和預測其服役壽命，提出了耐久性失效風險的防治措施。王磊[3]闡述了混凝土裂縫產生的原因，并從工程設計、材料、施工、養護等方面提出了裂縫控制的措施。王光勇[4]分析了混凝土保護層厚度不足的原因及其對隧道襯砌承載力和隧道結構耐久性的影響，提出了采用高分子樹脂化學膠涂層的整治措施。劉四進等[5]從盾構隧道結構受力性能衰退機理出發，開展了管片銹蝕劣化試驗，提出了銹蝕劣化承載管片抗彎剛度衰減模型。李宇杰、王夢恕等[6]對有裂縫病害的地鐵隧道結構進行受力分析，得到了劣損襯砌結構的受力特征，并評估了其承載力。

Willie Kay[7]介紹了可用來提高隧道結構耐久性和服務年限的新型材料，提出采用高性能混凝土襯砌及合理的防排水措施可有效地提高隧道的耐久性。Sangpil Lee等[8]對高性能噴射混凝土進行了凍融循環、加速碳化及離子侵蝕等試驗，認為相比傳統噴射混凝土，高性能噴射混凝土耐久性能更佳。王海彥、王麗麗等[9-11]針對既有隧道的病害表現，提出隧道襯砌耐久性在施工、設計及維護方面不足的原因.提出了解決主體結構襯砌混凝土耐久性的設計要點及施工的控制對策。宋超業等[12-15]針對氯化物環境下的礦山法海底隧道，對其環境條件、規范要求和耐久性設計原則等進行了詳細分析，提出了考慮結構承載力設計并預留后期修復空間的耐久設計理念。仇文革等[16-17]根據后期維護保養對隧道耐久性的影響，提出了隧道結構體系全壽命費用最小化模型，為設計和施工單位提供參考。

綜上所述，混凝土、鋼筋等材料的耐久性，以及噴射混凝土、錨桿、二襯等單一構件的耐久性，均有較為成熟的設計方法和控制措施，但對隧道工程整體的耐久性，目前仍停留在定性化的描述，尚無定量化的設計方法和預測模型。

1 隧道工程的耐久性機理

隧道耐久性失效主要表現為二襯結構的破壞，分析其原因主要為：① 隧道錨桿、注漿、噴射混凝土等支護結構因碳化、銹蝕而失效，導致隧道二襯荷載增大，引起的二襯開裂破壞；② 隧道二襯自身的鋼筋混凝土結構因碳化、腐蝕而出現開裂脫落，引起的二襯結構破壞。

與橋梁、房屋等地面結構物相比，隧道結構耐久性的影響機理更加復雜，這主要是由隧道結構自身的特點所決定的。隧道結構是由圍巖與支護結構組成的復合體系，圍巖和支護結構的相互關系非常復雜，錨桿、錨索和注漿等支護結構直接侵入圍巖內部，噴射混凝土和鋼拱架組成的初期支護附著在圍巖表面，只有二襯是相對獨立受力的拱形構件。

為了分析隧道耐久性的相互影響關系，將隧道結構劃分為原巖、改良圍巖和二襯三部分，如圖1所示，其中改良圍巖是經注漿、錨桿、錨索、噴射混凝土等支護措施改良后的圍巖。其中由于原巖的耐久性主要取決于成巖速度及巖石的風化速度等地質變化速度，而地質變化速度非常緩慢，從工程尺度來說，原巖可認為基本不變化，所以其耐久性暫不作考慮。改良圍巖的耐久性主要取決于錨桿、鋼架的銹蝕速度、注漿的劣化速度、噴射混凝土腐蝕速度等，改良圍巖的耐久性失效主要表現為改良圍巖承載力的下降，導致二襯結構荷載增大。

圖1 隧道受力體系劃分示意

由以上分析可以看出，隧道結構的耐久性問題最終都可通過二襯的變形破壞來體現，如圖2曲線所示，二襯承載力曲線R隨著時間而逐漸降低，這是由于組成二襯結構的鋼筋、混凝土材料在服役期間受到銹蝕與腐蝕作用，承載力逐漸下降，導致結構自身耐久性失效；而二襯荷載曲線P隨著時間逐漸上升，它反映了改良圍巖體的耐久性，這是由于組成改良圍巖體的錨桿、鋼架、注漿體、噴射混凝土等材料受銹蝕、腐蝕作用承載力下降，導致二襯荷載逐漸增大。當二襯荷載增大曲線與其承載力衰減曲線相交時，隧道結構達到承載力極限狀態，此時也即為隧道耐久性的設計使用年限，圖中Tc即為隧道耐久性的設計使用年限，任意時間點Ti的承載力Ri和荷載Pi的比值反映了當前耐久性的安全系數，隧道結構耐久性的安全系數

