探究基于耐久性的地铁结构设计要点和措施

严若明，武天宇

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

1 引言

地铁与其他地下建筑以及地面建筑不同，受所处位置、功能要求以及施工工艺等因素影响，地铁结构在耐久性方面具有特殊要求。地铁结构通常埋深在十几米以下，地铁车站以及隧道内部二氧化碳浓度较高，地下水丰富，并含有大量有害离子，这些因素均会对地铁结构产生影响。此外，地铁建成投入运营后，会产生较强的杂散电流，对于地铁结构的钢构件会产生腐蚀作用，降低地铁结构强度。考虑到影响地铁结构耐久性的因素较为复杂，因此，在设计中必须把握主体结构及围护结构设计等关键点，从而提高地铁结构的耐久性。

2 影响地铁结构耐久性的因素分析

2.1 杂散电流

目前，我国地铁车辆采用的是直流牵引机车，在直流供电系统中，地铁轨道被用作电流回流轨道，电流由变电站流出，然后经过牵引网，最后通过回流轨道流入变电站。而大地与地铁轨道间无法实现完全绝缘，电流经过地铁轨道流入变电站的过程中会向地铁结构中的钢构件、道床以及其他金属部件泄漏，这部分电流称之为杂散电流或迷流。相关研究表明，杂散电流对于钢构件、混凝土结构均会产生较强的腐蚀作用，严重影响地铁结构的耐久性。

2.2 混凝土碳化作用

混凝土水化过程中，内部的水溶液会逐渐转化为氢氧化钙饱和溶液，这是一种强碱性溶液，会在混凝土内部的钢筋表面形成一层钝化膜，对钢筋起到保护作用。但是混凝土水化过程中受其他因素的影响，会导致混凝土内部并不完全密实，还会存在部分空隙、气泡，这就为二氧化碳进入混凝土内部提供了通道。当二氧化碳进入混凝土内部结构后，会溶解于孔隙水当中，并生成酸性物质，这会导致混凝土pH 值降低，破坏混凝土内部钢筋表面的钝化膜，进而导致钢筋被腐蚀，而钢筋腐蚀则会导致混凝土结构出现裂缝，影响混凝土结构强度与承载力。

2.3 氯离子侵蚀

氯离子是一种作用较强的去钝化剂。若钢筋表面氯离子的浓度过高，超出临界点，氯离子就会侵入钢筋表面的钝化膜，并与铁离子产生化学反应，生成氯与铁化合物，这会导致钢筋表面的钝化膜遭到破坏，从而造成钢筋腐蚀，破坏混凝土结构。硅酸盐水泥中仅有少量氯化物，但混凝土外加剂中通常含有较多的氯化物，此外，盐碱地区、近海地区以及需要采用氯盐除冰地区，土壤环境中会存在较多氯离子，受氯离子侵蚀作用，地铁结构的耐久性会受到较大影响。

2.4 施工因素

施工因素也可以说是人为因素。由于地铁结构施工具有一定的特殊性，要先进行围护施工，后进行主体施工，而且施工环境均处于地下十几米，因此，在施工过程中若现场管理不善、操作不当，均可能产生质量隐患，进而对地铁结构的耐久性产生影响。比如，因地铁结构整体性较差引发的不均匀沉降、防渗处理不当造成的漏水、混凝土结构养护不当导致温度应力过大等，这些因素均会影响到地铁结构的耐久性。但施工因素的影响可以通过构建完善的质量管理体系、运用先进的施工技术等手段消除，属于可控因素。

3 基于耐久性的地铁结构设计要点分析

3.1 控制影响耐久性的因素

上文分析了影响地铁结构耐久性的因素，除施工因素需加强施工环节质量管控外，其他影响因素均需在设计阶段采用相应的防控措施，具体如下：（1）对于杂散电流造成的钢筋腐蚀问题，在地铁结构设计阶段可考虑在回流轨地铁轨道上增加排流网密度，以防止杂散电流流散。同时，针对回流轨附近的钢筋或其他金属部件，可考虑掺入抗腐蚀材料，以抵御杂散电流的影响，增强该部位钢筋抗腐蚀性能。对于回流轨周围的混凝土结构，可根据结构形式以及环境特征合理设计结构参数，并在混凝土结构外侧增设防腐蚀涂层，进而降低杂散电流的影响[1]。（2）针对混凝土碳化作用的影响，在地铁结构设计阶段，可根据碳化理论预测碳化作用的影响。当碳化深度达到钢筋表面也就是混凝土保护层厚度时钢筋开始腐蚀，相反，若确定了混凝土保护层厚度就可以反推出钢筋开始腐蚀前的结构寿命，这样就可以在设计阶段根据项目设计标准确定混凝土保护层厚度，从而控制混凝土碳化作用的影响。

3.2 合理选择材料

在地铁结构设计过程中，要满足耐久性要求，则必须要考虑材料因素，合理选择材料是确保地铁结构耐久性的重要手段。影响地铁结构耐久性的主要材料为钢筋与混凝土，因此，对这两种材料的选择极为关键，首先，关于钢筋材料的选择，需要考虑到杂散电流、氯离子侵蚀以及地下水腐蚀等因素，要求钢筋材料必须具备良好的抗化学腐蚀性能、抗电化学腐蚀性能，从而提高钢筋材料的耐久性。其次，关于混凝土材料的选择，需要重点考虑3 方面的因素：（1）要确保所选择的混凝土材料在浇筑施工过程中因水化热所产生的温度应力在允许范围，以防止混凝土出现裂缝，影响混凝土结构的耐久性，同时，要求混凝土材料具备良好的抗渗性能[2]。（2）为减少混凝土结构内部空隙及气泡，确保混凝土内部结构密实，选择混凝土材料时要考虑材料的碱活性，确保混凝土材料具备良好的性能，从而降低混凝土碳化作用的影响，提高混凝土结构的耐久性。（3）由于地铁运行环境差异性较大，且土壤中也存在较多的侵蚀物，为此，提高混凝土性能也非常关键，具体可选择骨料以及减水剂等最大限度地降低混凝土水胶比例。

