隧道混凝土硫酸鹽侵蝕病害分析與防治措施

摘要：隧道混凝土結構在長時間經受硫酸鹽礦物質地下水的侵蝕作用下，易產生結晶分層、疏松剝離，進而導致結構強度下降，對隧道的正常使用和運營構成威脅。結合隧道硫酸鹽侵蝕病害特性展開分析，針對硫酸鹽病害侵蝕作用下隧道實施地下水防治加固治理，在借助原有混凝土結構承載作用基礎上，根據劃區防治、因地制宜的準則，綜合分析應用硫酸鹽混凝土套拱加固技術，建立系統的硫酸鹽病害加固防治措施，制定已滲漏部位處置方案，實現混凝土結構穩定性提升。

關鍵詞：隧道混凝土；硫酸鹽侵蝕；二次襯砌；防水處理

0" "引言

我國地質情況復雜，在混凝土結構隧道工程中常遇到硫酸鹽等侵蝕性地質條件，混凝土結構受地下水硫酸鹽長時間侵蝕，會發生開裂、沉降、起拱等病害，從而影響結構穩定性[1]。因此應合理應用加固防治技術措施，通過基礎面處置、蓋設防水板、混凝土二次襯砌、滲漏部位處置等管理、技術手段消除隧道滲漏病害，提升混凝土結構安全等級，實現安全、經濟及環保的運營使用標準。

1" "隧道硫酸鹽侵蝕病害特性分析

在因內外部環境及內部材質的物化作用下，混凝土組成原材料的水化物會形成分解反應，使其交替粘結劑功能失去功效，進而引發潰散、脫落現象，此類混凝土材料劣化的情況被稱為混凝土侵蝕[2]。混凝土硫酸鹽侵蝕的形成，是一系列復雜的物化侵蝕反應過程。其形成實質是富有SO2-的地下水，經過流體表層細微縫隙流入到混凝土固化結構中，同混凝土材料中含有的相應水化物分子產生化學作用，生成了石膏及鈣礬石等物質。此類化學反應產生物質一旦與其他水化物分子相互作用，在結晶結構中形成解析，并遭受介質外力的擠壓作用，其混凝土結構細小裂縫會形成擴大，發展成較大結構裂縫，形成混凝土病害，影響隧道的日常運營和應用。

作為隧道混凝土結構侵蝕病害的主要誘因，硫酸鹽侵蝕形成分為物理侵蝕、化學侵蝕兩類[3]。物理侵蝕是地下水通過蒸發作用，使其內部硫酸鹽移至混凝土背水側。隨時間增加，混凝土孔隙中硫酸鹽含量提升，到達飽和門限時，混凝土的孔隙處及襯砌面位置會形成結晶分層。結晶形成時，體積會隨之增大產生膨脹作用力效果，使混凝土內部結構受力產生裂縫。

化學侵蝕是混凝土中元素同地下水氧化硫元素發生化學反應，形成二水石膏及鈣礬石，導致混凝土固相體積增加。膨脹產生的內壓力擠壓作用，導致疏松破壞混凝土內部結構，影響正常使用壽命。硫酸鹽物理侵蝕形成結晶如圖1。硫酸鹽化學侵蝕溶蝕圖2所示。

導致隧道混凝土結構侵蝕病害的因素有很多，如：混凝土澆筑密實度不符合要求、仰拱成型度不規范、回填微膨脹防腐效果不達標等。加之機動車重力載荷的持續作用，使得含有腐蝕元素的地下水通過混凝土毛細空隙進入內部結構，都會加速地下水侵入混凝土，形成水腐、水浸物化反應，破壞隧道混凝土襯砌受力及基底結構[4]。由于侵蝕而導致的混凝土細集料軟化及缺失、結構膨脹腐蝕，會降低底部承載力效果，進一步加速形成隧道襯砌面的塌陷、凸起及開裂。

2" "硫酸鹽病害加固防治措施

根據硫酸鹽對隧道混凝土腐蝕特征分析，主要是針對地下水的防護治理完成混凝土支護結構加固。通過采用中埋式止水帶及全包防水模式，阻斷地下水從隧道圍巖縫隙流至二次襯砌混凝土，并通過在混凝土中添加中抗硫酸鹽水泥、抗裂防水劑、粉煤灰等外加劑，優化配比設計，達到提高隧道耐久度的效果。硫酸鹽病害加固防治措施具體，可從混凝土初期支護處置、配置裝配防水板、鋪設止水帶、混凝土襯砌施工質量控制等方面展開。

2.1" " 混凝土初期支護處置

如混凝土初期噴射表面集中出現滲水，應通過灌漿止水法處理。灌漿材料主要應用水玻璃與超細水泥混合漿液，實際漿液配比應參照具體圍巖滲漏情況進行適當調配，以達到最優止滲效果[5]。