(1)

式中，Kn為隧道結構耐久性的安全系數；Ri為時間節點為Ti時二襯的承載力，kPa；Pi為時間節點Ti時二襯的荷載，kPa。

圖2 隧道結構耐久性的計算模型

2 隧道耐久性定量化設計方法

隧道結構的耐久性是隧道圍巖、初期支護、二次襯砌與周邊環境共同作用，相互影響的結果。圍巖和初期支護形成的改良圍巖在周邊環境的影響下出現劣化，導致承載力衰減，圍巖荷載的承擔逐步由初期支護轉移到二次襯砌結構，二次襯砌承受荷載逐漸增大。另一方面，二襯結構在周邊環境影響下隨自身性能劣化，承載力衰減，當二襯承載力衰減至其所承受荷載以下時，隧道結構將出現耐久性失效，如圖2所示，此時Tc為隧道使用壽命，并可根據式(1)計算隧道結構耐久性的安全系數Kn。

2.1 二襯荷載的增加(初期支護承載力的衰減)

初期支護承載力衰減，會使得其承擔的圍巖應力一部分轉移到二襯結構，二襯所承載的荷載越來越大，加速了隧道耐久性失效，縮減了其服役期壽命。初期支護與圍巖承載力衰減的速率主要取決于錨桿或錨索失效速度以及注漿體的腐蝕速度。假設初期支護與圍巖的承載力關系為

Pr=η(T)·pro

(2)

式中，pro為初期支護與圍巖的初始承載力，kPa；η(T)為初期支護與圍巖的耐久性折減系數；pr為實際衰減后的圍巖承載力，kPa。

隧道在施工完成初期，各種腐蝕尚未開始，錨桿、錨索、注漿等支護措施都處于最佳狀態，此時η(T)取值為1，隨著時間延續，各種支護措施逐漸失效退出工作狀態，η(T)取值逐漸減小至0，初期支護與圍巖的承載力逐漸降低，二襯荷載則逐漸增大。二襯在某一時刻T的荷載可按下式計算

pL(T)=po-pr=po-η(T)·pro

(3)

式中，pL(T)為二襯在某一時刻T的荷載，kPa；po為隧道結構的全部荷載，kPa。

當隧道采用錨桿、錨索支護時，耐久性折減系數主要取決于錨桿注漿層的碳化速度，如式(4)所示

(4)

其中，錨桿注漿層的碳化深度可按下式計算

(5)

式中，X(T)為碳化深度，m；k為碳化系數；t為碳化齡期。碳化系數可根據現場試驗、經驗公式或者理論模型確定。則式(4)可變為

(6)

式中，ho為錨桿砂漿保護層的厚度，m。

2.2 二襯承載力的衰減

二襯承載力的衰減公式為

RL(T)=β(T)·RLo

(7)

式中，RLo為二襯的初始承載力，kPa；β(T)為二襯的耐久性折減系數。在二襯施工完成初期，各種腐蝕尚未開始，二襯處于最佳狀態，β(T)取值為1，隨著時間延續，二襯逐漸失效退出工作狀態，β(T)的取值逐漸減小為0。折減系數β(T)主要受碳化深度和混凝土強度衰減兩個方面的影響，碳化深度使襯砌厚度減小，強度衰減使二襯承載力進一步降低，因此折減系數β(T)可按下式估算

(8)

式中，H0為二襯初始厚度，m；S(T)為混凝土強度折減系數。碳化深度X(T)可按式(5)取得，則公式(8)可變為

(9)

系數k值的確定方法不同，碳化深度預測模型可以分為四類：理論模型、經驗模型、結合理論與試驗的碳化模型和基于可靠度理論的隨機模型。混凝土強度折減系數S(T)可根據環境類別、環境作用等級以及混凝土自身的密實度、表面裂縫密度及張開量等影響因素取得。

3 工程應用

京張高速鐵路新八達嶺隧道全長12.01 km，八達嶺長城站位于新八達嶺隧道內，車站中心里程距離隧道進口8.79 km，距離隧道出口3.22 km。八達嶺長城站是一個大型復雜的地下洞群車站，各類洞室總數達78個，地下建筑面積3.6萬m2，軌面最大埋深102 m。車站兩端的站隧過渡段，是一個由兩線鐵路過渡到四線鐵路的單跨隧道，最大開挖跨度32.7 m。

