探究基于耐久性的地鐵結構設計要點和措施

嚴若明，武天宇

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

1 引言

地鐵與其他地下建筑以及地面建筑不同，受所處位置、功能要求以及施工工藝等因素影響，地鐵結構在耐久性方面具有特殊要求。地鐵結構通常埋深在十幾米以下，地鐵車站以及隧道內部二氧化碳濃度較高，地下水豐富，并含有大量有害離子，這些因素均會對地鐵結構產生影響。此外，地鐵建成投入運營后，會產生較強的雜散電流，對于地鐵結構的鋼構件會產生腐蝕作用，降低地鐵結構強度。考慮到影響地鐵結構耐久性的因素較為復雜，因此，在設計中必須把握主體結構及圍護結構設計等關鍵點，從而提高地鐵結構的耐久性。

2 影響地鐵結構耐久性的因素分析

2.1 雜散電流

目前，我國地鐵車輛采用的是直流牽引機車，在直流供電系統中，地鐵軌道被用作電流回流軌道，電流由變電站流出，然后經過牽引網，最后通過回流軌道流入變電站。而大地與地鐵軌道間無法實現完全絕緣，電流經過地鐵軌道流入變電站的過程中會向地鐵結構中的鋼構件、道床以及其他金屬部件泄漏，這部分電流稱之為雜散電流或迷流。相關研究表明，雜散電流對于鋼構件、混凝土結構均會產生較強的腐蝕作用，嚴重影響地鐵結構的耐久性。

2.2 混凝土碳化作用

混凝土水化過程中，內部的水溶液會逐漸轉化為氫氧化鈣飽和溶液，這是一種強堿性溶液，會在混凝土內部的鋼筋表面形成一層鈍化膜，對鋼筋起到保護作用。但是混凝土水化過程中受其他因素的影響，會導致混凝土內部并不完全密實，還會存在部分空隙、氣泡，這就為二氧化碳進入混凝土內部提供了通道。當二氧化碳進入混凝土內部結構后，會溶解于孔隙水當中，并生成酸性物質，這會導致混凝土pH 值降低，破壞混凝土內部鋼筋表面的鈍化膜，進而導致鋼筋被腐蝕，而鋼筋腐蝕則會導致混凝土結構出現裂縫，影響混凝土結構強度與承載力。

2.3 氯離子侵蝕

氯離子是一種作用較強的去鈍化劑。若鋼筋表面氯離子的濃度過高，超出臨界點，氯離子就會侵入鋼筋表面的鈍化膜，并與鐵離子產生化學反應，生成氯與鐵化合物，這會導致鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞，從而造成鋼筋腐蝕，破壞混凝土結構。硅酸鹽水泥中僅有少量氯化物，但混凝土外加劑中通常含有較多的氯化物，此外，鹽堿地區、近海地區以及需要采用氯鹽除冰地區，土壤環境中會存在較多氯離子，受氯離子侵蝕作用，地鐵結構的耐久性會受到較大影響。

2.4 施工因素

施工因素也可以說是人為因素。由于地鐵結構施工具有一定的特殊性，要先進行圍護施工，后進行主體施工，而且施工環境均處于地下十幾米，因此，在施工過程中若現場管理不善、操作不當，均可能產生質量隱患，進而對地鐵結構的耐久性產生影響。比如，因地鐵結構整體性較差引發的不均勻沉降、防滲處理不當造成的漏水、混凝土結構養護不當導致溫度應力過大等，這些因素均會影響到地鐵結構的耐久性。但施工因素的影響可以通過構建完善的質量管理體系、運用先進的施工技術等手段消除，屬于可控因素。

