海水入侵对地铁地下结构侵蚀性的统计分析*

曹　权　杨爱武　李清明　李　岩

(①天津市软土特性与工程环境重点实验室　天津　300384)(②上海应用技术学院轨道交通学院　上海　201418)(③深圳市市政设计研究院有限公司　深圳　518029)



海水入侵对地铁地下结构侵蚀性的统计分析*

曹权①②杨爱武①李清明③李岩①

(①天津市软土特性与工程环境重点实验室天津300384)(②上海应用技术学院轨道交通学院上海201418)(③深圳市市政设计研究院有限公司深圳518029)

地下水的腐蚀性严重影响地铁的安全运营，正确评价地下水的腐蚀性是解决问题的关键。以深圳地铁11号线为例，对全线30个工点627个地下水水质分析样本进行统计，得到整条线路地下水腐蚀强弱分布状态。结合线路通过区的填海和海水侵入背景进行分析，得出如下结论：具有典型的海水侵入背景下的地下水侵蚀性与海水侵入(包括填海区)范围密切相关，地铁地下结构宜按干湿交替环境进行钢筋腐蚀等级判别。该研究为滨海城市海水入侵区地铁线路地下水腐蚀性评价提供指导。

海水入侵地下水水质分析腐蚀深圳地铁11号线

0　引　言

腐蚀造成的损失是巨大的，相关统计资料显示，全球各国每年因各种腐蚀造成的经济损失占到国内生产总值的3%～5%(童小燕等， 2012)，如何有效降低腐蚀带来的危害是各国科技工作者面临的重要课题。

由于海水对钢筋混凝土结构具有明显的腐蚀性，国内外学者有关海水对建筑材料的腐蚀机理、类型、等级的研究已比较深入，甚至将数值仿真和三维模拟引入到侵蚀过程分析中(Hagelia et al.，2003； 王立成， 2004； 唐国荣， 2006；曲立清等， 2007； 赵铁军等， 2007； Balkayal et al.，2012)。由于海水侵蚀机理较为清晰，各国学者结合大型海底隧道工程和其他海工建设实践，提出了许多有效的混凝土结构的防腐蚀性工程措施，大大提高了工程的耐久性(吕明等， 2005； 孙钧， 2006； 赵铁军等， 2010)。

与海水相比，地下水对混凝土的侵蚀作用相对较为复杂，随着地下水类型和环境的不同，其对混凝土结构的腐蚀程度和损害类型均不同，一般认为，地下水对混凝土的破坏是通过分解性侵蚀或结晶性侵蚀或分解、结晶复合性侵蚀作用进行的。目前铁路隧道的地下水腐蚀性研究较多，并认为硫酸盐是导致衬砌劣化的主要因素(彭立敏等， 2010；翁壁石等， 2010)。

我国地铁大规模的建设是从20世纪80年代末开始的，与在海港码头和铁路隧道的混凝土结构腐蚀的深入研究相比，国内有关地铁混凝土结构腐蚀问题的相关文献较少。而地铁作为城市公共交通的重要部分，每天承担大量的运输任务，结构安全十分重要，根据《地铁设计规范》(GB5017， 2013)规定，地铁的主体结构工程，设计使用年限为100a。从香港和大连地铁出现混凝土腐蚀情况的经验教训看(杨新安等， 2003； 朱礼廷， 2012)，沿海地区的地铁建设应该重视腐蚀问题，避免不必要的损失。

近年来，滨海城市由于经济的快速发展，大多程度不同的出现海水入侵问题(张勃夫， 1997)，深圳市作为国内首个经济特区，经过30多年的快速经济发展，沿海区域也出现了不同程度的海水侵入情况(罗文艺等， 2007； 卢薇等， 2010； 殷建平等， 2011； 耿雪峰等， 2014)。因海水的入侵作用，地铁混凝土和钢筋处于咸水、淡水和混合水交互的地下水环境中，地下水侵蚀作用非常复杂，目前《岩土工程勘察规范》(GB50021， 2009)在地下水腐蚀性评价上主要针对大岩土工程，《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB50307， 2012)沿用了《岩土工程勘察规范》的地下水腐蚀性评价标准，并没有针对地铁线路的地下水腐蚀性评定准则，无法反映地铁工程线性分布的特点。如果不能准确评价地铁线路地下水腐蚀性，将直接影响防腐措施的应用和经济成本，进而影响地铁的使用生命周期。所以，加强海水入侵区地铁线路地下水侵蚀性研究具有重要的现实意义。