3.1 耐久性設計及工程措施

(1)長壽命支護結構體系的設計

根據圖2所示，隧道及地下工程的整體耐久性取決于二襯荷載的增長曲線和二襯承載力的衰減曲線，為了延長八達嶺長城站的設計使用年限，應盡量提高初支和圍巖的承載力及其耐久性，延緩二襯荷載的增長曲線。因此，在八達嶺長城站的支護體系設計中，采用了圍巖長期自承載的設計理念，即初期支護加固圍巖，形成持久的圍巖自承載拱，長期承擔全部圍巖荷載，二襯作為安全儲備。這個設計理念要求初期支護加固的圍巖體不僅在施工期能夠自穩，而且在運營期也能夠長期自穩。

隧道圍巖具有一定自穩能力，這一點早已被工程界所公認，但如何利用圍巖的自穩能力，這一點卻眾說紛紜。早期隧道設計和施工中，主要利用圍巖施工期的自穩性，隧道長期自穩性主要依靠二次襯砌維持，這一點在我國鐵路、公路隧道中表現尤為突出，主要表現在隧道支護結構設計時，以二襯為主要承載結構進行計算，錨桿、噴射混凝土等初期支護只作為維持施工期間的穩定，隧道施工中也忽視其施工質量和耐久性，只要施工期圍巖能夠暫時穩定，錨桿能不打就不打，能少打就少打，能晚打就晚打，造成在大部分隧道工程中錨桿并未得到有效的施作，這也導致我國隧道在運營期出現大量耐久性病害問題。

長壽命的支護結構體系應確保圍巖能夠長期自穩，這就要求對錨桿、噴射混凝土、注漿等初期支護以及圍巖自身的耐久性進行研究和專項設計。八達嶺長城站圍巖主要為花崗巖，巖質堅硬，具有良好的耐久性，其暴露在空氣中的風化速度僅為0.1 mm/a，即300年的風化深度僅為30 mm。因此，對于Ⅱ、Ⅲ級圍巖段，圍巖自身即可滿足長期自穩的要求。但受F2斷層和風化深槽的影響，大跨過渡段DK68+285～DK68+300巖體破碎，巖質軟，為Ⅴ級圍巖，是影響車站耐久性的關鍵部位。該段初期支護設計采用了錨桿、錨索、噴射混凝土和注漿，并對這些支護措施的耐久性做出了要求。

(2)錨桿的耐久性措施

錨桿的耐久性主要取決于注漿的保護層厚度及其碳化速度。為了提高錨桿的耐久性，八達嶺長城站對錨桿施工提出了以下要求：① 錨桿最小注漿保護層厚度大于4 mm；② 錨桿設置居中定位器，使錨桿居中放置在鉆孔中，正負偏差不大于1 mm；③ 鉆孔后應清孔干凈，用壓風吹盡孔內巖粉和虛渣。④ 嚴格控制注漿層的密實度，注漿飽和度大于95%，注漿壓力和保壓時間要滿足設計要求。

(3)錨索的耐久性措施

錨索一般具有較高的預應力，因此要求注漿體達到一定的強度后才能張拉，如果采用普通的水泥砂漿，需養護28 d才能達到設計強度，這導致錨索的施工工期非常長，難于滿足施工工期的要求。因此，八達嶺長城站錨索采用了硫鋁酸鹽快硬水泥，這種水泥雖然解決了施工工期的問題，但不利于錨索的耐久性。為了滿足耐久性的要求，錨索采用分段高壓注漿，即孔口段2 m先注漿封口，待孔口段凝固后采用7 MPa左右的高壓進行孔內注漿，高壓注漿大幅度提高了注漿體的密實性和充填度，從而提高錨索的耐久性。

(4)噴射混凝土的耐久性措施

八達嶺長城站防災救援通道采用了噴射混凝土單層襯砌。噴射混凝土與普通模筑混凝土相比耐久性相對較差，主要存在以下原因：① 噴射混凝土的水泥材料中含可溶性氯鹽和堿，外加劑中含有鹽和堿類物質，這些對混凝土的耐久性會產生不利影響；② 噴射混凝土的水泥用量大，含水率高，摻有速凝劑，故較普通混凝土收縮性更大，收縮過程造成混凝土表面的微裂縫也更多，加速了中性化速率，進一步引起混凝土內部的鋼筋腐蝕；③ 噴射混凝土是在隧道開挖后及時施作的，這時圍巖尚處于變形階段，噴射混凝土過早受力，易產生開裂破壞；④ 噴射混凝土與圍巖緊密接觸，如果噴射混凝土不夠密實，圍巖中攜帶有害化學組分的地下水極易滲入結構內部，對噴射混凝土及其內部的鋼筋進行腐蝕；⑤ 隧道噴射混凝土屬于低強度等級混凝土，現場對混凝土的原材料和配合比控制不嚴，噴射工藝掌握不好，混凝土凝結硬化后密實性較差，混凝土的抗滲性能差，為有害介質提供了滲透通道。