3 基于耐久性的地鐵結構設計要點分析

3.1 控制影響耐久性的因素

上文分析了影響地鐵結構耐久性的因素，除施工因素需加強施工環節質量管控外，其他影響因素均需在設計階段采用相應的防控措施，具體如下：（1）對于雜散電流造成的鋼筋腐蝕問題，在地鐵結構設計階段可考慮在回流軌地鐵軌道上增加排流網密度，以防止雜散電流流散。同時，針對回流軌附近的鋼筋或其他金屬部件，可考慮摻入抗腐蝕材料，以抵御雜散電流的影響，增強該部位鋼筋抗腐蝕性能。對于回流軌周圍的混凝土結構，可根據結構形式以及環境特征合理設計結構參數，并在混凝土結構外側增設防腐蝕涂層，進而降低雜散電流的影響[1]。（2）針對混凝土碳化作用的影響，在地鐵結構設計階段，可根據碳化理論預測碳化作用的影響。當碳化深度達到鋼筋表面也就是混凝土保護層厚度時鋼筋開始腐蝕，相反，若確定了混凝土保護層厚度就可以反推出鋼筋開始腐蝕前的結構壽命，這樣就可以在設計階段根據項目設計標準確定混凝土保護層厚度，從而控制混凝土碳化作用的影響。

3.2 合理選擇材料

在地鐵結構設計過程中，要滿足耐久性要求，則必須要考慮材料因素，合理選擇材料是確保地鐵結構耐久性的重要手段。影響地鐵結構耐久性的主要材料為鋼筋與混凝土，因此，對這兩種材料的選擇極為關鍵，首先，關于鋼筋材料的選擇，需要考慮到雜散電流、氯離子侵蝕以及地下水腐蝕等因素，要求鋼筋材料必須具備良好的抗化學腐蝕性能、抗電化學腐蝕性能，從而提高鋼筋材料的耐久性。其次，關于混凝土材料的選擇，需要重點考慮3 方面的因素：（1）要確保所選擇的混凝土材料在澆筑施工過程中因水化熱所產生的溫度應力在允許范圍，以防止混凝土出現裂縫，影響混凝土結構的耐久性，同時，要求混凝土材料具備良好的抗滲性能[2]。（2）為減少混凝土結構內部空隙及氣泡，確保混凝土內部結構密實，選擇混凝土材料時要考慮材料的堿活性，確保混凝土材料具備良好的性能，從而降低混凝土碳化作用的影響，提高混凝土結構的耐久性。（3）由于地鐵運行環境差異性較大，且土壤中也存在較多的侵蝕物，為此，提高混凝土性能也非常關鍵，具體可選擇骨料以及減水劑等最大限度地降低混凝土水膠比例。

3.3 優化地鐵結構構造設計

在地鐵結構構造設計方面，從耐久性角度考慮，需要在確保設計效果的基礎上最大限度地優化地鐵結構構造設計。具體而言，需要考慮以下幾方面：（1）在地鐵結構構造設計上，要充分確保構件的均勻性，盡可能減少棱角，從而有效控制混凝土結構的荷載應力與收縮應力。由于地鐵結構通常為長條形結構，因此，需要合理設計縱向鋼筋的布設，同時，要根據地下環境以及項目設計要求合理確定混凝土保護層厚度，從而確保混凝土結構耐久性。（2）在地鐵結構各部分構件設計上，要確保構件形態的合理性，盡可能地避免構件附近出現有害物質或地下水聚集，若有必要應做好排水設計。（3）要考慮到當地鐵局部結構被破壞后整體結構的耐久性，尤其是易受到侵蝕的局部結構，應盡可能弱化這部分結構與整體結構的關聯性，從而確保地鐵整體結構的耐久性。

3.4 科學設計地鐵結構施工方案

科學的地鐵結構施工方案設計能夠有效控制施工因素對地鐵結構耐久性的影響，因此，設計人員要高度重視施工方案設計。比如，混凝土結構施工方案設計可以采用分層澆筑的施工方式，以降低混凝土澆筑施工過程中因水化熱所產生的溫度應力[3]，保障混凝土澆筑施工質量，防止混凝土結構產生裂縫，能夠避免內部鋼筋被腐蝕，提高混凝土結構耐久性。對于裸露在空氣環境中的金屬構件，為防止受到雜散電流、水汽以及其他有害物質的侵蝕，可以在構件表面增加防銹蝕涂層，以提高金屬構件的抗腐蝕性能。