目前在建的深圳地铁11号线绝大部分位于填海区和海水入侵区域，也是国内首条靠海域最近、受海水影响最大的一条地铁线路，同时还是国内首条最高时速可达120km的高速地铁。深圳地铁11号线在前期勘察过程中发现其地下水具有较强的腐蚀性，为应对地下水的侵蚀，深圳预计将至少多投入5个亿来进行混凝土、隧道内壁和钢筋外表的防腐蚀处理。

基于深圳地铁11号线具有典型的海水入侵的环境背景和地下水侵蚀现状，本文收集该地铁线路详勘阶段所有水质分析报告，经过数据统计，得出整条线路下地下水腐蚀强弱分布状态，结合线路通过区的填海和海水侵入背景，分析地下水侵蚀性分布与海水侵入的关系，探讨了海水入侵背景下地铁线路地下水腐蚀性评价方法，为滨海城市地铁规划和建设积累经验。

1　试验数据来源及统计方法

1.1研究对象

深圳地铁11号线全长51.7km，始于福田站，途经深南路、滨海大道、前海湾、宝源路、宝安大道等地，沿线主要发育台地、冲洪积平原及其间沟谷、浅海区及海冲积平原地貌，总体地势平缓。其地表水主要为海水、河流水及低洼鱼塘等。海水主要分布于深圳湾、后海湾、前海湾及机场段，各段经过大幅填海后，目前均存在少量地表海水。河流有大沙河、双界河、新圳河、西乡河、涌边河、福永河、茅洲河，松岗河及东宝河。

全线设福田、车公庙、红树湾、后海、南山、前海湾、宝安、碧海湾、机场、福永、桥头、塘尾、马鞍山、沙井、后亭、松岗和碧头共17座车站，其中地下站13座，高架站4座。深圳地铁11号线线路站点分布(图1)。

图1　深圳地铁11号线线路图Fig. 1　Route map of Shenzhen Metro Line 11

1.2收集的试验数据

本课题统计了深圳地铁11号线30个工点，共627个水质分析样本。各样本均按岩土工程勘察规范(GB5001-2001)的要求进行现场取样和室内水质分析试验，并给出了腐蚀性强弱的结论，各工点样本分布情况(表1)。

表1　各工点样本分布情况统计表Table1　Groundwater samples distribution of different sections

工点名称样本数/个工点名称样本数/个福田站至车公庙站区间44桥头站至塘尾站区间15车公庙至红树湾站区间79塘尾站5红树湾站至后海站区间41塘尾站至马鞍山站区间12后海站12马鞍山站6后海站至南山站区间31马鞍山站至沙井站区间7南山站4沙井站3南山站至前海湾站区间61沙井站至后亭站区间11前海湾站12后亭站3前海湾站至宝安站区间83后亭站至松岗站区间18宝安站至碧海站区间31松岗站10碧海站至机场站区间55松岗站至碧头站区间8机场站至福永站区间8碧头站5福永站5机场北停车场6福永站至桥头站区间9松岗车辆段33桥头站6车辆出入线4

表2　深圳市城市轨道11号线地下水腐蚀性分析评价表Table2　Analysis and evaluation of groundwater corrosion in Shenzhen Metro Line 11

工点序号对混凝土结构的腐蚀对钢筋结构的腐蚀环境类型地层渗透性 综合评价长期浸水干湿交替强透水层弱透水层长期浸水干湿交替松岗车辆段25弱弱强中强微中26弱弱强中强微中27微微强中强微中28微微强—强微中29微微弱微弱微中30微微微微微微中31微微微微微微弱32微微微微微微弱33微微微微微微弱

1.3统计内容

本次收集的水质分析报告包含了各水样化学成分及腐蚀程度评价，本文主要统计了两方面内容：一是其按照环境类型和地层渗透性对混凝土进行腐蚀性综合评价结果，二是按照环境类型对钢筋混凝土中的钢筋进行腐蚀性评价结果，包含长期浸水和干湿交替两种环境下的腐蚀程度评价。

2　统计结果及分析

2.1统计结果

图2　深圳地铁11号线地下水对混凝土结构腐蚀评价饼状图Fig. 2　The pie chart of groundwater corrosion evaluation to the concrete structure in Shenzhen Metro Line 11

根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)地下水腐蚀等级评价标准，得到深圳地铁11号线地下水对混凝土腐蚀程度的整体情况，如表2所示(因本次统计分析数据有627组，所以表2仅选用一个工点6组水样结果作为示例)。对深圳地铁11号线所有样本进行统计，得到如图2饼状图。由图可见深圳地铁11号线地下水对混凝土腐蚀程度近80%呈微、弱腐蚀性，中至强腐蚀占21%，但强腐蚀仅为3%。