針對噴射混凝土耐久性相對較差的特點，為了提高噴射混凝土的耐久性，八達嶺長城站采用了以下措施：①嚴格控制水泥、粗細骨料、外加劑中的鹽和堿類物質；②施工中分層噴射混凝土，減小單次噴射混凝土的厚度，提高噴射混凝土的柔性，逐步釋放圍巖變形，減小噴射混凝土受力裂縫；③在噴射混凝土中設置排水系統，減小地下水對噴射混凝土的影響；④ 在噴射混凝土表面噴涂一層水泥基滲透結晶材料，填充噴射混凝土表面的空洞和裂隙，提高混凝土的密實性，并防止地下水滲透。

(5)二襯的耐久性措施

隧道二次襯砌結構的耐久性主要受混凝土的密實度、表面裂縫、周邊的腐蝕環境等因素的影響。提高二襯混凝土耐久性的關鍵在于提高混凝土的密實性和抗裂性，具體的技術措施如下。

① 控制表面裂縫

選用中低熱水泥。為了減少混凝土結構的溫差裂縫，選用中低熱水泥，降低混凝土的水化熱。不同品種的水泥，其礦物含量不同，而各種礦物的水化熱差異較大，其中硅酸二鈣(C2S)的水化熱最低，其次是鐵鋁酸四鈣(C4AF)、硅酸三鈣(C3S)，鋁酸三鈣(C3A)的水化熱最大。中低熱水泥比普通水泥含有更多的C2S和C4AF，更少的C3S和C3A，中低熱水泥的水化熱和干縮率明顯小于普通水泥。

控制混凝土的入模溫度。裂縫混凝土膠結過程的溫度主要取決于混凝土的入模溫度和水化熱引起的溫升。控制混凝土入模溫度的技術途徑主要有降低砂、石骨料和水的初始溫度，減少運輸和澆筑過程中混凝土溫度的升高。

采用高質量的粉煤灰。粉煤灰由于發生火山灰反應而提高混凝土的抗裂性能，國內許多工程也采用大摻量粉煤灰來降低溫升，粉煤灰具有減少混凝土早期抗開裂的優良特性。摻加粉煤灰能夠減少用水量，降低水膠比，由于粉煤灰可延長水化反應的時間，降低水化熱，推遲了溫度峰值的產生，減少了溫度裂縫的產生因素，混凝土的溫度峰值隨著粉煤灰摻量的增加而降低。

采用保溫保濕養護措施。為了減少混凝土表面的裂縫，應對混凝土進行保溫保濕養護。保溫養護可確保混凝土水化過程中內外溫差不宜過大，減少溫差裂縫；保濕養護使混凝土表面保持濕潤狀態，防止干濕交替，減少干縮裂縫。混凝土保溫保濕養護可采用隧道蒸養臺車，根據混凝土水化過程中的溫度變化，動態調整混凝土表面的溫度和濕度。也可以在隧道表面粘貼保濕膜，設置保溫氣囊等措施實現保溫保濕的目標。

②提高密實度

提高混凝土的密實度。混凝土越密實，碳化速度越慢，結構越耐久。提高混凝土密實度的技術措施主要有采用多級配的骨料，摻加適量匹配的微集料，降低混凝土的孔隙率。由于石粉比水泥吸水性差，降低了混凝土的用水量。而且石粉顆粒較水泥更小，雖然活性很低，但在摻量不大時，石粉填充了材料之間的微小間隙，起到了微集料填充骨架的作用，混凝土的強度增大，隨著摻和量的增加，混凝土內部結構由骨架懸空結構轉為骨架密實結構，混凝土的強度逐漸增加，強度最大時也最為密實，若繼續增加惰性石粉代替活性水泥的用量，混凝土強度必然降低。可見，摻加適量的石粉可改善混凝土攪拌物的流動性和保水性，降低混凝土的用水量，提高混凝土的強度和密實度。

采用高密實性混凝土配合比。配合比設計是決定混凝土力學性能和耐久性的關鍵環節，其中最大水膠比與最小膠凝材料用量限值是保證混凝土耐久性所需要的抗滲性和力學性能的重要技術參數，相關規范標準中對不同環境下混凝土配合比參數限值進行了詳細規定。以碳化環境為例，通過限定最大水膠比和最小膠凝材料用量來改善混凝土的孔隙結構，提高密實度，保證混凝土具有良好的耐久性能。

