海底隧道耐久性探讨

菅 磊

随着社会经济的高速发展，人类对空间的开发利用呈现出加速趋势，继发达国家之后，我国海底隧道的建设也掀开了新的一页，厦门翔安隧道已经建成通车，青岛胶州湾隧道正在施工，港珠澳大桥工程项目中的海底隧道即将开始施工，大连海底隧道也在做前期工作。为了实现工程的使用价值，各工程项目都对使用年限提出了要求，当前我国重大工程项目设计使用年限一般是100年，如何保证隧道的耐久性，达到隧道的设计使用年限要求，还值得进一步深入研究。

1 海底隧道耐久性分析

隧道的安全稳定是支护结构作用的结果，因而支护结构的耐久性是保证海底隧道耐久性的前提，研究海底隧道的耐久性应从研究支护结构的耐久性入手。

1.1 初期支护耐久性分析

对于复合衬砌，初期支护由锚杆、拱架、钢筋网和喷射混凝土构成，海水对结构中的钢材腐蚀速度是影响初期支护耐久性的主要因素，钢筋锈蚀后膨胀会导致混凝土开裂、钢筋与混凝土之间粘结力破坏、钢筋受力截面减小、结构耐久性能降低等一系列不良后果[1]。当前的隧道设计中，为了提高支护结构的耐久性，普遍采用高性能抗渗混凝土，目的是减少混凝土中的孔隙，进而减少海水中氯离子的侵入。为了提高混凝土的抗渗性，翔安隧道在建设前期进行了抗渗性研究，按照初期支护抗渗等级大于P8、二次衬砌抗渗等级大于P12的要求进行了混凝土配合比设计。应该说这个思路是好的，但由于隧道施工工艺的复杂性，施工环境较差，施工人员素质参差不齐，再加上我国劳动力素质普遍较低，实际施工中很难保证混凝土的抗渗性。比较有代表性的原因有以下几点:1)由于喷射混凝土角度把握不好，型钢拱架背后和侧面局部喷射不到位，混凝土内部产生空洞;2)有时为了尽快封闭围岩以确保安全，来不及将拱架背后处理好，导致拱架背后混凝土保护层厚度不足，甚至没有保护层;3)在围岩及其他外力作用下，初期支护往往存在局部开裂变形，形成地下水渗入通道;4)对于软弱围岩中分部开挖的隧道，拱架连接处往往存在渣土清理不干净的现象，导致初期支护混凝土内部夹杂着泥土。

由于以上种种原因，很难保证初期支护混凝土密实，虽然施工过程中对喷射混凝土的抗渗性进行了检测，但目前的检测方法是对喷到大板上的混凝土样品进行检测，不能代表初期支护混凝土实体的抗渗性，很多隧道初期支护严重渗水的事实证明了这一点。因此，构成初期支护的钢拱架、钢筋网和混凝土有相当一部分长期在具有严重侵蚀性的海水环境中工作，要研究初期支护的耐久性就要研究初期支护长期浸泡在海水中的耐久性，而不是混凝土的抗渗等级达到P8时的耐久性。

但值得指出的是，由于混凝土结构中钢结构的腐蚀属于电化学腐蚀，腐蚀过程需要氧气的参与，而在海底地层及初期支护结构的孔隙中是饱水的，氧气含量十分有限，因而初期支护结构中的钢材腐蚀较轻。