4 基于耐久性的地鐵結構設計措施

4.1 圍護結構

地鐵工程施工過程中應先進行圍護結構施工，這是開展后續施工活動的基礎和保障，因此，地鐵圍護結構設計極為關鍵。目前，使用較為廣泛的地鐵圍護結構類型較多，不同形式的圍護結構側重點有所不同，在具體設計過程中，需要重點考慮以下幾方面：（1）圍護結構的形式必須契合施工區域的地質條件特征，比如，軟弱地層和常規地層所采用的圍護結構就有較大差異，這樣才能確保圍護結構能夠適應施工環境，保障施工安全。（2）圍護結構設計要具備可行性，即圍護結構設計在特定施工環境下可以順利實施，不僅使其所受到的限制性較小，還可以起到良好的支護效果。（3）圍護結構設計要符合項目防護等級，充分考慮到地表沉降等多種因素影響，有效保障施工安全。（4）圍護結構設計要考慮到經濟性與技術性，要在確保圍護結構耐久性的基礎上盡可能控制圍護結構成本，盡可能采用先進技術手段。

4.2 主體結構

針對地鐵主體結構，在具體設計時，設計方案需要從安全、經濟、施工方便性等方面進行對比。地鐵主體結構施工中選擇現澆混凝土框架式施工方式，在結構布局上，以平臺寬度作為重要參照標準，實現結構布局同平臺寬度的密切結合。而最為核心的問題就是地鐵主體結構的耐久性問題，地鐵工程設計使用年限為100 a，因此，主體結構設計與圍護結構設計不同，圍護結構屬于臨時性工程措施，而主體結構則直接關系到地鐵工程的運營使用壽命。因此，主體結構設計要將耐久性作為重要衡量指標，考慮主體結構形變、結構沉降、結構破壞等方面，并在設計環節解決這些問題，充分滿足地鐵主體結構耐久性要求。

4.3 圍護結構和主體結構的作業方式

關于圍護結構和主體結構的作業方式，目前，比較常用的有單一墻與復合墻兩種結構，兩種結構各有優劣，具體需要根據地鐵工程實際情況以及施工需要進行選擇。單一墻結構的構造相對比較簡單，由于其不需要增加內力構件，因此，對于內外鋼筋的強度要求較低，整體施工成本相對較低。在實際設計過程中，根據結構耐久性要求，需要考慮到預留鋼筋的設計，同時，也要考慮到墻體結構的密實性，確保其具備良好的抗滲性能，針對關鍵節點或部位還需要增加防水設計。單一墻結構最大的缺陷在于耐久性相對較差，從耐久性設計角度考慮，在圍護結構與主體結構中一般不采用單一墻結構，但若是以地下連續墻作為擋土墻的單一墻結構，再增加防水設計，也能使單一墻結構具備較好的耐久性。復合墻結構在地鐵圍護結構和主體結構中使用相對比較廣泛，其在結構耐久性方面相較于單一墻結構具有明顯優勢。若地鐵圍護結構和主體結構對耐久性具有特殊要求，復合墻結構還可以通過增加永久性抗浮構件與抗力構件來提高結構耐久性等級，這也是復合墻結構被廣泛采用的重要原因。

5 結語

綜上所述，隨著我國城市化進程不斷加快，城市規模不斷擴張，人口急劇增加，交通壓力必然越來越大，因此，地鐵將成為大中型城市緩解城市交通壓力的必然選擇。而在地鐵結構設計中，耐久性是需要重點考慮和研究的問題，這直接關系著地鐵的運營安全以及使用壽命，設計人員需充分考慮影響地鐵結構耐久性的因素，并通過對設計方案進行優化與完善來提高地鐵結構耐久性。