采用整形骨料提高混凝土流動性。隧道二襯混凝土澆筑在模板和圍巖之間，振搗困難，因此，采用整形骨料，使混凝土在模板內具有更好的流動性。采用整形骨料后，可大幅度減少骨料中針片狀顆粒含量，增加混凝土拌和物擴展度，提高混凝土的充填性。

提高混凝土澆筑施工工藝密實性。混凝土澆筑施工的工藝控制是影響混凝土耐久性的重要因素。施工工藝控制主要包括以下措施：控制混凝土的運輸時間；增加二次攪拌設備，控制混凝土入模前的各項參數；為提高澆筑、振搗后混凝土的密實性，優化澆筑窗口布置、附著振搗器，采用振搗智能化控制系統。

3.2 服役期壽命預估

八達嶺長城站圍巖主要為花崗巖，巖質堅硬，具有良好的耐久性，但受F2斷層的影響，大跨過渡段DK68+285～DK68+300巖體破碎，巖質軟，為Ⅴ級圍巖，是影響車站耐久性的關鍵部位。通過裸洞圍巖穩定性分析，得到Ⅴ級圍巖段隧道結構荷載按圍巖松散壓力計算約為600 kPa，本段初期支護采用由錨索、錨桿和噴射混凝土組成的錨噴支護體系，其中錨索長25 m，預應力1 000 kN，間距2.4 m，錨索砂漿保護層厚度為20 mm；預應力錨桿長11 m，預應力100 kN，間距1.2 m，錨桿砂漿保護層厚度為9 mm。二襯為C35鋼筋混凝土，拱墻厚60 cm，仰拱厚70 cm，主筋φ28 mm@200 mm。

采用前述隧道結構耐久性的計算模型，對京張高速鐵路新八達嶺車站服役期壽命進行預估。由于在車站建成的初期(T=0)，初期支護與圍巖承擔全部荷載，二襯僅作為安全儲備，根據式(4)和式(5)，可得二襯的荷載為

(10)

式中，k1為錨桿注漿體的碳化系數，根據加速碳化實驗測試結果取0.3 mm/a0.5。

在車站建成初期，根據二襯的厚度和配筋，計算得到大跨段二襯初始承載力RLo=400 kPa。八達嶺長城站二襯結構處于地下恒溫恒濕條件，地下水無腐蝕性，因此二襯承載力衰減僅考慮碳化深度的影響，忽略混凝土強度的衰減，即尚未碳化的混凝土強度折減系數S(T)取1，則根據公式(7)可得到二襯承載力

(11)

式中，k2為二襯的碳化系數，根據加速碳化實驗測試結果取0.26 cm/a0.5。根據式(10)及式(11)計算得到二襯荷載及承載力與服役期壽命關系曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，八達嶺長城站耐久性設計使用年限為338年，而300年時的耐久性安全系數為1.07。

圖3 八達嶺長城站大跨過渡段耐久性預測曲線

4 結論

(1)隧道結構的耐久性取決于初期支護和二襯的耐久性。隧道結構耐久性決定的設計年限取決于二者承載力的衰減。錨桿、噴射混凝土、注漿等初期支護與圍巖構成的承載圈，隨著初期支護的劣化，承載力逐漸降低，導致二襯的荷載逐漸增大，同時二襯的承載力也會隨著二襯的劣化而降低，當二襯荷載增長曲線與其承載力衰減曲線相交時，隧道結構達到承載力極限狀態，此時也即為隧道耐久性的設計使用年限。

(2)二襯荷載的增長曲線可根據錨桿注漿保護層的碳化速率確定，二襯承載力的衰減曲線可根據二襯混凝土的碳化速率和強度衰減速率確定。二襯是隧道結構穩定最后一道保護措施，隧道結構的耐久性失效最終將通過二襯的變形破壞來體現，因此隧道結構耐久性的安全系數可采用二襯承載力與其荷載的比例來表示。

(3)京張高鐵八達嶺長城站支護體系設計中，采用了圍巖長期自承載的設計理念，利用長壽命初期支護加固圍巖，形成持久的圍巖自承載拱，長期承擔全部圍巖荷載，二襯作為安全儲備。同時，增加錨桿注漿保護層的厚度和密實度、設置居中定位器來提高錨桿的耐久性，采用分段高壓注漿來提高錨索的耐久性，采用中低熱水泥、Ⅰ級粉煤灰、多級配整形骨料、控制入模溫度、優化配合比、進行保濕保溫養護等措施提高二襯混凝土的耐久性，形成長壽命支護結構體系。