深圳地铁11号线地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀情况如图3 所示。由图中可看出，当钢筋处于长期浸水时，地下水腐蚀性很弱，以微腐蚀为主，在627例样本中仅有11例表现为中等腐蚀， 1 例为强腐蚀； 而当钢筋处于干湿交替环境中时，中等腐蚀及强腐蚀的比重明显增加，其中出现中等腐蚀样本数187例，强腐蚀样本数155例，中等腐蚀以上的样本数超过了微、弱腐蚀样本数总和。

图3　深圳地铁11号线地下水对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀评价柱状图Fig. 3　Histogram of groundwater corrosion evaluation to the reinforcing steel bar in concrete structure in Shenzhen Metro Line 11

为了直观反映深圳地铁11号线地下水腐蚀性强弱的空间分布情况，将收集样本的腐蚀评价按平面坐标投影到地铁线路上(图4，图5)。其中图4 反映了深圳11号线地下水对混凝土结构腐蚀性强弱分布示意图，由图中可以发现，在深圳机场站至红树湾站这个区间段中等腐蚀性出现区域相对比其他区间要多； 图5 反映了深圳11号线地下水在干湿交替环境下对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性强弱分布示意图，图中的强腐蚀区域主要出现在碧头站至沙井区间、深圳机场站至宝安站区间、前海湾站至车公庙站区间段。

以上统计结果表明，深圳地铁11号线地下水腐蚀性总体情况以微弱腐蚀为主，但对钢筋结构的腐蚀性则要严重得多，而且在长期浸水和在干湿交替两种环境下，地下水对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性强弱的评价结果相差很大。

图4　深圳地铁11号线地下水对混凝土结构腐蚀性强弱分布示意图Fig. 4　The intensity distribution of groundwater corrosion to concrete structure of Shenzhen Metro Line 11

图5　深圳地铁11号线地下水对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性强弱分布示意图(干湿交替环境下)Fig. 5　The intensity distribution of groundwater corrosion to reinforcing bar in reinforced concrete structure in Shenzhen Metro Line 11(under wet and dry cycles)

2.2统计分析

2.2.1海水侵入与地下水侵蚀强度的关系

深圳地铁从20世纪90年代开始修建，目前已完成第1、2期1～5号线的建设，目前正在进行第3期7、9、11号线建设(图6)。图中紫色线路为规划地铁线，蓝色线路为已建成的5条线，红色线路为正在建设的地铁线路，基中粗红线为11号线运行线路。

从对目前已运营的5条线的地下水腐蚀性调查来看，发现并未出现11号线如此大面积地下水腐蚀性的情况。从图6 可以看到，这些已建线路都距海岸较远，而正在建设的11号线位于深圳市西部滨海地区，其绝大部分位于海域或填海区，是深圳首条靠海域最近、受海水影响最大的一条地铁，因此其海水侵入的地下水环境可能造成了对地铁结构的强烈腐蚀性。

图6　深圳地铁线网规划图Fig. 6　Planning network chart of subway line in Shenzhen

深圳市是临海城市，为建设需要自建市初至今填海工程一直在进行中，目前累计已填海51.44km2，而且这些填海区域主要分布在西部滨海带，如宝安国际机场、前海湾、后海湾、福田保税区，这也正是深圳地铁11号线主要穿越区。同时随着城市的发展，海水侵入程度也在加剧，图7 为深圳地铁11号线通过区填海和海水侵入情况图，从图中可以看到，除福永站至机场北站区间、车公庙站至福田站区间不在海水侵入区或离海岸线稍远外，其他线路区间均在海水侵入区和填海区，或离海岸线非常近，其中前海湾站至红树湾站区间大部分区域都分布在前海湾和后海湾填海区，且离海岸线很近，而填海工程形成的咸水，同海水入侵形成的咸水其化学成分近似，其对工程的危害类同海水入侵。图4 和图5 在这个区间的腐蚀强度明显高于其他区段，进一步印证了地下水侵蚀性与海侵背景(包括填海区域)密切相关，地铁线路离海岸线越近，地下水具有侵蚀性的几率越高，腐蚀程度越强。

图7　深圳地铁11号线通过区填海和海水入侵情况图Fig. 7　Distribution of reclamation and seawater intrusion area under Shenzhen Metro Line 11

图8　南山站—前海湾区间地下水对钢筋混凝土结构的腐蚀评价柱状图Fig. 8　Histogram of groundwater corrosion evaluation to the reinforced concrete structure in Nanshan-Qianhaiwan Section

