跨海地铁盾构管片混凝土耐久性及寿命预测分析

王金龙，刘伟宝，杨 虎，陆采荣

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063; 2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029)

厦门轨道交通2号线为厦门市第一条穿越海底的轨道交通线路，线路全长39.1 km，全线设车站30座，平均站间距1.6 km，设计推荐采用盾构法施工。轨道交通2号线所穿越的厦门西港海域，海岸线较顺直。厦门轨道交通2号线跨海段地质情况复杂多变，基岩面波动起伏大，基岩构造复杂，岩土层种类较多，岩土层的埋深、厚度及性能变化较大，且有多条风化槽，属于国内首个跨海地铁的实施案例，工程风险大，其成败直接关系到整个2号线的成败，成为2号线的重点和难点工程。

厦门轨道交通2号线跨海区间混凝土耐久性设计关系到百年大计。依据初勘阶段水质分析成果，结合地铁盾构隧道混凝土工况，按照设计使用年限100 年的目标，对关键技术参数进行分析并提出初步建议。在此基础上通过开展混凝土配合比优化试验确定了智欣、三航、芜湖等3种原材料方案的盾构管片混凝土配合比，文中采用3种海洋环境混凝土寿命预测模型分别计算了推荐配合比混凝土的预测寿命。

1 环境类别和作用等级

综合《混凝土结构耐久性设计标准》(GB/T 50476—2019)[1]和《铁路混凝土结构耐久性设计规范》(TB 10005—2010)[2]对环境作用等级的划分以及地铁2号线跨海区间实际环境条件，为了满足100年的耐久性设计要求，对于一侧接触海水或含有海水土体，另一侧接触空气的海中或海底隧道配筋混凝土结构构件(如盾构管片、车站混凝土结构)，其环境作用等级不宜低于Ⅲ-E。受施工扰动引起车站混凝土构件接触海水或含海水土体时，其环境作用等级也不宜低于Ⅲ-E。若结构构件所处环境的年平均温度高于20°C时，还应按炎热地区考虑，其环境作用等级为Ⅲ-F。当混凝土构件所在位置地下水或受施工扰动后的地下水中含有氯离子质量浓度在500～5 000 mg/L时按Ⅲ-D考虑。对于周边永久浸没于海水或埋于土中的构件按Ⅲ-C考虑。

2 常见的混凝土寿命预测方法

混凝土的使用寿命预测方法主要有对比预测法、经验预测法、数学模型预测法、加速试验预测法以及随机预测法等[3-9]。

1)对比预测法

该方法的假定条件是：混凝土如果在某一期限内是耐久的，则相似环境下的相似混凝土也将有同样的寿命。显然，由于材料、形状、施工质量、荷载和环境的变异性，每一种混凝土结构往往是独一无二的，不同的气候条件也会影响混凝土的使用寿命。所以即便有相似的使用条件，将过去的经验直接用来比较不太合理。因此该方法使用甚少。

2)经验预测法

该方法根据既有工程经验和研究基础，制定一系列保证结构在环境作用下达到期望使用年限的技术措施与要求，一般也叫做定性预测法。现行规范和标准经常使用这种方法预估混凝土结构的使用寿命，其基本思路是如果混凝土结构能严格按标准的要求去实施，那么结构将会达到所需的寿命。当结构的寿命要求较低或周围环境比较简单时，可以采用这种方法预测；但是当结构使用寿命要求较高或周围环境比较复杂多变时，这种预测方法会因缺乏相应的工程经验而不能准确预测。

3)数学模型预测法

该方法是根据结构具体的环境作用，使用耐久性数学模型对构件的材料指标或者结构指标提出量化的要求，称为定量预测方法。目前采用数学模型预测使用寿命是应用比较广泛的一种方法，这种预测的准确程度与模型选取是否合理以及材料环境与模型参数选取是否准确有很大关系。

4)加速试验预测法

在实验室进行混凝土的耐久性试验大多采用加速试验，例如采用较高腐蚀浓度、较高温度或湿度加速混凝土的劣化过程。进行加速试验的突破点在于确定室内加速系数，这需要通过大量的调查研究和多年的工作积累，从而收集相似环境下实际混凝土结构长期暴露的相关数据。随着自然暴露试验越来越多，加速试验预测方法有望成为今后预测混凝土结构使用寿命的重要方法。

