地下结构防腐蚀性设计研究——以佛山地铁4号线为例

林 湘 李 智

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司, 广州 510010; 2.佛山轨道交通设计研究院有限公司,广东佛山 528315)

引言

地下水腐蚀对地铁架构耐久性有较大影响,已有许多学者进行相关研究。师莹莹认为,硫酸根和镁离子只是通过破坏钝化膜达到间接腐蚀钢筋的目的,而自身对钢筋侵蚀较弱,钢筋侵蚀主要由氯离子引起,当氯离子浓度达到2 000 mg/L时,腐蚀规律会发生突变[1];冯琼等发现水胶比为0.35时,钢筋混凝土的耐腐蚀性最好[2];乔红霞等通过多种试验,发现在强腐蚀环境下,水胶比为0.35,粉煤灰掺量30%的混凝土耐久性最佳[3-5];卢霄等通过试验研究,验证掺入硅灰及宏观水胶比的降低可有效提升混凝土在杂散电流—氯盐溶液—疲劳荷载三因素耦合条件下的抗腐蚀能力[6];刘恩军等就阐述地下水的腐蚀机理,并结合深圳地铁一期工程论述防治侵蚀性地下水的措施[7-8];周伟生在深圳地铁建设中,提出双掺技术、保证保护层厚度等措施[9]。曹权等对地铁结构腐蚀性评价提出具体建议,按照GB50021—2009《岩土工程勘察规范》进行评判,主体结构按干湿交替考虑[10-11];黄文新针对广州地铁腐蚀环境下的结构耐久性进行试验研究,并提出一些设计建议[12-13];尹涛等以广州某地铁站设计为例,采取方案比选及专家审查的形式,最终确定的方案为不提高混凝土强度等级,围护结构抗渗等级由P6提高至P8,适当增加主体结构抗渗等级,外侧保护层厚度采取50 mm,掺入粉煤灰和减水剂[14];杨永风通过试验,采用可靠度理论,预测某区间地铁混凝土在碳酸水浓度为40 mg/L的地下水作用下的服役寿命约为115年[15];厦门、福州、青岛等城市地铁建设也有相类似的研究成果,但是多集中在研究腐蚀机理、统计分析等领域,对设计的建议均为笼统性,可操作性不强[16-20]。

目前,对耐久性设计有说明的规范主要有GB50157—2013《地铁设计规范》、GB/T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》、GB50021—2009《岩土工程勘察规范》、GB/T50046—2018《工业建筑防腐蚀设计标准》、TB10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》等,各规范对结构抗腐蚀性相关指标均有要求,但可操作性不强。因此,以上述规范为依据,以下结果深圳、广州、佛山地区既有线路的设计做法,以期提出可供具有操作性的建议。

1 各规范要求

1.1 GB50157—2013《地铁设计规范》

(1)11.1.7条规定,地下结构的耐久性设计宜按现行国家标准GB/T 50476《混凝土结构耐久性设计规范》的有关规定执行。

(2)12.2.4条规定,当结构处于侵蚀性地层时,防水混凝土的氯离子扩散系数不宜大于4.0×10-12m2/s,装配式钢筋混凝土结构的氯离子扩散系数不宜大于3.0×10-12m2/s。

(3)11.3.2条文说明,混凝土强度等级的提高会导致超长结构混凝土的收缩应力和温度应力增大。因此,设计时不宜盲目提高混凝土的强度等级,宜适当采取措施控制混凝土的涨缩影响。

1.2 GB/T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》

(1)3.2节环境类别和环境作用等级中,将环境类别分为Ⅰ～Ⅴ共5个类别,将环境作用等级分为A～F共6个等级(C～F为中等及以上腐蚀性环境下)。其中,佛山地区地铁建设所处的腐蚀环境一般为Ⅳ和Ⅴ类环境下的C～F作用等级,见表1。

表1 环境作用等级

(2)3.4节对混凝土最低强度提出要求,对设计使用年限为100年的结构,Ⅳ-C、Ⅳ-D、Ⅴ-C、Ⅴ-D腐蚀环境下,混凝土最低强度等级为C45,Ⅳ-E、Ⅴ-E腐蚀环境下,混凝土最低强度等级为C50。

(3)3.5节对结构表面裂缝提出要求,C、D腐蚀环境下,结构表面裂缝宽度限制为0.20 mm,E环境下,结构表面裂缝宽度限制为0.15 mm。

(4)第6章对Ⅳ类环境下的最大水胶比和最小保护层厚度提出要求,见表2。

表2 Ⅳ类环境下混凝土强度等级、最大水胶比、钢筋最小保护层厚度要求

Tab.2 Requirements for Concrete Strength Grade, Maximum Water Cement Ratio, and Minimum Protective Layer Thickness of Reinforcement in Class IV Environment

(5)第7章对Ⅴ类环境下的最大水胶比和最小保护层厚度提出了要求,见表3。

表3 Ⅴ类环境下混凝土强度等级、最大水胶比、钢筋最小保护层厚度要求

Tab.3 Requirements for Concrete Strength Grade, Maximum Water Cement Ratio, and Minimum Protective Layer Thickness of Reinforcement in Class V Environment

1.3 GB50021—2009《岩土工程勘察规范》

本规范第12章“水和土腐蚀性评价”中,地下水腐蚀性分为强、中、弱、微共4个等级;12.2.6条提出,水、土对建筑材料腐蚀的防护应符合GB 50046《工业建筑防腐蚀设计规范》的规定。而专门针对地铁的GB50307—2012《城市轨道交通岩土工程勘察规范》10.2.5条提出,对工程有影响的地下水应采取水试样进行水质分析,水质分析试验应符合GB50021《岩土工程勘察规范》的有关规定。