如果滲漏水壓較高、圍巖縫隙較小，可選擇水溶聚氨酯材料制漿。漿液實際凝結時間應參考滲漏情況，通過調整凝固外加劑摻入比例進行控制。如果混凝土初期支護處理后外表面存在裸露的鋼筋、錨桿等堅硬物，應先進行切除操作，控制螺頭位置保留5mm，打磨、錘鉚平整后蓋塑料帽，再實施砂漿分層噴涂，控制噴涂層與防水層的貼合程度。對于補噴混凝土初期支護存在凹凸不平位置，避免破壞防水板，并控制操作滿足后續混凝土二次襯砌設計尺寸規范。

實施混凝土噴射過程中，噴射方向應與噴射面呈90°直角，以有效增加混凝土噴射的密實效果，降低施工動能損耗。根據設計標準嚴格控制噴射速凝材料的使用劑量，避免少噴和漏噴等情況。在完成混凝土噴射施工并定型后，應對混凝土實施必要的養護，通過控制水分在空氣中的蒸發流失速度，避免混凝土表面出現結構裂縫、疏松等病害。

2.2" " 配置裝配防水板

2.2.1" "合理確定防水板規格

防水板的選取應參照隧道圍巖的等級、膨脹性、軟化性、巖體節理等參數。以Ⅳ級泥巖圍巖為例，通常其膨脹性較小，遇水軟化明顯，具備水平節理特征。此類型圍巖可應用以凸狀防水板與聚酯無紡布為主材建立的分離模式全斷面排水體系，凸狀防水板外表面有凸狀顆粒，構成排水裝置，地下水砂泥經過聚酯無紡布過濾后，經過凸狀顆粒構成的排水縫排出，流入排水溝。注意：應避免使用透水盲管及復合防水板，以免地下縫隙水中泥沙堵塞盲管，影響排水效果。襯砌地下水清排處理如圖3所示。

2.2.2" "鋪裝防水板控制要點

利用專用鋪掛操作臺車實施防水板鋪裝，鋪裝好無紡布后，實施防水板掛裝。攤鋪無紡布過程中應使用射釘固定，并利用塑料或金屬材質的墊片作保護處理，避免拉拽破壞。混凝土二次襯砌與鋪裝防水板實施應控制間隔，鋪裝按先隧道拱部后邊墻的順序實施，對防水板邊緣采用雙縫焊接處理。使用墊片實施固定處理，保證板間搭接表面的平整、順滑，避免出現縫隙、褶皺。如需平整應通過初期支護處置操作步驟處理。鋪裝完成的防水板應進行防護處理，避免外界機械等損壞防水板。

2.3" " 鋪設止水帶

隧道混凝土襯砌預留的沉降縫和施工縫位置應鋪設止水帶，保證止水帶質量和規格。如鋪設止水帶仍存在滲水，應實施封堵注漿操作[6]。止水帶鋪裝過程中應做防護處理，避免被鋼筋等堅硬物體損壞，如存在損壞應及時處理修繕。

止水帶應做固定處理，避免混凝土澆筑時位置移動。混凝土澆筑完成后實施振搗，并保證振搗時長，保證止水帶底部縫隙、氣泡完全排出，使混凝土與止水帶貼合密實。止水帶接頭處理方式應依參照具體止水位置與止水帶材質確定，橡膠材質接頭應使用復合接或搭接處理，保證縫隙寬度在50mm以上。

2.4" " 混凝土襯砌施工質量控制

為達到隧道設計耐久時間、防滲等級和防腐蝕效果，可在混凝土襯砌實施過程中，應用中抗硫酸鹽水泥替換常規水泥，通過適當摻入防水防裂外加劑提升防腐抗滲效果。摻入比例參考凝固外加劑總量的約6%的比例實施。

2.4.1" "確定混凝土配比

依據隧道混凝土耐久度規范，以地質等級為硫酸鹽侵蝕H2級，抗腐蝕系數大于0.8，電通量系數低于1200的圍巖為例，混凝土設計強度系數應為C35。混凝土材料選取一級粉煤灰、中抗硫酸鹽水泥、防裂防水外加劑、高效緩凝減水劑及設計規格質量的粗細骨料。

正式拌和前應經過實驗試配驗證，確保其符合設計要求的耐久效果、含堿比例等參數，使得混凝土原料與外加劑保持良好的相容效果，無性能降低反應；同時充分參考混凝土28d強度等級及56d電通量標準。經過多次技術性、經濟性對比選配，選擇最優材料配比。在混凝土二次襯砌實施完畢后，應針對混凝土強度、電通量等參數，應用鉆芯取樣法實施同條件檢驗，保證參數與工程設計參數相符[7]。