5)随机预测法

上面介绍寿命预测方法都属于确定性的方法，即将结构使用寿命的所有影响因素作为确定的值，由此得到的结构使用寿命也是一个确定的值。但是在进行混凝土结构使用寿命预测时，无论采用哪一种寿命预测准则，由于影响结构使用寿命的因素很多，都不可能是个定值，而是一个随机变量。如混凝土保护层厚度往往会有施工误差，在工程实际中是服从正态分布的随机变量，扩散系数也不是一个定值，因此计算出的结构使用寿命也应该是一个满足一定概率分布的随机变量，因此采用随机变量概率法进行混凝土使用寿命预测是比较科学合理的，但相对来说使用起来非常复杂，还需要大量研究积累。

3 厦门轨道交通混凝土寿命预测方法

3.1 《海港工程高性能混凝土质量控制标准》(JTS 257-2—2012)评定方法

《海港工程高性能混凝土质量控制标准》(JTS 257-2—2012)评定方法(简称JTS评定方法)是主流的寿命预测方法之一，给出了明确的极限状态划分标准和每个阶段时间的计算公式。方法将海洋环境下混凝土结构钢筋锈蚀劣化进程所经历的时间，分为3个阶段：混凝土中钢筋开始锈蚀阶段ti、混凝土保护层锈胀开裂阶段tc、混凝土功能明显退化阶段td，混凝土结构使用年限te是这3个阶段时间和。即：

te=ti+tc+td

(1)

钢筋开始锈蚀阶段所经历的时间ti按式(2)计算：

(2)

式中：c为混凝土保护层厚度，mm；Dt为混凝土氯离子有效扩散系数，10-12m2/s；erf为误差函数；Ccr为混凝土中钢筋开始发生锈蚀的临界氯离子浓度，%；C0为混凝土中的初始氯离子浓度，%；γ为氯离子双向渗透系数，角部区取1.2，非角部区取1.0；Cs为混凝土表面氯离子浓度，%。

混凝土有效扩散系数Dt按式(3)计算：

(3)

式中：Dt为混凝土氯离子有效扩散系数，10-12m2/s；Dref为快速试验方法测定的混凝土氯离子扩散系数，10-12m2/s；tref为参考试验时间，a；t为混凝土氯离子扩散系数衰减期，a；n为混凝土氯离子扩散系数的衰减系数；U为混凝土氯离子扩散过程的活化能，取35 000 J/mol；R为理想气体常数，取8.314 J/(K·mol)；T0为参考温度，取293 K；T为环境温度。

混凝土保护层锈胀开裂阶段所经历的时间tc按式(4)计算：

(4)

式中：c为混凝土保护层厚度，mm；d为钢筋原始直径，mm；fuck为混凝土立方体抗压强度标准值，MPa；λ1为保护层开裂前钢筋平均腐蚀速度，mm/a。

混凝土功能明显退化阶段所经历的时间td按式(5)计算：

(5)

式中：td为自保护层开裂到钢筋截面积减小到原截面积90%所经历的时间，a；d为钢筋原始直径，mm；λ2为保护层开裂后钢筋平均腐蚀速度，mm/a。

3.2 《混凝土结构耐久性评定标准》(CECS 220：2007)评定方法

与JTS评定方法相比，《混凝土结构耐久性评定标准》(CECS 220：2007)评定方法(简称CECS评定方法)[10]考虑了氯离子扩散的时间依赖性，钢筋开始锈蚀时间ti的预测公式见式(6)：

(6)

式中：D0为氯离子扩散系数，m2/a；ti为钢筋开始锈蚀的时间，a；α为氯离子扩散系数时间依赖系数，可按α=0.2+0.4(wFA/50+wSG/70)计算，其中wFA为粉煤灰掺量，%，wSG为矿渣粉掺量，%(质量百分数)；Mcr为钢筋锈蚀的临界氯离子浓度，kg/m3；Ms为混凝土表面氯离子浓度，kg/m3。

3.3 多因素耦合评定方法(MFC)

多因素耦合评定方法[11]基于大量的试验数据，通过简化的理论模型开发出的考虑混凝土材料参数(水胶比、粉煤灰掺量、氯离子结合能力、扩散系数的时间依赖性)、结构构造参数(扩散维数、保护层厚度)和环境参数(干湿循环、温度、冻融等)的多因素耦合寿命预测模型。钢筋开始锈蚀时间t的预测公式见式(7)：

