海底隧道二襯混凝土壽命預測模型研究

林 茂

（福建省交建集團工程檢測有限公司，福建 廈門 361012）

0 引言

海底隧道所處的環境條件復雜，二襯混凝土是其重要的支撐結構，目前尚無有效方法預測其壽命。因此，能否實現設計的使用年限亦無法評估，鑒于此，本文引入預測模型對混凝土壽命進行研究。通過對混凝土腐蝕機理進行研究，確定影響因素最大的變量，建立相應數學模型，預測其壽命周期，同時推薦混凝土配合比使用的材料。

1 工程概況

廈門翔安海底隧道工程是我國第一條海底隧道，“十五”重點項目，實現了我國大陸海底隧道“零”的突破，該隧道屬于三孔斷面式隧道，中間的隧道用作服務區域，兩邊的隧道則供車輛行使，左右雙向六車道，隧道全長約 5 950 m，穿越海底地段總長約 4 200 m，設計行車速度為 80 km/h，隧道建筑界限凈高為 5.0 m，凈寬 13.5 m，采用 CRD、雙側壁等工法鉆爆修建。綜合翔安隧道的地理環境及其重要的政治經濟地位，屬于一級重要基礎設施工程，設計使用年限 100 年以上，按所處的環境作用等級為 E 級（近海或海洋環境的大氣區）進行設計。根據結構設計計算提出的設計要求其二次襯砌混凝土強度 C45，抗滲等級 P12，強度保證率 95 %。為了達到設計使用年限，二襯混凝土的壽命研究意義重大。

2 混凝土使用壽命

混凝土使用壽命有三個方面的含義：第一，技術服役壽命表示使用時間達到了預計的無法繼續劣化的時間；第二，功能服役壽命表示結構功能太舊，不符合業主使用要求的時間；第三，經濟服役壽命表示修補結構所耗費的金錢比結構更換所耗費的金錢更多的時間［1］。本文所指的混凝土使用壽命說的是技術服役壽命，也就是混凝土從建造完成起直到結構不能使用的時間。根據相關文獻［2］將混凝土的使用年限分成若干個階段，本文的劃分以分析結果為依據，共含有 3 個階段：誘導期（T1）：混凝土投入使用起至鋼筋鈍化膜破裂的時間；發展期（T2）：由鋼筋腐蝕開始，到混凝土表面出現裂縫的時間；失效期（T3）：自混凝土出現裂縫直至剝落或混凝土失去功能的時間。其中誘導期（T1）占整個使用壽命的大部分，因此研究的主要方向在第一階段的使用壽命。

3 混凝土使用壽命預測方法

在預測混凝土使用年限時，可以使用以下幾個方法［3］。

3.1 基于經驗的預測方法

這種方法屬于半定量的預測方式，是建立在模擬實驗、現場勘查和經驗積累的基礎上的。在預測過程中，需要假設混凝土的施工過程中每一項操作都符合標準，因此混凝土的使用期限必將符合預期。如果設計的壽命不長，建設環境也不算太差，那么就能達到預期壽命，如果預期壽命很長、采用了新材料或者環境條件有變化，這種方法的可信度將大大降低。

3.2 基于性能比較的預測方法

以性能為基礎進行比較預測的方式認為，如果某種混凝土在某段時間內的使用時間很長，那么當處于同種環境時，類似的混凝土的使用期限將與之相似。然而因為混凝土建設時的尺寸或其他因素上必然存在一定差異，且不同環境之間的差異難以避免，所以時間越長，預測的誤差就越大；特別需要指出的是，若建設時使用了不同工藝或不同種類的原材料，那么使用該方法預測出的結果必然會產生巨大偏差，特別是如果使用的材料比較新，或工藝較復雜，那么該方式的可操作性也會降低。

3.3 加速試驗預測方法

加速試驗表示把混凝土放入侵蝕物質濃度較高的溶液內或向混凝土施加較高的應力，并提高實驗環境的濕度與溫度，以便讓混凝土結構在短時間內出現退化。這種實驗數據如果得到合理分析，就可以實現對混凝土的使用時限與性能的預測。在進行這類實驗的設計時，應該盡量保證實驗里的劣化機制等同于或類似于真實環境。實驗設計最關鍵的部分是對加速系數的確定，但是要想確定這個系數，就必須分析長期的調查數據和實際經驗，然而目前并沒有掌握足夠的數據和資料。因此如果能夠獲取所需的數據依據，就可以借助加速試驗方法實現有效預測混凝土使用年限的目標。

