海底隧道二衬结构混凝土质量控制研究

张瑞国

（华东交通大学土木建筑学院中铁十八局一公司）

海底隧道二衬结构混凝土质量控制研究

张瑞国

（华东交通大学土木建筑学院中铁十八局一公司）

随着修建水下隧道的长度、深度和难度的加大，人们开始着手从事海底隧道的研究，兴建海底隧道已是世界各国海底交通发展的必然趋势。在隧道修建阶段开展二衬结构混凝土的质量控制技术研究，通过改善施工工艺和进行工程质量控制，提高二衬混凝土的质量具有重要的经济效益和社会效益。

海底隧道；二衬混凝土施工技术；质量控制技术

1　绪论

海底隧道最早的修建历史可以追溯到19世纪中叶的英国泰晤士河水下隧道，该隧道也是首次采用盾构工法施工，在隧道修建历史上有里程碑的意义。后来修建的水下隧道不胜枚举，随着修建水下隧道的长度、深度和难度的加大，人们开始着手从事海底隧道的研究，兴建海底隧道已是世界各国海底交通发展的必然趋势。考虑到海底隧道在建设和运行中所处的外部环境，海水侵蚀、水压增大都会对隧道的安全稳定造成影响，其隧道支护结构的稳定对其建设过程有着重大影响。在隧道修建阶段开展二衬结构混凝土的质量控制技术研究，通过改善施工工艺和进行工程质量控制，提高二衬混凝土的质量具有重要意义，对隧道支护方案的安全论证具有积极作用。

2　混凝土建筑物的耐久性研究

混凝土建筑在耐久性上根据不同地区以及不同自然环境的影响，在数值上会有较大的差别。西方国家对混凝土建筑在耐久性上的表现做了长时间的研究，并根据其可能发生的隐患做了各种修缮和维护的技术方案。根据研究表明，混凝土建筑在耐久性上受到结构设计、施工工法和管理手段多个因素的影响，而不同的施工工艺也对混凝土的耐久性起到重大影响，合适的材料比例和工法的选择能够提高其耐久数值，从维持建筑的稳定性和安全性上来说，提高混凝土耐久性是一项具有积极意义的长期课题。

关于混凝土建筑物耐久性研究我国从上世纪中叶就已经开始，结合我国工程实例中发生的建材锈蚀等问题，如何提升混凝土的耐久性一直是土木学界的关注话题之一。由国家科委组织以解决土木和水利工程中安全耐久问题为目的的基础研究自1995年开始启动，该项目由国内众多高等院校参与，多年来在理论取得了诸多突破，在工艺方法上的改进也提升了混凝土建筑的稳定性。

而相比地面建设的混凝土耐久研究，我国在地下，特别是海底建筑的研究还处于开创阶段，由于海底隧道面临的环境因素更为复杂，如何完全参照地面标准则会有很多指标上的差异。因此，结合海底各项地质指标，加强海底建筑混凝土耐久性的研究，是当前研究中较新的领域，随着我国海底工程的日渐兴起，值得在该方向上投入研究。

3　关于道路以及隧道混凝土结构的防水研究

作为混凝土结构中较为特殊的一类，地下建筑需要在防渗漏上花费较大的精力，如日本在海底隧道的建设中，对于防水问题就进行了多种工艺上的创新，并在设计标准上做了很大的推动。在青函海底隧道的建设中，日本工程人员采用了复合防水技术对渗透问题做了预防，主要是采用衬砌防水膜的材料进行防水防漏，同时还用异丁基橡胶止水板中间夹钢片的形式来弥补混凝土缝隙漏水的问题，在该海底隧道施工还在混凝土模块中预留了嵌缝槽以防止之后的漏水事故的发生，为隧道混凝土工程防水工艺提供了借鉴。美国、英国等在地下防水工程的工艺中主要采用了膨润土修补的形式，或者采用膨润土防水板，对混凝土渗漏状况解决较好，该类复合防水技术方法对水下工程混凝土防水问题有比较好的针对。

