影响隧道衬砌结构耐久性因素综述

熊 波

（重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074）

影响隧道衬砌结构耐久性因素综述

熊 波

（重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074）

隧道衬砌混凝土的耐久性对隧道的健康运营具有重要的意义。隧道衬砌结构一旦出现劣化，将会引发一系列质量问题，造成大量的财力物力损失，严重情况下，甚至于引发安全问题，造成人员伤亡。因此隧道衬砌耐久性问题是不容忽视的。本文就交通隧道的特殊性，从环境、材料、施工等方面，多方面对隧道衬砌结构耐久性劣化的原因机理进行了总结分析。

隧道；混凝土衬砌结构；耐久性

前言

如今，混凝土作为世界上用量最大的工程建筑材料，几乎任何一个工程建设项目都离不开混凝土。钢筋混凝土结构已经成为了应用最广泛的结构形式，随着现代工程技术的不断成熟，混凝土结构的数目也在不断增加，因此对混凝土质量要求也越来越高，混凝土的耐久性问题也变得尤为重要[1-3]。我国作为最大的发展中国家，正从事着为世界所瞩目的大规模基础建设，而隧道建设事业，正是其中蓬勃发展的一个方面，近年来我国隧道建设的数目不断增多，规模不断扩大。而混凝土作为隧道主要的建筑材料，其耐久性问题是隧道建设必须重视的。而影响混凝土耐久性的因素大体可分为三类：环境因素、材料因素、人为因素。

一、影响混凝土耐久性的环境因素

一般来说，混凝土结构耐久性破坏都是从混凝土或者钢筋的材料劣化开始，而环境因素与材料本身都会引起材料的劣化[4、5]。隧道修建于地质条件复杂多变的地下空间，隧道衬砌混凝土接触的环境非常特殊，它既要受内部大气环境的影响，又受隧道外部地层所含侵蚀性离子的侵蚀。在这样的严酷环境下，各种有害因素的综合作用，容易造成隧道结构材质劣化，使得隧道的使用功能和使用寿命的大大衰减，给结构安全带来很大的隐患[6]。基于结构所处环境的复杂，影响隧道混凝土结构的耐久性的环境因素有如下几个方面：

1、酸性气体引起的混凝土的中性化

混凝土的中性化就是混凝土构件周围环境里的酸性气体或者液体侵入混凝土中，与水泥中的碱性物质发生反应，使得混凝土中的pH值下降的过程。二氧化碳作为一种大气中常见的酸性气体，使得所有与空气接触的混凝土表面都处在中性化过程中。这种中性化被称为混凝土的碳化，混凝土的碳化会加剧混凝土的收缩，一定程度上导致混凝土出现裂缝和结构破坏，这为侵蚀性离子的侵入，提供了通道。而碳化对耐久性造成不利影响的实质，就是由于混凝土碱性降低导致在高碱环境下钢筋表面形成的致密氧化膜和钝化膜遭到破坏，钢筋失去了混凝土的保护作用，最终发生锈蚀。

隧道作为一个狭长结构，这对空气的流动是十分不利的，而且隧道内通行车辆的尾气排放，使得隧道里面的CO2、SO2等酸性气体的含量大量累积，这些气体浓度越高越容易使混凝土结构发生碳化或者类似碳化的作用。

2、水文环境的作用

（1）冻融循环的影响

混凝土受冻融循环是影响混凝土耐久性的一个重要原因,混凝土冻融剥蚀和开裂也是我国北方地区隧道的常见病害。水的物理状态的改变是形成冻融现象的根本原因。

其破坏机理即为混凝土微孔隙中的水,在温度正负交错作用下,形成冻胀压力和渗透压力联合作用的疲劳应力[7]。在疲劳应力作用下,混凝土表层产生剥蚀现象,并逐渐向深处发展,如果混凝土衬砌背后地下水储存丰富,随着冻胀力的增加,混凝土可能直接发生开裂破坏，从而影响隧道建筑物的安全。

（2）混凝土碱集料反应

碱集料反应指混凝土集料中的某些活性矿物与混凝土微孔中的碱溶液所产生的化学反应。碱主要来自水泥熟料、外加剂，集料中活性材料主要是 SiO2和硅酸盐、碳酸盐等。这种反应只能发生在湿润环境下，它会引起明显的混凝土体积膨胀和开裂，改变混凝土的微结构，使得混凝土的各力学性能明显下降，严重影响其使用。

3、温度环境的影响

温度的影响，主要是考虑到气温的变化，会改变分子的无序运动状态。又因为隧道具有一定的封闭性，其内部没有很大的温差，而汽车排放的 CO2气体和热量堆积，它的温度和湿度会比外界一般的大气环境高，这样会加速衬砌混凝土耐久性的损伤。

二、影响混凝土耐久性的材料因素

1、塑性收缩引起的混凝土劣化

混凝土浇筑后,在重力的作用下,粗骨料等比重大的颗粒缓慢沉降密实,水、气泡等比重小的组分浮至混凝土面层,出现分层现象。混凝土因沉降竖向体积缩小，并且当坍落度越大,保水性越差,凝结时间越长及混凝土越厚时,沉降收缩量越大,在下沉过程中若受到钢筋阻挡,便形成沿钢筋方向的裂缝。

