巖溶-侵蝕環境盾構隧道管片耐久性及防護

蔣金蕓，馬靜

(1. 衡陽市城市建設投資有限公司，湖南 衡陽 421000；2. 中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

巖溶環境，作為一種特殊地質條件廣泛分布于中國西南與華南地區，其特殊的應力環境和復雜的地下水系，都為工程建設帶來挑戰，諸如：宜萬鐵路[1-2]、成都地鐵[3]及武漢地鐵[4]等工程在建設過程中，都不同程度地受到了巖溶地質的影響。近年來，由于技術設備的進步，部分地區開始嘗試穿越巖溶地層修建水下隧道[4-5]。與普通隧道相比，巖溶地質條件中修建水下隧道，原生地質環境中水系發達，且地下水鹽類豐富，除隧道結構本身穩定性問題外，長期條件下，隧道結構的抗腐蝕耐久性也成為一個突出的問題。對于鋼筋混凝土結構，地下水對其腐蝕過程主要來自于Cl-和類鹽對鋼筋結構與混凝土水泥基的腐蝕劣化[6-8]。目前，針對實際混凝土結構的腐蝕劣化研究，已取得一定進展，但混凝土結構的腐蝕劣化損害，是一個相對持續的過程。實際工程中環境與水文的隨機變化，室內模型試驗與理論計算結果往往存在著誤差。鑒于此，針對侵蝕環境中的混凝土結構耐久性，在采用室內試驗與數值分析等靈活、便利的方法基礎上，根據工程實際環境開展現場取樣試驗檢測等工作[9-10]。

衡陽合江套湘江隧道作為一條在建的巖溶地質區水下隧道，工程環境復雜同時具備巖溶軟弱地質和侵蝕性地下水的特征[11]，工程結構設計使用年限較長，針對此情況，作者擬結合已有研究成果，利用有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics，對工程結構耐久性特征進行詳細分析，并結合計算結果制定防護方案，保障其服役年限內的正常使用，以期為相似工程中的耐久性防護工作積累經驗。

1 工程概況

合江套湘江隧道位于湖南省衡陽市珠暉區，地處湘江、耒水和蒸水三水匯水口位置，是全省范圍內第二條穿越湘江的隧道。根據以往勘察工作表明：隧道所在工程區水文地質條件復雜，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果可知：隧道施工范圍內推測存在5 處巖溶異常，主要分布在里程Kn4+150～Kn4+360 范圍，其發育深度主要集中在2 個標高段范圍內，第一標高段約為10～25 m，巖溶發育共4 處；第二標高段約-10～5 m，巖溶發育1 處，溶洞沿隧道方向長度為5～15 m，其具體分布如圖1 所示。

圖1 巖溶發育概況Fig.1 The details of the karst caves

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

根據《巖土工程勘察規范(GB 50021—2001)》與巖溶區分布情況，在全線選取了4 個鉆孔點進行了水樣檢驗與腐蝕性評估，考慮到合江套隧道部分結構全部置于強透水層中；部分結構一面位于強透水層中，一面暴露在大氣中，于是根據場地類型對結構的腐蝕性分別按I 類和Ⅱ類進行了評價。按照環境類型進行劃分時，合江套隧道地下水對混凝土結構的腐蝕性為強腐蝕，對鋼筋結構的腐蝕為中腐蝕?？碧浇Y果表明：和Cl-存在于地下水中，且其含量對隧道混凝土和鋼筋結構可能產生影響，因此，需要進行防和Cl-侵蝕處理后再進行隧道施工。

2 離子侵蝕電化學仿真模型研究

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Kn4+186 處隧道結構進行研究分析，其中，隧道下方溶洞為未填充狀態，隧道及溶洞均位于地層編號為⑦1的強風化粉砂巖中，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)