2.4.2" "混凝土襯砌作業要點

隧道混凝土襯砌施工時，應配備對應體量的自動化計量、調控混凝土拌和站。混凝土通過專用運輸車裝運，泵送灌模，二次襯砌使用液壓襯砌臺車機。在隧道初期支護質量狀況穩定、初期支護滲水清排操作完成、排水板密實牢靠的前提下，實施混凝土二次襯砌。實際實施工序應按先襯砌仰拱位置，再一次性定型澆筑拱、墻。澆筑模具應保證裝配牢固、貼合密實，避免澆筑時出現漏漿、移模情況。模具拆除時應保證混凝土接觸面光滑、平整，為后續混凝土襯砌建立優質作業面基礎。

混凝土遭受侵蝕的原因和影響程度，由于其發生部位不同而存在差異 [8]。地面與襯砌層接觸位置易產生碳硫硅鈣石物質，對此應通過配置防腐抗滲混凝土處理，并配合涂抹防滲材料，控制碳硫硅鈣石物質的產生，避免此類混凝土結構形成擴散態勢，提高混凝土防滲效果。

實施抗滲防腐混凝土處理過程中，可配合通過縮小骨料粒徑密度或摻入丙烯酸乳液的方式，提升混凝土抗干縮效果，以達到混凝土抗侵蝕效果。針對混凝土襯砌表層的侵蝕控制措施，應通過控制混凝土自身結構和表面侵蝕接觸環境實現。混凝土自身結構控制主要通過提升混凝土密實效果和強度實現。混凝土表面侵蝕環境控制，主要通過在地下水同混凝土接觸面位置設置防滲材料，降低SO2-的流動和滲入效果，易維持混凝土內部結構中水化物的形態穩定。此外，還可以采取優選混凝土材料優選、加入摻礦物摻合料、科學進行混凝土養護等措施。

3" "局部滲漏部位處置措施

完成隧道二次襯砌后，如排查仍存在混凝土局部位置滲漏點，應分析滲水情況及成因，才氣以疏通為主、疏通封堵相結合的模式治理。針對滲水不嚴重位置，應在滲水處利用專業注漿機械實施注漿封堵處理。根據滲水程度配比水泥水灰比，通常水灰比為1：2，并按適當比例摻入水玻璃摻料。一般按水泥用量的3%比例摻入水玻璃摻料。襯砌裂縫注漿封堵如圖4所示。

針對滲水面較大位置，應使用割槽埋管法實施滲水排堵。定位滲水點，在滲水處最上方位置開槽口，垂直割槽直至連通排水溝。利用排水管將地下滲水引流至排水溝，完成后利用水泥砂漿封堵槽口，并做找平處理。

4" "結語

硫酸鹽類侵蝕性地質條件對隧道混凝土結構危害較大，易形成開裂、沉降、起拱等病害，影響隧道結構穩定性和正常使用功能。本文結合隧道工程實際，在綜合分析硫酸鹽混凝土硫酸鹽侵蝕病害的基礎上，將套拱加固技術與原有混凝土結構承載相結合，形成以基礎面處置、蓋設防水板、混凝土二次襯砌、滲漏部位處置等工序于一體的隧道混凝土硫酸鹽病害加固防治措施體系，明確實施要點，以提升隧道混凝土結構安全使用等級。

參考文獻

[1] 徐林生，陳揚勇，王遠，等.公路隧路面工程病害實用處置技術研究[J].中外公路，2016，36（6）：66-68.

[2] 田正，劉寶華.公路隧道疊合式套拱加固技術研究[J].公路，2021，（2）：339-344.

[3] 秦洲，田正，劉燕鵬六盤山隧道維修加固方案研究[J].筑路機械與施工機械化，2017，34（5）：82-88.

[4] 馬楠，王琳，李迎樂.干濕交替機制下PVA纖維增強混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能試驗研究[J].中國測試，2021，47（7）：142-147.

[5] 李軍，敬遠兵.公路隧道路面工程病害實用處置技術研究[J].建筑技術開發，2020，47（19）：2.

[6] 姜騫，石亮，劉建忠，等西南某隧道襯砌混凝土中的硫酸鹽腐蝕破壞分析及對策[J].隧道建設，2016，36（8）：918-922.

[7] 張萌.硫酸鹽腐蝕對混凝土微觀結構特征的影響研究[J].硅酸鹽通報，2020，39（4）：1160-1165.

[8] 渠亞男，李享濤，仲新華，等.隧道噴射混凝土硫酸鹽侵蝕破壞分析及對策[J].鐵道建筑，2019（1）：55-58.