钢筋锈蚀对隧道衬砌安全的影响及处治技术

刘小飞

(广东省南粤交通投资建设有限公司，广东广州 510101)

0 引言

隧道衬砌的安全直接影响本隧道乃至所属道路的运营状况。基于大量的现场调研，认为运营隧道衬砌可能出现裂缝、起层剥落、渗漏水、冻害以及材料劣化等病害。为有效治理和确保隧道的安全运营，国内外专家学者已对此进行了大量的研究。日本自20 世纪70年代开始采用“健全程度”对运营隧道的安全状况进行评估。冯晓燕应用断裂力学理论和平面有限元法，计算了隧道衬砌断裂因子和结构承载力安全系数与衬砌裂缝深度、宽度和条数之间的变化关系［1］。王华牢等人通过对隧道主要裂缝进行安全评价，应用刚度退化模型对隧道原结构进行了承载力评价研究［2］。此外，王昭椿，刘印，罗鑫，李云等人对隧道渗水、隧道病害分级及隧道安全评价等方面进行了研究和分析［3-6］。目前的研究主要集中在对一般隧道衬砌病害研究和评价，鲜有关于衬砌钢筋锈蚀对其结构的影响分析。

本文通过对依托工程明洞隧道衬砌病害的现场调查，结合明洞的结构特点，分析总结了衬砌钢筋锈蚀产生的机理，并通过理论分析，探究了钢筋锈蚀病害发生后隧道的安全性，进而提出了相应的处治措施，为隧道的安全运营及养护提供了一定的借鉴。

1 工程概况

选取的依托工程明洞隧道位于福建省境内，全长173 m，为单线双洞四车道隧道，于1999年9月竣工通车。通过现场检查，隧道衬砌处存在不同程度的裂缝之外，多处出现表层剥落，钢筋外露，且外露钢筋均存在不同程度的锈蚀，钢筋截面减小，现场情况如图1 所示。

图1 隧道衬砌多处钢筋外露、锈蚀

2 病害产生机理分析

通过现场调查，依托明洞隧道拱顶部填土松散且不平整，存在凹坑等不利于排水的现象，加之南方多雨水，降雨无法及时排除，形成积水并下渗，导致衬砌内钢筋发生锈蚀。其中发生的化学反应可以表述如下:由于衬砌混凝土中钢筋与渗水水分的接触，导致在钢筋表面发生电化学反应。阳极区释放电子通过钢筋流向阴极区，当氧气充分时，进一步氧化、脱水后变成稀松多孔的红锈;当氧气不足时，氧化不完全，部分生成黑色的，至此，钢筋锈蚀发生。当钢筋发生锈蚀后，其锈蚀产物的体积则往往是原来的2 倍～4 倍，使得钢筋周围混凝土受到挤压。且随着锈蚀程度的加剧，将直接导致混凝土保护层受拉、开裂。钢筋混凝土构件一旦开裂剥落，又会加速钢筋的锈蚀，进而导致衬砌表层剥落，最终引起衬砌结构的破坏。

3 钢筋锈蚀对衬砌结构的影响分析

隧道的衬砌结构作为钢筋混凝土构件，在运营期间，应确保其具有可靠的耐久性。钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的重要因素之一，对混凝土结构性能产生较大影响。由于钢筋的锈蚀产物本身没有强度，锈蚀使钢筋的有效截面面积减小，钢筋与混凝土之间的粘结性能退化。此外，钢筋锈蚀产物体积膨胀对钢筋周围的混凝土产生压力和环向拉应力，直接导致混凝土保护层剥落，削弱了混凝土对钢筋的约束及保护作用，又加快了钢筋锈蚀速度，从而导致构件承载能力和刚度、延性下降，破坏形态向脆性破坏等不利情况演变。

对于正常情况下，在进行隧道衬砌设计计算的时候，为确保隧道衬砌结构强度，应在完成结构内力计算后，加强强度验算，即按破坏阶段验算构件截面强度，检验其安全系数是否满足规范要求，即:

其中，N极限为截面的极限承载力能力;N 为截面的实际内力(轴向);K规为规范所规定的强度安全系数。其中对于钢筋混凝土结构的强度安全系数按表1 取值。

表1 钢筋混凝土结构的强度安全系数

规范规定，衬砌的任一截面均应满足相关强度安全系数要求，否则需调整衬砌形状和尺寸。因此，对于发生钢筋锈蚀，衬砌表层剥落的截面，由于其截面积的变化，其承载能力必定发生变化。

相关研究结果表明，钢筋锈蚀对受弯构件承载力的影响主要体现以下三个方面:1)钢筋截面面积的减少;2)钢筋屈服强度的降低;3)钢筋与混凝土之间粘结性能的退化，导致钢筋与混凝土间的工作协同性不好［7］。而左龙华则认为在锈蚀衬砌的抗弯强度分析计算时，应重点考虑以下影响因素:1)锈蚀钢筋的截面面积和力学性能变化;2)锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结强度变化;3)受压钢筋锈蚀减少了受压区混凝土有效受压高度［8］。上述研究表明，在锈蚀率较小时，锈蚀对钢筋的力学性能影响不大;当锈蚀率较大时，钢筋的屈服强度、极限强度和极限延伸率下降。

3.1 钢筋锈蚀对钢筋与混凝土之间粘结力的影响分析

钢筋与混凝土之间的粘结力主要包括化学胶着力、钢筋表面与混凝土之间的摩擦力以及变形钢筋与混凝土之间的机械咬合力。但当钢筋轻微锈蚀后，锈蚀物反而增大了钢筋与混凝土之间的摩擦力，而随着锈蚀物体积的增大，衬砌保护层的剥落，这种摩擦力逐渐消失。因此钢筋发生锈蚀后，钢筋与混凝土之间的粘结力则主要体现为钢筋与混凝土截面之间的机械咬合力。钢筋发生锈蚀后受力分析如图2～图4 所示。