3.4 數學模型預側方法

借助數學模型來對使用年限進行預測在實際應用當中使用率較高，這種方式是否準確由環境與材料參數是否準確、模型是否合理決定。

3.5 壽命預測的隨機方法

上述方式都是確定性方式，然而在測評混凝土耐久性的工作當中，由于對其使用年限產生影響的所有因素都具備不確定性，所以任何預測方式可能產生偏差。比如，混凝土擴散系數、混凝土鋼筋保護層厚度等數據屬于影響的隨機變量，如果將它們作為預測混凝土使用年限的依據，得到的結果必然是一個失效概率下的時間，也就是說求出來的是某個使用年限下的失效概率大小，所以在預測混凝土使用年限時，可以引進隨機的概率法。

4 海底隧道混凝土使用壽命預測模型

通常鋼筋混凝土結構在正常大氣環境下的耐久性由鋼筋保護層厚度及混凝土碳化速度決定。如果在海洋大氣環境下，混凝土就不僅受到外界環境的碳化作用及相應鹽霧氯離子的滲透影響，由此鋼筋的耐久性和混凝土堿度、氯離子含量都有關。在海洋大氣環境中氯離子在電位差的影響下長久地滲透到混凝土中，并且空氣中的二氧化碳會對混凝土形成持續的碳化，在上述兩者的雙重作用下鋼筋腐銹及破免鈍速度加快，此時混凝土鋼筋腐蝕的速度由混凝土孔溶液堿度及孔溶液流離氯離子含量決定。通常混凝土堿度較高時能夠有效抑制氯離子含量高造成的銹蝕，混凝土堿度較低時盡管處于低含量氯離子游離狀態鋼筋也會腐銹，通常化學結合狀態的氯離子不會造成鋼筋的腐蝕，可是在混凝土碳化時化學結合態的氯離子會轉換為游離態，綜上所述，兩者的耦合作用會加快鋼筋腐蝕速度。

所以本文將［Cl-］與［OH-］定為腐蝕變量，外界的游離氯離子及混凝土碳化在海洋大氣環境下就會作用在鋼筋四周，對混凝土中微小的毛細孔道中的溶液造成鋼筋銹蝕所產生的臨界值以及經時變化的模型進行分析。假設這兩個變量共同使鋼筋達到脫鈍化臨界值如式（1）所示。

因處于閥值時氯離子滲透深度即碳化引起混凝土堿度最大時的碳化程度，氯離子滲透的混凝土鋼筋腐蝕堿度閥值較大，所以含有氯離子的混凝土會出現碳化反應還未開始 CSH 值卻已達到鋼筋銹蝕的閥值，所以下式即為經簡化的含氯離子的混凝土和鋼筋銹蝕 pH 閥值相適應碳化模型，如式（2）、式（3）所示。

根據以上方程不僅能夠求得具體不同碳化時間，沿混凝土保護層厚度方向的最大氯離子濃度值，同時可求得鋼筋銹蝕臨界狀態下的氯離子閥值，基于鋼筋腐蝕閥值與氫氧根濃度、氯離子濃度的關系方程，能夠求得氯離子和碳化作用雙重耦合下鋼筋混凝土在各個保護層厚度的最大應用年限，如式（4）、式（5）所示。

式中：k為鹽霧氯離子的質量流量（在混凝土表面上單位面積所沉積單位時間的）；Cf為氯離子含量（混凝土中）；Dcl-為氯離子表觀擴散系數（大氣條件中）。

其中，還可以進一步簡化，可以簡化為式（6）。

式中：Dcl-，0為飽和條件下混凝土氯離子擴散系數；f（RH）、f（T）、f（t）、f（C）所對應的是混凝土的相對濕度、周邊環境溫度、作用在混凝土的使用時間以及碳化深度對氯離子擴散系數影響函數，如式（7）～（9）所示。

式中：mt為對于普通混凝土可按照mt=2.5w/c-0.6 計算；對于摻工業廢渣混凝土可按照mt=0.2+0.4

式中：各符號所表示的指標為（碳化深度）；E為碳化反應活化能；R為摩爾氣體常數；T為自然碳化時的絕對溫度；T0為293K，碳化時的絕對溫度；D0CO2（ε）為碳化等因素對混凝土微觀結構孔隙率影響的二氧化碳擴散系數。