2、干缩

混凝土在硬化过程中水分逐渐蒸发散失,使水泥石中的凝结胶体干燥收缩产生变形,由于受到围岩和模板的约束,变形产生应力,当应力值超过混凝土的抗拉强度时,就会出现干缩裂缝。干缩裂缝多为表面性裂缝,走向没有固定规律。

3、水化热的影响

大体积混凝土由于水泥在水化过程中产生的大量水化热得不到散发。导致混凝土内部温度升高，当混凝土块体内部的温度与外部环境温度相差很大，以致所形成的温度应力或温度变形超过混凝土当时的抗拉强度或极限拉伸值时，就会产生裂缝，此种裂缝的出现会引起钢筋的锈蚀。

三、影响混凝土耐久性的人为因素

影响混凝土耐久性的人为因素，主要是施工方面的影响，隧道工程施工质量直接影响混凝土的耐久性。施工时，混凝土密实性没有达到设计要求，施工质量差，混凝土有麻面、蜂窝、裂纹等缺陷，给腐蚀溶液提供了侵蚀通道，导致混凝土劣化，降低耐久性。

1、对原材料选取、控制不严

隧道衬砌混凝土胶凝材料以普通硅酸盐水泥为主，材料成分单一，级配差且品质不高，混凝土密实度和耐久性能差。胶凝材料是混凝土最主要的材料，胶凝材料的颗粒微观级配不好，混凝土孔隙率大，其密实性就差，影响混凝土的耐久性。

2、混凝土浇筑和振捣

隧道衬砌混凝土在灌注时，往往由于操作不当造成衬砌混凝土灌注、振捣不密实，特别是拱顶混凝土的灌注工艺不易控制，表面易产生蜂窝麻面，混凝土局部有空洞，这些问题对混凝土的影响是致命的，当混凝土质量不过关时，根本无法抵御环境对它的侵蚀作用，其设计使用年限也达不到要求。

3、二衬拆模时间

二次衬砌拆模时间过早，造成二衬强度达不到标准，也无法保障二次衬砌结构密实。并且拆模太早，一旦初支变形尚未完全收敛，则会造成衬砌混凝土过早受力，混凝土没有硬化而被损伤，使衬砌过早开裂，严重影响其耐久性。

4、隧道防水与通风措施差

对隧道混凝土结构来说，影响其耐久性环境可归结为两种，一个是大气环境，一个是地下水环境，而水环境又对其他因素产生促进影响，一旦隧道防水措施没有做好，地下水渗透到隧道内，不仅影响营运安全，还会诱发别的有害作用，比如水中的硫酸根离子氯离子对混凝土的侵蚀，亦或是在高寒地区发生冻害作用，这都会影响隧道结构的稳定性。

基于隧道内部的大气环境，隧道通风就有其必要性，尤其是对大长隧道，通风的作用不仅仅只是保障一个良好的行车环境，通过将隧道内的酸性气体排出去，还可以有效地降低混凝土的碳化或者类碳化过程。延长混凝土碳化到钢筋位置的时间。

5、养护环节严重缺失

在我国大多数山岭隧道中，衬砌结构均没有进行特别的养护，一般采用同条件养护方法。而长大隧道洞口段和洞内温湿度变化较大，短隧道受外界环境温湿度影响较大，同一养护标准很难满足所有区段的养护，故隧道结构混凝土的质量得不到保证。因此，隧道修建时，混凝土结构会不同程度地出现初裂，强度得不到保证，隧道衬砌结构耐久性问题突出。

结语

隧道工程的耐久性问题,既受到外界环境的影响,又由混凝土本身的特点决定,因此，影响混凝土耐久性的因素是多方面的,其中涉及到材料、配合比设计、施工工艺和养护维修。不过在实施过程中加强对各环节的控制,严格把关,最终还是可以达到耐久性的设计标准。最后，对于隧道混凝土耐久性问题，这一问题不仅仅只是隧道衬砌结构的耐久性，还包括隧道路面结构，隧道防水管道，电缆设备管道等多方面的耐久性问题，这些也是需要重视的方面。

[1]唐国荣. 隧道混凝土结构耐久性的环境影响因素及措施对策[J].铁道标准设计，2006，（11）:56-60.

[2]钱春香. 城市隧道混凝土结构耐久性及其增强技术的实践与思考[J].东南大学学报，2006，36：95-104.

[3]王建秀，刘丹，杨立中. 秦岭隧道地下水化学异常对衬砌混凝土的腐蚀及防治对策研究[J].现代隧道技术，2002，39(4):33-36.

[4]王海彦，宓荣三，龚仑. 隧道主体结构混凝土耐久性探讨[J].中国铁路，2011，（2）:76-79.

[5]王新刚，王建章等. 地铁隧道钢筋混凝土裂缝的治理[J].新型建筑材料，2006，（5）：13-16.

[6]翁其能，张丽珺，秦伟. 公路隧道环境因子对混凝土衬砌耐久性影响综述[J].材料导报，2014，28（15）：93-97.

[7]孙兵.寒区隧道冻害等级及其设防等级研究[J].铁道标准设计，2012，(4):88-92.

TU528

A

1007-6344（2016）07-0044-02

熊波（1991—），男，湖南益阳人，重庆交通大学硕士研究生。