3.3 优化地铁结构构造设计

在地铁结构构造设计方面，从耐久性角度考虑，需要在确保设计效果的基础上最大限度地优化地铁结构构造设计。具体而言，需要考虑以下几方面：（1）在地铁结构构造设计上，要充分确保构件的均匀性，尽可能减少棱角，从而有效控制混凝土结构的荷载应力与收缩应力。由于地铁结构通常为长条形结构，因此，需要合理设计纵向钢筋的布设，同时，要根据地下环境以及项目设计要求合理确定混凝土保护层厚度，从而确保混凝土结构耐久性。（2）在地铁结构各部分构件设计上，要确保构件形态的合理性，尽可能地避免构件附近出现有害物质或地下水聚集，若有必要应做好排水设计。（3）要考虑到当地铁局部结构被破坏后整体结构的耐久性，尤其是易受到侵蚀的局部结构，应尽可能弱化这部分结构与整体结构的关联性，从而确保地铁整体结构的耐久性。

3.4 科学设计地铁结构施工方案

科学的地铁结构施工方案设计能够有效控制施工因素对地铁结构耐久性的影响，因此，设计人员要高度重视施工方案设计。比如，混凝土结构施工方案设计可以采用分层浇筑的施工方式，以降低混凝土浇筑施工过程中因水化热所产生的温度应力[3]，保障混凝土浇筑施工质量，防止混凝土结构产生裂缝，能够避免内部钢筋被腐蚀，提高混凝土结构耐久性。对于裸露在空气环境中的金属构件，为防止受到杂散电流、水汽以及其他有害物质的侵蚀，可以在构件表面增加防锈蚀涂层，以提高金属构件的抗腐蚀性能。

4 基于耐久性的地铁结构设计措施

4.1 围护结构

地铁工程施工过程中应先进行围护结构施工，这是开展后续施工活动的基础和保障，因此，地铁围护结构设计极为关键。目前，使用较为广泛的地铁围护结构类型较多，不同形式的围护结构侧重点有所不同，在具体设计过程中，需要重点考虑以下几方面：（1）围护结构的形式必须契合施工区域的地质条件特征，比如，软弱地层和常规地层所采用的围护结构就有较大差异，这样才能确保围护结构能够适应施工环境，保障施工安全。（2）围护结构设计要具备可行性，即围护结构设计在特定施工环境下可以顺利实施，不仅使其所受到的限制性较小，还可以起到良好的支护效果。（3）围护结构设计要符合项目防护等级，充分考虑到地表沉降等多种因素影响，有效保障施工安全。（4）围护结构设计要考虑到经济性与技术性，要在确保围护结构耐久性的基础上尽可能控制围护结构成本，尽可能采用先进技术手段。

4.2 主体结构

针对地铁主体结构，在具体设计时，设计方案需要从安全、经济、施工方便性等方面进行对比。地铁主体结构施工中选择现浇混凝土框架式施工方式，在结构布局上，以平台宽度作为重要参照标准，实现结构布局同平台宽度的密切结合。而最为核心的问题就是地铁主体结构的耐久性问题，地铁工程设计使用年限为100 a，因此，主体结构设计与围护结构设计不同，围护结构属于临时性工程措施，而主体结构则直接关系到地铁工程的运营使用寿命。因此，主体结构设计要将耐久性作为重要衡量指标，考虑主体结构形变、结构沉降、结构破坏等方面，并在设计环节解决这些问题，充分满足地铁主体结构耐久性要求。

4.3 围护结构和主体结构的作业方式

关于围护结构和主体结构的作业方式，目前，比较常用的有单一墙与复合墙两种结构，两种结构各有优劣，具体需要根据地铁工程实际情况以及施工需要进行选择。单一墙结构的构造相对比较简单，由于其不需要增加内力构件，因此，对于内外钢筋的强度要求较低，整体施工成本相对较低。在实际设计过程中，根据结构耐久性要求，需要考虑到预留钢筋的设计，同时，也要考虑到墙体结构的密实性，确保其具备良好的抗渗性能，针对关键节点或部位还需要增加防水设计。单一墙结构最大的缺陷在于耐久性相对较差，从耐久性设计角度考虑，在围护结构与主体结构中一般不采用单一墙结构，但若是以地下连续墙作为挡土墙的单一墙结构，再增加防水设计，也能使单一墙结构具备较好的耐久性。复合墙结构在地铁围护结构和主体结构中使用相对比较广泛，其在结构耐久性方面相较于单一墙结构具有明显优势。若地铁围护结构和主体结构对耐久性具有特殊要求，复合墙结构还可以通过增加永久性抗浮构件与抗力构件来提高结构耐久性等级，这也是复合墙结构被广泛采用的重要原因。

5 结语

综上所述，随着我国城市化进程不断加快，城市规模不断扩张，人口急剧增加，交通压力必然越来越大，因此，地铁将成为大中型城市缓解城市交通压力的必然选择。而在地铁结构设计中，耐久性是需要重点考虑和研究的问题，这直接关系着地铁的运营安全以及使用寿命，设计人员需充分考虑影响地铁结构耐久性的因素，并通过对设计方案进行优化与完善来提高地铁结构耐久性。