大横琴山隧道工程混凝土耐久性质量控制研究*

周 健，肖时辉，彭巨情，李 鹏，张 硕

1.中铁十六局集团有限公司，北京 100018

2.珠海大横琴股份有限公司，广东 珠海 519000

3.广州市建筑科学研究院有限公司，广东 广州 510440

4.华南理工大学，广东 广州 510641

我国陆路水路航空基础设施建设如火如荼，其中隧道总数和总长度增长迅猛。截至2018 年底，中国正在运营的铁路隧道共计15117 座，总长16331km[1]，公路隧道共计17738 处，总长17236km[2]，隧道的建设投入仍在不断增大。隧道工程主要以钢筋混凝土结构为主，一般陆上隧道处于围岩的覆盖之下，水底隧道则处于江河湖海水底表面或水底地层之下，建设隐蔽性强，易受各种劣化因素的影响[3]。

1 工程概况

大横琴山隧道工程（一期）地处珠海市横琴新区，是横琴新区路网骨架三条快速路和“两横、一纵、一环”的主干道中“一纵”中心大道的南延伸段。路线北起香江路与中心大道交叉口，路线沿中心大道向南，隧道下穿已建横琴大道，下穿待建珠机城轨二期工程，上跨已建长隆隧道，一期终点位于规划环岛南路北侧，路线全长约5.81km。

2 工程主要环境特点

工程结构的长期服役性能与其所处的自然环境密切相关，决定了应重点控制的耐久性指标种类。

工程位于亚热带海洋性季风气候带，年降水量大，补给面积广，地下水含量丰富。地下水可沿基岩裂隙和覆盖层孔隙到达隧道结构处。同时，根据勘察报告中的水质评价，地下水对隧道的混凝土和钢筋材料具有微至中腐蚀性，这对隧道结构健康服役会产生不利影响。

项目所处场地断裂构造极其发育，由于节理密集，岩体破碎，透水性强，通过大气降水渗入补给，形成地下水富集区。又因常年雨水充沛，地下水位较高，因此隧道混凝土结构除了面对地下水的腐蚀作用，还受到一定水压力的影响。另外，在隧道明挖段和进出口段，水位变化因气候、季节而异，与场地外侧海水水力联系密切，互呈补排关系，且受潮水影响较大，水位不稳定，因此混凝土结构会面临频繁的干湿交替作用。综上所述，需要重视腐蚀性地下水与水压或干湿循环的共同作用对隧道混凝土耐久性造成的影响。

3 耐久性指标测控

3.1 混凝土原材料耐久性指标测控

混凝土原材料中的侵蚀性组分是影响混凝土耐久性的主要因素，在混凝土设计配合比已经确定的前提下，保证隧道混凝土的耐久性质量应首先从源头上控制各原材料中的有害成分含量。

氯离子是诱发混凝土中钢筋锈蚀的因素之一，应对各类原材料的氯离子含量进行严格控制。根据《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）的要求，水泥中的氯离子含量不应大于0.06%；根据《砂浆和混凝土用硅灰》（GB/T 27690—2011）和《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T 18046—2017），硅灰和矿渣粉的氯离子含量限值分别为0.1%和0.06%；根据《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB 10005—2010），粉煤灰的氯离子含量限值为0.02%；对于钢筋混凝土和预应力混凝土用砂，根据《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ 52—2006）规定，砂的氯离子含量分别不应大于0.06%和0.02%；对于钢筋混凝土和预应力混凝土拌和用水，根据《混凝土用水标准》（JGJ 63—2006），拌和用水的氯离子含量对应分别不超过500mg/L 和350mg/L。原材料氯离子含量的控制结果最终体现在混凝土拌和物氯离子含量上。混凝土拌和物氯离子含量应达到《混凝土质量控制标准》（GB 50164—2011）对潮湿且含有氯离子环境的要求。

混凝土的内环境一般呈碱性，碱可与骨料中的活性成分发生化学反应，严重时可导致混凝土的胀裂破坏，因此碱-骨料反应对混凝土耐久性是一种潜在危害。应避免使用具有碱活性的骨料，但当砂、石的来源已确定并经检验存在一定碱活性时，应严格控制混凝土中的总碱含量，这同样也需要从原材料入手。《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）要求水泥中的碱含量不应大于0.6%；《砂浆和混凝土用硅灰》（GB/T 27690—2011）规定硅灰的总碱量限值为1.5%；《混凝土用水标准》（JGJ 63—2006）针对钢筋混凝土、预应力混凝土和素混凝土的拌和用水的碱含量限值规定相同，均为1500mg/L。综上所述，最终应控制混凝土内的碱含量不超过3kg/m3。