根據地質勘測結果，該處地層成分為強風化粉砂巖，多呈現為土夾碎石塊，主要參數為：天然容重22 kN/m3，天然孔隙比0.178，側壓力系數0.33，導溫系數2.05×103m2/h，基底摩擦系數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-通過破壞鋼筋鈍化膜，產生去極化反應而導致鋼筋結構發生腐蝕。因此，衡量Cl-傳輸效率的混凝土電解質導電率與氧化反應重要參考指標氧氣擴散系數可以間接衡量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驗測量平衡電位，取決于模型設置。

在分層模型里，基礎層代表信息基礎設施，傳輸層反映以寬帶網絡服務為代表的信息服務水平。在表3中，其相關系數是最低的，表明現階段在西部地區進一步提高信息基礎設施的網絡能力對提升信息服務水平的作用有限。

陽極氧氣濃度假設與大氣中的一致：

主要電化學反應有：

在鋼筋邊界上進行電化學的反應動力學通過二次電流分布接口中的電極表面節點進行建模，在該邊界條件上，鋼筋的外電位設為施加的電池電位-1 V。

根據法拉第定律，在鋼表面發生的氧氣還原反應會產生氧氣通量，這種現象可以用稀物質傳遞接口中的電極電解質界面耦合節點來建立模型。

2.2 計算結果分析

2.2.1 模型電位分析

混凝土結構的腐蝕來源于孔隙中的水與混凝土結構的接觸反應，孔隙初始飽和度影響氧氣、鹽離子的擴散速度，改變電解質電位，從而腐蝕的速率發生相應變化。應用COMSOL 中的分析模塊對鋼筋混凝土電解質進行分析，選取孔隙飽和度(pore saturation,簡稱為PS)為0.8 和0.2 時的混凝土電解質電位如圖3 所示。從圖3 中可以看出，對高飽和度水平與低飽和度水平下的電解質電位分布，其混凝土電解質的電位分布相似，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 電解質電位分布Fig.3 The distribution of electrolyte potential

計算模型為保證電化學進行，將工作電極設置于隧道模型面處。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，各測點處的工作電極電位整體下降，高飽和度時電位差更大，侵蝕更快，當飽和度從0.4 變化至0.5 這一階段，電極電位下降最為明顯。各測試點的電位差因飽和度變化呈現相同的電位變化趨勢，相距巖溶區較近的點7 與點8 電位變化更明顯，侵蝕的程度會更高。

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

2.2.2 氧氣濃度

氧氣濃度是另一個影響腐蝕速率的重要因素，氧氣濃度越大，電化學反應越容易進行，反應速率越快。而氧氣在混凝土中的擴散速度會隨著孔隙飽和度的變化而發生變化。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，對于模型整體的氧氣濃度分布沒有明顯差異。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呈現負相關關系。其原因是：孔隙飽和度增加時，氧氣擴散速率會下降，當PS≥0.45 時，氧氣濃度趨于穩定。

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 反應電流密度

在侵蝕過程中，孔隙飽和度的變化同樣會導致鋼筋-混凝土界面處的化學反應和電流密度發生變化，其對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與孔隙飽和度呈現負相關變化，與氧氣濃度的變化趨勢一致，而高飽和度時由于缺乏氧氣反應，反而其氧化電流在處于較低水平時，鋼筋得到較好的保護，腐蝕現象較難出現。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，但其較高的工作電極可能導致混凝土中水泥基與硫酸鹽發生反應，而若飽和度有所下降，則鋼筋也可能與氧氣反應產生銹蝕。模型的計算表明：合江套隧道管片結構存在著腐蝕的風險。因此，有必要對隧道管片結構進行耐久性防護，提高其抗腐蝕性能。

3 耐久性防護措施

3.1 管片防腐措施

鋼筋混凝土結構的鹽類侵蝕是一個長期的過程，硫酸鹽或氯鹽通過地下水與混凝土結構接觸，分別與混凝土內的水泥基和鋼筋發生反應，以結晶和銹脹的形式促使混凝土結構開裂，而合江套隧道地下水系含鹽較為豐富，其腐蝕損害機制更加復雜，最佳的防護措施在于嚴格做好管片防護工作，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) 在施工及后期運營過程中發現接縫漏水，可考慮及時注漿堵水，切斷漏水通道，避免形成化學腐蝕條件。