图2 变形钢筋的几何形状

图3 钢筋混凝土构件受锈胀力变形

图4 变形钢筋横肋在锈胀力及外力作用下的受力

根据研究可得，锈蚀后钢筋与混凝土之间的最终粘结力T 的表达式为:

其中，lr为变形钢筋横肋间距，取lr=0.6d，d 为未锈蚀变形钢筋的直径，d0为钢筋基圆直径，d0=0.96d;变形钢筋的肋面角α一般为25°～45°;hx为横肋的高度，平均横肋高度取hx=0.07d。

3.2 钢筋锈蚀对衬砌结构抗弯能力的影响分析

对于钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件抗弯承载力的影响，目前主要采用两种方法进行考虑:1)通过乘以一个降低系数来考虑粘结力的降低;2)对受拉钢筋乘以协同工作降低系数［9］。张永利通过研究，提出了锈蚀钢筋混凝土受弯构件极限弯矩计算公式:

其中，T 为锈蚀钢筋承受的拉力;h0为截面高度;ξ 为受压区高度，其中钢筋锈蚀对抗弯承载力的影响通过T 的计算考虑［10］。

4 钢筋锈蚀病害的处治措施

根据上述分析可知，由于钢筋发生锈蚀后，衬砌发生剥落，受力衬砌的截面剥落减小和钢筋的截面削弱，结构的承载力及其耐久性将降低。因此，为了确保隧道的正常运营，需对隧道钢筋发生锈蚀后，衬砌剥落的病害进行评价分析，进而采取有效的治理措施。

4.1 防止水分的进一步进入

在设计上应该注意背后填土的密实和排水。根据JTG D70—2004 公路隧道设计规范，为防止落石、坍塌产生危害，明洞拱背的回填土厚度设计不宜小于1.5 m，填土表面还应设置成一定坡度，以利排水。由于该依托工程隧道的钢筋锈蚀与上部渗水有关。因此，对该隧道而言，应加强隧道上部的水流排除，减小雨水的汇集。同时，在条件允许的情况下，也可采用背后压降，提高背后填土的密实度，减小水分的下渗。

4.2 防止隧道内空气及水分的进一步进入

减少空气及水分的进入，阻止钢筋锈蚀的进一步发生。为达到设计的效果，可在隧道衬砌表面涂抹防水防蚀涂料，如含有阳离子的乳化沥青乳胶涂料、编织乙烯共聚涂料等。此外，在衬砌内壁表面喷射水泥基渗透结晶型涂料，可使衬砌混凝土产生二次修复提高其防水性和防腐性。也可采用密实的与钢筋混凝土构件不起化学反应的材料在衬砌内进行涂装，防止水和空气的进入。

4.3 对已有锈蚀钢筋处衬砌的处治

对发生钢筋锈蚀处的衬砌采取补强措施，通过喷射混凝土提高衬砌的承载能力，并防止钢筋的进一步锈蚀，衬砌的进一步剥落。有时也可在锈蚀严重部位进行集中修补，但是不能减小隧道的净空面积，影响正常行车。

4.4 合理材料的选择

对于经现场勘查后认为易发生该种病害的隧道，在材料选择上更应有针对性，应合理选择粗细骨料及级配，并可考虑适当掺外加剂、减少用水量等项措施，最大限度地提高衬砌的密实度和抗蚀性。同时，在条件允许的情况下，对采用钢筋进行防腐处理，有效降低钢筋锈蚀发生的几率。

5 结语

通过对依托工程隧道进行现场检查，认为该隧洞衬砌大面积的剥落主要是由衬砌钢筋锈蚀，体积增大引起。基于此，本文对隧道衬砌钢筋锈蚀的化学机理进行了分析，并探讨了钢筋锈蚀对衬砌承载能力的影响，得出衬砌钢筋的锈蚀，由于引起了钢筋体积的增大，导致钢筋与混凝土之间的粘结力降低，影响了衬砌结构的抗弯能力。此外，为保证能在隧道衬砌钢筋锈蚀病害发生后及时采取有效的处治措施，文章总结了对该类病害的评定标准，并在此基础上提出了一系列的防治措施，为类似工程提供了一定的借鉴。

［1］冯晓燕.隧道病害分级和衬砌裂损整治技术研究［D］.北京:北方交通大学，2002.

［2］王华牢，刘学增，李 宁，等.纵向裂缝隧道衬砌结构的安全评价与加固研究［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(S1):2651-2656.

［3］王昭椿，高燕希，李亮辉.隧道裂隙水渗流特性分析与工程应用［J］.中外公路，2008，28(4):207-211.

［4］刘 印，张冬梅，黄宏伟.盾构隧道局部长期渗水对隧道变形及地表沉降的影响分析［J］.岩土力学，2013，34(1):290-298.

［5］罗 鑫，夏才初.隧道病害分级的现状及问题［J］.地下空间与工程学报，2006，2(5):877-880.

［6］李 云.既有隧道衬砌病害评估与治理决策［D］.长沙:中南大学，2010.

［7］杨灵江.钢筋锈蚀引起的混凝土保护层开裂过程及影响因素分析［D］.杭州:浙江大学，2007.

［8］左龙华.锈蚀钢筋混凝土构件承载力计算分析［D］.长沙:湖南大学，2006.

［9］牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测［M］.北京:科学出版社，2003.

［10］张永利.锈蚀钢筋混凝土构件粘结性能及承载性能研究［D］.西安:西安建筑科技大学，2011.