(7)

4 寿命预测结果

4.1 《海港工程高性能混凝土质量控制标准》(JTS 257-2—2012)预测结果

分别对采用智欣料、三航料、芜湖料的混凝土推荐配合比进行耐久性预测。混凝土推荐配合比如表1所示，通过试验获得推荐配合比的初始氯离子含量、氯离子扩散系数和立方体抗压强度，作为预测模型的部分基本参数取值，如表2所示。

表1 混凝土推荐配合比

表2 推荐配合比的混凝土性能取值

地铁隧道环境温度相对于外部气温更稳定，在秋冬季节，地铁隧道内环境温度会比室外气温高。外界大气温度与区间隧道环境温度之差，随着外界大气温度的降低而增大，特别是进入冬季以后，外界大气温度急剧下降，而区间隧道环境温度由于土壤的蓄热效应和列车运行等影响，下降幅度并不明显。厦门市区年平均气温20.9 ℃，因此取环境温度T=294 K。

推荐配合比双掺粉煤灰和矿渣粉，因此取Dref为90 d实测值。

ti的计算依据式(2)进行，各参数的取值依据混凝土所处的环境按相应规定取值和计算得出。各参数取值及ti的计算结果见表3。

表3 ti计算参数取值及结果

tc的计算依据式(4)进行，各参数取值及tc的计算结果见表4。

表4 tc计算参数取值及结果

td的计算依据式(5)进行，各参数取值及td的计算结果见表5。

表5 td计算参数取值及结果

因此，由JTS评定方法预测的各推荐配合比的使用年限te如表6所示。

表6 JTS评定方法预测的各推荐配比使用年限 Tab.6 Predicted service life for recommended mixes by the JTS method 单位：a

由表6可知，推荐配合比使用年限te的预测结果在117～144 a，均大于100 a，能够满足使用100 a的要求。

4.2 《混凝土结构耐久性评定标准》(CECS 220：2007)预测结果

由CECS评定方法预测的各推荐配合比的使用年限te如表7所示。由表7可知，推荐配合比使用年限te的预测结果在136～172 a，均大于100 a，能够满足使用100 a的要求。

表7 CECS评定方法预测的各推荐配比使用年限 Tab.7 Predicted service life for recommended mixes by the CECS method 单位：a

4.3 多因素耦合(MFC)预测结果

由多因素耦合(MFC)方法预测的各推荐配合比的使用年限te如表8所示。由表8可知，推荐配合比使用年限te的预测结果在103～139 a，均大于100 a，能够满足使用100 a的要求。

表8 多因素耦合评定方法预测的各推荐配比使用年限 Tab.8 Predicted service life for recommended mixes by multi-factor coupling evaluation method 单位：a

4.4 预测结果分析

如图1所示，采用CECS方法预测得出的寿命最长，在136～172 a，采用MFC方法预测得出的寿命最短，为103～139 a，3种预测模型计算得出的混凝土寿命均大于100 a。CECS方法计算得出的ti值比JTS方法计算出的ti值高17～28 a，这是由于CECS考虑了氯离子扩散的时间依赖性，即考虑了氯离子侵入混凝土结构的能力随时间的增长不断降低的影响。MFC方法计算得出的ti值比JTS方法算出的ti值低2～15 a，这是由于MFC模型充分考虑了多因素耦合作用下材料的劣化影响导致性能衰退速度明显加快，因此计算得出的钢筋开始锈蚀时间也会相应缩短。

图1 三种预测模型计算结果对比

5 结 语

综合《混凝土结构耐久性设计标准》(GB/T 50476—2019)和《铁路混凝土结构耐久性设计规范》(TB 10005—2010)对环境作用等级的划分以及地铁2号线跨海区间实际环境条件，按混凝土中钢筋开始锈蚀阶段ti、混凝土保护层锈胀开裂阶段tc、混凝土功能明显退化阶段td三个阶段考虑，分别使用《海港工程高性能混凝土质量控制标准》(JTS 257-2—2012)、《混凝土结构耐久性评定标准》(CECS 220：2007)、多因素耦合评价(MFC)等3种预测方法对混凝土结构使用年限进行预测，预测结果表明，厦门轨道交通地铁2号线盾构管片混凝土使用年限在103～172 a。推荐配合比使用年限即使按最保守的计算模型，其计算结果仍大于100年，能够满足使用100年的要求。