3) 根據耐久性設計規范，在管片接縫及其周邊噴涂硅烷浸漬保證其防腐蝕性。加強防腐蝕處理，即在管片外側、接縫處及內側100 mm 范圍內涂刷防腐蝕涂料涂層(如圖8 所示)，涂料的選擇應遵循滿足結構防腐及節約的原則。

管片內弧面和外弧面采用俯噴法進行噴涂，端側面采用站噴法進行噴涂，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)和異辛基三乙氧基硅烷(固體狀態)，吸水率低、Cl-滲透率低、抗碳化能力強。因其具較高的防水性能，所以硅烷浸漬在阻斷水分進入混凝土結構中的同時也可以將地下水中會讓混凝土結構產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

在侵蝕的長期作用下，盾構隧道的防水會發生老化，老化后的防水橡膠會出現裂縫、粉化、發黏、翹曲外部變化以及強度降低、抗疲勞性能下降、應力松弛等內部變化。

地下水的入侵會造成橡膠中的水溶性物質和親水基團等成分被水抽提溶解，水中具有侵蝕性的離子與橡膠發生化學反應，更會加速接頭材料損傷。因此，在具有侵蝕性的地下水作用時，管片防水橡膠應滿足2 個要求：

1) 具有良好的彈性。盾構施工過程中，在推進油缸的反復推力作用下與管片產生變形時，其防水性能依舊較高。

一般防水橡膠進行防腐時主要是利用密封墊的接觸壓力進行防水，防水的同時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脂、天然膠等遇水發生膨脹進行防水止水，這種橡膠整體性好，但當沒有涂緩膨劑時，這種橡膠遇水發生的膨脹會使得密封墊不能夠完全的裝入溝槽內；而三元乙丙橡膠利用橡膠的壓縮彈性進行防水的，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的影響，在選擇防水橡膠密封圈時應該充分考慮復雜的環境條件。因此，可以將這2 種方法相結合，利用三元乙丙橡膠的回彈力進行初步止水和遇水膨脹橡膠增強防水效果，滿足后期管片產生變形后更高防水和防腐的要求，整體的防水結構如圖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

通過選取36 個×2 組直徑為50 mm，深度為45 mm±5 mm 圓柱形芯樣進行硅烷浸漬吸水率和氯化物吸收量降低效果進行檢測分析，結果得出管片混凝土結構吸水率降低率為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對管片結構的侵蝕；管片結構中氯離子擴散系數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構的抗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構中鋼筋發生銹蝕的危險性。

影響混凝土結構使用壽命的因子有：混凝土保護層厚度、氯離子在混凝土表面的初始含量、混凝土結構中氯離子的擴散系數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散系數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，提高混凝土結構壽命。

4.2 防水橡膠密封圈防腐效果

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

5 結論

1) 通過多物理場耦合計算軟件 COMSOL Multiphysics 建立模型計算，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正相關關系，而飽和度在一定范圍內與氧氣濃度和氧化電流呈現負相關關系，模型中隧道結構各測點的電化學參數存在一致的變化趨勢，其變化的敏感程度和測點與陽極的距離負相關。

2) 從模型計算結果來看，不同飽和度條件下，隧道發生的腐蝕類型有所區別。當在高孔隙飽和度條件下，管片中的鋼筋較難發生腐蝕，僅可能管片混凝土與硫酸鹽產生腐蝕；當飽和度有所降低時，管片中鋼筋也可能產生腐蝕，因此，合江套隧道管片面臨腐蝕風險。

3) 結合合江套隧道的實際，設計了管片硅烷噴涂與拼裝時防水橡膠雙重密封的防水措施，經檢測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構的耐久性。