5 混凝土使用壽命預測計算

根據上述分析，混凝土耐久性主要考慮其所處的環境條件，因為在鹽霧環境下二氧化碳在混凝土中的擴散性能和混凝土的抗碳化能力，根據混凝土碳化與氯離子共同作用在混凝土上所建立的壽命預測數學模型，可以得到混凝土氯離子含量和相應氫氧根的濃度，這樣可以求解出在海洋大氣環境下，混凝土的使用壽命即為在鹽霧積聚滲透及碳化兩個因素共同作用下達到滿足結構臨界失效狀態下的使用時間。查閱相關資料如果混凝土表層按 10 mm 進行計算，考慮混凝土密度按2.39 g/c m3進行計算，表層混凝土氯離子含量達到 0.35 % 時，鹽霧沉積為 30 年，則每年鹽霧沉積量即混凝土表面氯離子質量流量為 1.17×10-4/年；表層混凝土氯離子含量達到 0.35 % 時，鹽霧沉積為 50 年，則每年鹽霧沉積量即混凝土表面氯離子質量流量為 0.7×10-4/年。因為試驗的鹽霧濃度會對碳化速度產生相應影響，影響系數考慮按 0.95，而碳化的作用使混凝土中結合氯離子處于不穩定狀態，因此不考慮氯離子結合能力不論混凝土配合比是否選擇摻粉煤灰或礦渣粉。

結合之前的分析結果，選取摻粉煤灰和礦渣粉復摻配比進行分析，在相對濕度為 70 % 時的氣體擴散系數與氯離子擴散系數進行分析計算，結果如表 1 所示。

表1 相對濕度（70 %）混凝土氣體擴散系數計算結果

從表 1 結果分析可以得出在相同的水膠比下添加粉煤灰及礦渣粉的水泥混凝土，二氧化碳擴散系數比沒有添加的小，但當水膠比較大時候添加粉煤灰及礦渣粉反而會導致 CO2擴散系數的增大；從表 2 結果分析可以得出添加粉煤灰及礦渣粉的水泥混凝土氯離子擴散系數較小，但當受到外界腐蝕后，氯離子擴散系數增長較快。可以得出在較小的水膠比條件下，添加粉煤灰及礦渣粉的水泥混凝土具有較好的耐久性能。

表2 氯離子擴散系數計算與測試結果

通過對混凝土使用壽命預測方法的分析、預測模型的選取及預測模型的計算得出：

1）結合翔安海底隧道的環境，選取基于氯離子滲透和碳化共同作用的預測模型；

2）在較小的水膠比下，添加粉煤灰及礦渣粉的水泥混凝土具有較好的耐久性。

6 海底隧道運營期管理要點

從前面研究結果表明，海底隧道耐久性與碳化深度、氯離子濃度、pH 值等有關，為了保證翔安海底隧道達到設計年限，需加強運營期間的管理，具體包括以下幾點。

1）通風系統管理。選取合適的通風方式和通風機，保證隧道內氣體流通，減少二氧化碳等有害氣體濃度，減少有害氣體對二襯混凝土的侵蝕。

2）加強排水通道的檢修。地下排水通道需定期檢修，避免排水不暢引起水對混凝土的侵蝕。

3）隧道防水耐久性的檢查及監控。海底隧道的外界工作環境長期處在高水壓的狀態，周圍地下水及滲透的海水會對隧道錨桿及混凝土產生較大的腐蝕作用，因此可能引發：隧道襯砌混凝土和錨桿等結構長期在高滲透海水的腐蝕作用下、周邊地下水滲流場會因為隧道混凝土襯砌受高水壓作用及防排水措施設計以及施工的缺陷造成改變。因此必須定期進行檢查，及時發現隧道防排水異常，及時采取有效的控制措施，減少危害的產生。

7 結語

本文通過研究建立海底隧道二襯混凝土壽命預測模型，分析確定影響腐蝕變量的關鍵因子，對混凝土碳化及氯離子滲透作用于混凝土造成鋼筋銹蝕的臨界值及其經時變化模型進行分析，推算該結構的使用壽命，具有很好的意義。在混凝土配合比設計階段充分考慮高性能耐久性的因素，同時在混凝土生產、運輸、澆筑等過程進行有效控制，最后通過對運營期的有效管理，采取多方面的管理和控制措施，隧道運營效果良好，滿足預期壽命的要求。當然為了實現本項目百年大計的目標，尚需持續監測工程運營過程的相關技術參數，不斷優化壽命預測模型的可靠性。Q