1.2 二次衬砌耐久性分析

对于二次衬砌混凝土，由于先期对初期支护渗水进行了处理，加上防水板的保护，能够进入二次衬砌范围的水量较少，如果再采取排水措施，则进入二次衬砌混凝土内部的海水少之又少。同时，二次衬砌作业环境和施工工艺相对初期支护要好得多，混凝土的密实度能够得到保证，进入二次衬砌混凝土内部的水非常少，加上混凝土内部缺氧，海水对二次衬砌中部及外侧的腐蚀作用很小，因此二次衬砌内部及外侧的耐久性可以得到保证。但是，在二次衬砌内侧，混凝土暴露于潮湿的海洋大气中，大气中的CO2导致混凝土碳化，Cl-对衬砌钢筋产生腐蚀，汽车排放的热量使腐蚀加快。研究表明[2]，温度每升高10℃，腐蚀反应速度增加1倍。如果混凝土保护层厚度不足或混凝土表面有裂缝，则会加快钢筋的腐蚀，钢筋腐蚀后体积膨胀导致外层混凝土开裂甚至剥落，因而大气环境对隧道内侧的腐蚀程度显著严重于海水对隧道外侧的腐蚀。美国、日本、欧洲等国家将海水环境混凝土结构暴露部位划分为三个区:大气区、浪溅区、水下区。浪溅区钢筋腐蚀破坏最为严重，其次是大气区，水下区几乎不会发生钢筋腐蚀破坏[3]。隧道内侧的防腐应作为重点。

1.3 预制钢筋混凝土构件衬砌的腐蚀

对于沉管隧道和盾构隧道等由预制构件拼装而成的衬砌结构，预制构件工厂化施工条件较好，如果质量控制得好，能够有效防止海水中的氯离子进入钢筋混凝土结构内部，但运输和拼装环节仍可能对构件造成破坏，如果拼装质量不好，也会导致海水渗入，并且预制构件也会存在钢筋保护层厚度不足的问题，因而宜对衬砌结构实施防腐处理，减少有害气体和氧气进入混凝土内部的通道。

2 提高衬砌结构耐久性的措施

目前我国隧道耐久性设计普遍采用高性能混凝土，对其他措施重视还不够，在我国目前的施工管理水平下，仅仅采用高性能混凝土一种措施是不够的，因为混凝土裂缝不同程度地普遍存在着，如果将希望寄托于维修措施，处理费用是很庞大的，因而应该在隧道设计上增加一些防腐措施，可行的途径有以下几种:

1)加强初期支护，让初期支护承担更多甚至全部荷载，二次衬砌作为安全储备。这样一方面可以加强早期支护，减少初期支护裂缝的产生，确保隧道施工安全，另一方面由于初期支护环境中氧气含量极少，结构不易腐蚀，可以有效提高结构的耐久性。2)针对隧道衬砌结构腐蚀的原因，参考海港工程防腐设计的经验，采用硅烷浸渍、环氧涂层钢筋、钢材阻锈剂等措施对衬砌钢筋进行防腐处理[4]。3)对混凝土进行饰面保护。根据以上的分析，隧道内侧大气环境中的钢筋混凝土较易腐蚀，尤其是钢筋保护层厚度不足和表面裂缝是混凝土施工质量通病的情况下，在钢筋混凝土衬砌表面喷射一定厚度的环氧涂层，封闭混凝土表面裂缝，减少表面孔隙，阻止氧气和有害气体的进入，不仅可以对内侧钢筋混凝土具有防腐作用，对外侧的支护结构也具有很好的防腐作用。这种措施比较有针对性，简单易行。

3 结语

由于海底隧道维修困难，维护费用高，应在建设阶段对耐久性给予足够的重视，在技术经济比较的基础上采取一切可行的手段保证耐久性的实现，防腐蚀耐久性设计应遵守保证混凝土结构在设计工作寿命期的安全、正常使用功能及可接受的外观，而不需支付过高维修费的原则。随着我国对海底隧道研究的不断推进，防腐研究也应列为重点研究课题之一。

[1] 胡红梅.海底隧道衬砌混凝土抗蚀影响因素分析与模拟[J].武汉理工大学学报，2007(3):10-12.

[2] 杨建森，何党庆.钢筋混凝土中钢筋腐蚀的化学机理与防腐措施[J].宁夏大学学报(自然科学版)，2001(20):8-10.

[3] 潘德强.海水环境中混凝土结构防腐蚀耐久性设计[J].水运工程，2001(8):15-17.

[4] JTJ 275-2000，海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范[S].