3.2 针对外环境的混凝土耐久性指标控制

大横琴山隧道所在地地下水含量丰富且含有氯离子、硫酸根离子等侵蚀性离子，并存在高水压和干湿交替作用，因此应有针对性地对这些环境下的混凝土耐久性进行考查，有计划地对工程现场浇筑的混凝土耐久性指标进行测控，耐久性质量控制应贯穿整个施工阶段。

混凝土的抗渗性和抗氯离子的侵蚀性一直是隧道工程关注的要点。混凝土抗渗等级在设计阶段便根据环境条件和结构重要性进行确定，大横琴山隧道主体结构的混凝土设计抗渗等级为P8，应在浇筑时预留试块以备测试，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）进行室内试验。混凝土抗氯离子渗透性和钢筋保护层厚度可以决定隧道结构中钢筋的锈蚀起始时间。混凝土的抗氯离子渗透性可由两种耐久性指标表征：混凝土电通量和氯离子迁移系数。两项测试均为室内试验，需要使用工程现场浇筑的试块进行试验，试验方法应符合《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）的要求。大横琴山隧道在耐久性设计时并未对这两项指标进行明确要求，但仍可进行相应测试，在已知氯离子扩散性和钢筋保护层厚度的情况下，可大致推测氯离子在混凝土中的迁移深度并判断钢筋是否存在锈蚀风险，从而制订运营维护计划。

上述指标均可在标准规范中找到相应测试方法，然而针对高水压或干湿交替作用下混凝土侵蚀性离子迁移规律的测试方法暂未形成统一标准，尚未收录至规范中。已有文献[4,5]揭示了两种作用对离子迁移速率的促进作用，若不考虑，可能会高估混凝土结构的抗侵蚀性，因此有必要针对具体侵蚀场景设计专用方法开展试验研究。通过地下水质分析，得到各类侵蚀性离子的浓度，在试验室中可配制相似溶液用于模拟真实水环境。大横琴山隧道部分区域岩体透水性强，大气降水充沛时，隧道结构会面临高水压作用。大横琴山海拔约200m，估计极端情况下隧道结构将承载200m 水头压力，即2MPa 水压，可采用专用增压设备模拟该水头压力，考查该环境下混凝土内侵蚀性离子的迁移规律；通过对工程所在地的气温和降雨数据进行收集分析，获取年干湿循环数量和对应的气温变化规律，再通过干湿循环试验机模拟该环境条件，考查干湿交替作用对混凝土耐久性的影响。通过这些试验，在一定程度上推断侵蚀性环境中混凝土的耐久性退化速率，为后期运营维护提供参考。

4 指标控制重点区域

隧道工程所采用的混凝土配合比在施工过程中虽已基本固定，但商品混凝土质量会随着原材料批次、生产设备运转状态、浇筑现场温度和湿度等多种因素的变化而发生改变，为规避这种不确定性，对现场浇筑的混凝土进行耐久性指标测控是非常必要的。对所有批次的商品混凝土进行耐久性指标测试会耗费大量人力物力，而有针对性地选择测控重点区域既能节约成本，又能抓住质量控制关键。

对于大横琴山隧道工程，其测控重点可以归纳为三类：一是隧道出入口区域，该区域受到频繁的干湿交替作用，不利于混凝土的长期服役；二是隧道与断裂破碎带的交汇处，该区域更易富集地下水，隧道混凝土结构受到更直接的地下水侵蚀作用，并可能面临更高水头压力作用；三是与其他隧道路线的交汇点，该区域结构承受的荷载较复杂，复杂荷载与复杂水环境为结构耐久性带来更多不确定性，因此必须对该区域进行重点测控。

5 结束语

隧道工程混凝土结构时常面临较恶劣的外部环境，遭遇侵蚀性水环境的概率远大于地上建筑。而且隧道作为区域间联系的重要交通纽带，长期的健康运营服役尤为重要，因此对隧道混凝土进行耐久性指标测控应作为隧道工程建设中的必要组成部分。针对内、外环境因素，应对施工过程中商品混凝土的各类原材料进行耐久性质量控制，还应针对工程具体环境制订专用耐久性研究方案，如此不仅可以有效保证工程寿命，还可为运营期的维护提供参考。