在我国的公路以及隧道工程的建设中，主要采取地面建筑中防水工艺的经验，例如采用衬砌结构自防水的方式，通过抗渗混凝土衬砌，将两种工艺混合使用来防止混凝土渗漏的问题发生。随着我国地下以及水下工程的开展，防水技术也有了一定程度的提升，在90年代初，采用高分子材料构成柔性防水层的工艺来填补初期支护之后的空缺，但是当时卷材质量很难得到保证，并且工艺上采用了有钉铺设的方式，难以将高分子卷材有效运用。而随着工艺水平的提升，我国在实际工程应用中对于防水卷材的使用频率开始提升，一方面工艺减少了焊缝，并且在焊接时采用了双缝热合方式，将公路隧道工程中的防水工艺有了很大程度上的提升。结合以前我国在混凝土施工中的防水工艺研究，涉及到二衬结构混凝土质量的主要是混凝土的自防水，如何提高混凝土的自防水性能是本项目研究的一个主要内容。

4　二衬混凝土的施工质量控制

二衬是隧道主体结构施工的最后一道工序，通过二衬的施作，实现隧道工程的安全实用与外部美观。同时，因为隧道工程中有较多隐蔽工程，如锚杆、喷射混凝土等，这些支护结构的失效在运营阶段很难直接体现出来，隧道病害的最终显现会出现在二衬上，如二衬渗漏水、裂缝、掉块等，其实质除了二衬混凝土自身的强度和质量问题外，较多的也是由衬砌结构内部病害所引起的。然而，二衬混凝土自身质量问题也常会导致病害的加速实现。同时，海底隧道处在复杂的环境中，其隐蔽性支护手段的质量控制问题以及其防腐蚀能力较差，使得二衬在保证结构安全方面的作用尤为重要。二衬是否可以起到有效的支护作用，有足够的耐久性，除了与设计水平有关外，更重要的还有施工水平的发挥，施工是保证衬砌结构质量的关键。

混凝土结构随时间劣化有多种形式和途径，最常见的混凝土中的钢筋锈蚀，其他包括冻融破坏、腐蚀离子的侵蚀破坏，以及混凝土成分的内部膨胀导致的破坏等。总结起来，混凝土结构耐久性是有混凝土、钢筋材料本身特性、所处的使用环境的侵蚀性以及设计、施工管理因素三方面共同决定的。海底隧道衬砌结构外部需要承受围岩压力和水压力等荷载，二次衬砌内部还要承受长时间的碳化和氯离子侵蚀等。介于前面分析的各种影响因素，二次衬砌耐久性设计要从配合比设计、温控与混凝土防开裂、抗渗透性、防腐蚀性以及钢筋保护层等角度出发，提出符合二次衬砌耐久性要求的各种参数。最后，结合氯离子扩散计算Duracrete模型的修正模型进行翔安海底隧道服役寿命的预测，基本步骤如下：

（1）选择合理的配合比是保证混凝土耐久性的第一步。提倡采用掺和料为“粉煤灰+矿渣粉”。

（2）制定温控标准，采取相对应的温控措施，防止混凝土开裂。

（3）此外，影响混凝土强度和耐久性因素还有浇注过程混凝土振捣，振捣是为了获得更密实的混凝土，排除气泡，降低混凝土的内部孔隙。

（4）按照Duracrete修正模型进行计算，得知满足海底隧道工程服役耐久性的要求。

总之，根据设计要求，合理选择配合比，优化施工，对由原材料到成品混凝土构件采取施工前、施工中、施工后的严格控制、精心组织，严密施工、谨慎养护，才能确保二衬混凝土能够体现其耐久性特征，保证工程结构的安全稳定性。

[1]陈肇元.土建结构工程的安全性与耐久性[M].北京：中国建筑工程出版社，2003：174～181.

[2]张誉，等.混凝土结构耐久性概述[M].上海：上海科学技术出版社，2003.

[3]阿部道彦.耐久性能—建筑构造物.コンクソミト工学，2001（1）：47～49.

[4]中国工程院土木建筑学部工程结构安全性与耐久性研究咨询项目组.混凝土结构物耐久性设计与施工指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

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2015-10-9