2.2.2地下水环境的选择

图8为深圳地铁11号线南山站至前海湾站区间共61个样本的地下水的腐蚀性统计，当地下水处在长期浸水环境下，地下水对钢筋混凝土中钢筋的腐蚀性以微腐蚀为主，没有中等及以上的腐蚀； 当地下水处于干湿交替环境中，地下水对钢筋的腐蚀性完全不同：微腐蚀仅有6例，弱腐蚀没有，中等腐蚀21例，强腐蚀34例，地下水对钢筋腐蚀性大大增强。钢筋混凝土中钢筋长期浸泡在水中，由于氧溶入较少，不易发生电化学反应，故钢筋不易被腐蚀； 相反，处于干湿交替状态的钢筋，由于氧溶入较多，易发生电化学反应，钢筋易被腐蚀。

由此可见，钢筋混凝土中钢筋所处地下水环境对其腐蚀性起到相当关键的作用。地铁的地下结构长期处于地下水浸泡中，按现行的岩土工程勘察规范中水的腐蚀性评价方法，可以认为这类结构处于长期浸水状态，但是由于地铁结构本身的特殊性，与海港工程中的桩、墩、台等并不完全一样，混凝土长期处于结构外侧与水接触，结构内侧为干燥的状态，加之通风、列车频繁运行等因素，地下结构混凝土内地下水渗透路径发生变化，地下水中含有的各种可溶性盐，将会因为混凝土内表面水不断蒸发而沉积，迅速增加了混凝土、钢筋表面的腐蚀作用的离子浓度最终导致对混凝土、钢筋的腐蚀。此外，处于海水侵入背景下的地下水，水位的变动受海潮影响更大，因此，地铁结构宜按干湿交替环境进行腐蚀等级判别。

3　结　论

(1)通过对深圳地铁11号线地下水侵蚀性与其穿越区海水入侵背景关系的统计、分析，得出滨海城市地铁线路的地下水侵蚀性与通过区海水侵入(包括填海区)范围密切相关，在海水侵入区地下水的腐蚀性明显增强，且离海岸结越近，腐蚀程度越强。因此，在海水侵入区域规划和修建地铁线路时，一定要做好地下水的侵蚀性评价和防腐措施。

(2)考虑到海水侵入区地下位受海水影响很大，加之地铁地下结构一侧接触水或含水土，另一侧接触空气的特点，认为该结构宜按干湿交替环境进行腐蚀等级判别。

(3)地下水腐蚀性评价是地铁工程建设的重要组成部分，目前主要依据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001， 2009版)相关标准进行评价。虽然混凝土和钢结构腐蚀性的化学和电化学原理已比较清楚，但对于线性分布的地铁工程，特别是在海水入侵区，其地下车站和隧道区间往往处在复杂多变的水土环境中，现有的地下水腐蚀性评价标准已无法满足国内迅猛发展的地下工程建设，开展海水侵入环境下地铁工程地下水腐蚀性评价标准的研究已迫在眉睫。

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STATISTIC ANALYSIS OF GROUNDWATER CORROSION TO SUBWAY TUNNEL STRUCTURE UNDER SEAWATER INTRUSION

CAO Quan①②YANG Aiwu①LI Qingming③LI Yan①

(①Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment， Tianjin300384)(②School of Railway Transportation， Shanghai Institute of Technology， Shanghai201418)(③Shenzhen Municipal Design and Research Institute Co.，Ltd.， Shenzhen518029)

The safety operation of underground railway is seriously affected by water corrosion. The key to solve the problem is correctly evaluating the corrosion of groundwater. Taking Shenzhen Metro Line 11as an example， erosion analysis reports of 627groundwater samples taken from 30 sections of Metro Line 11 are collected. The whole line of groundwater corrosion intensity distribution is obtained， which is analyzed combined with the seawater intrusion area that passed through by Shenzhen Metro Line 11. The conclusion is the following. For the typical environment of seawater intrusion， there is a closely relationship between the groundwater erosion and the distribution of seawater intrusion， which includes the reclamation area. Discrimination of steel corrosion grade of subway underground structure should be carried out according to the environment of wet and dry cycles. The study provides guidance for the groundwater corrosion evaluation of subway lines in the coastal city with seawater intrusion area．

Seawater intrusion， Groundwater， Water analysis， Corrosion， Shenzhen Metro Line 11

10.13544/j.cnki.jeg.2016.03.002

2015-04-14;

2015-07-24.

天津市软土特性与工程环境重点实验室开放基金(2012SCEEKL001)， 上海应用技术学院引进人才基金项目(YJ2010-12)， 上海应用技术学院大学生科技创新项目(DCX2011-16)，国家自然科学基金(41372291)资助.

曹权(1970-)，男，博士，副教授，从事轨道交通工程方面教学和研究工作. Email: caoquanrang@126.com

O319.56

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