1.4 GB/T50046—2018《工业建筑防腐蚀设计标准》

(1)4.2.3条,在腐蚀环境下,设计使用年限为50年的结构混凝土耐久性基本要求见表4。

表4 结构混凝土材料的基本要求

(2)4.2.5条,设计使用年限为50年的混凝土最小保护层厚度见表5。

表5 混凝土保护层最小厚度 mm

(3)4.2.4条,设计年限为50年的结构,对裂缝宽度允许值提出要求。中等腐蚀环境下,结构表面裂缝宽度限制为0.20 mm;强腐蚀环境下,结构表面裂缝宽度限制为0.15 mm。规范未对设计使用年限为100年的结构进行特殊说明。

(4)4.2.7条,对承重构件最小钢筋直径提出了要求,不宜小于16 mm。

1.5 TB10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》

(1)第4章环境中,将环境类别分为碳化环境、氯盐环境等6个类别,每个类别根据环境条件又分为3～4个等级。

(2)第5章中,分别规定混凝土的原材料、配合比、强度、电通量、氯离子扩散系数、抗硫酸盐结晶破坏等级等要求。

(3)第6章对裂缝提出要求。

(4)第7章对保护层厚度提出要求。

1.6 各规范差异

由上述分析可知,各规范对于腐蚀性的评判及处理均不一致,以氯化物环境中的现浇钢筋混凝土结构为例,差异见表6。

表6 各规范差异分析

由表6可知,对于混凝土强度等级、水胶比、氯离子扩散系数、混凝土保护层厚度及裂缝宽度,各规范要求不同,无统一标准。而对矿渣粉、粉煤灰及电通量等要求,仅TB10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》中有明确要求,因此,需根据目前实际应用情况,巧用规范。

2 工程实例

佛山地铁4号线一期工程正线全长55.25 km,其中地下段49.17 km,过渡段0.82 km,高架段5.26 km。共设33座车站(地下站30座、高架站3座),其中换乘站14座。全线设置车辆基地2座,分别为大塱山停车场和平胜车辆段。

工程所处环境地下水存在中-强腐蚀性,如何进行针对性的处理成为本工程的难点。

依据相关规范,以既有线路的处理经验为基础,从腐蚀性的判定、存在的问题进行分析,制定本线路的处理方案,该方案具有规范满足性强,适应范围广的特点,可推广应用于其他类似工程。

2.1 腐蚀性等级判定

根据混凝土结构耐久性设计标准修改后的腐蚀性统计(见表7),从既有已出详勘报告的情况分析,若按长期浸水,各规范结论差异较大,若按耐久性标准判断,超80%的围护结构都需采取特殊措施;若按干湿交替,需处理的站点也增加1倍。

表7 佛山地铁4号线详勘站点腐蚀性判定

2.2 腐蚀性处理存在的问题

(1)围护结构

按长期侵水考虑,采用勘察规范判定,少数点围护结构需特殊处理,参考佛山地铁3号线、广州地铁7号线西延至顺德段处理原则,在不提高混凝土等级的前提下,通过调整配合比来解决;若采用耐久性标准,混凝土强度等级就不符合要求,且不能减小至C35,将带来大体积混凝土浇筑问题,其综合质量不可控,执行存在问题。

(2)主体结构

按干湿交替考虑,采用勘察规范判定,10个点的主体结构需特殊处理,参考佛山地铁3号线处理原则,在不提高混凝土等级的前提下,通过调整配合比、加强检测、控制保护层厚度及裂缝宽度来解决;若采用耐久性标准,混凝土强度等级不符合要求,且不能减小至C35,与一贯做法不同。

3 处理方案

参考深圳地铁11号线经验,结合佛山地铁2、3号线实施情况,佛山地铁四号线耐腐蚀性处理方案如下。

(1)混凝土强度

地下连续墙混凝土配合比的强度和抗渗等级为水下C35和P8,试配时宜提高一级。主体结构采用C35混凝土,在中等腐蚀性环境下,车站埋深小于20 m时抗渗等级为P8,埋深20～30 m时抗渗等级为P10;强腐蚀环境下,抗渗等级为P10。区间管片混凝土强度等级为C50,抗渗等级为P12。

(2)水胶比

中等腐蚀环境下,水胶比≯0.40,强腐蚀环境下,水胶比≯0.38(侵蚀性碳酸环境≯0.36)。

(3)矿渣粉、粉煤灰、含气量、坍落度

矿渣粉掺量为35%～40%,粉煤灰掺量为15%～20%,含气量为4%～5%,塌落度取180 mm±20 mm。

(4)28 d氯离子扩散系数(RCM法)

氯盐侵蚀环境下,明挖结构氯离子扩散系数≤4.0×10-12m2/s,盾构管片氯离子扩散系数≤3.0×10-12m2/s。

(5)28 d混凝土抗硫酸盐等级

硫酸盐腐蚀中等腐蚀环境下≥KS90,强腐蚀环境下≥KS150。

(6)电通量

C35混凝土,56 d电通量<1 200 C,C50混凝土,56 d电通量<1 000 C。

(7)混凝土保护层厚度

Cl-离子、pH值强腐蚀条件下的明挖结构外侧保护层厚度取55 mm,中等腐蚀及其余腐蚀情况下明挖结构外侧保护层厚度取50 mm,区间管片外侧保护层厚度为35 mm。

(8)结构表面裂缝宽度

Cl-离子、pH值强腐蚀条件下,负一层处顶板及相邻侧墙位置裂缝宽度按0.15 mm控制,车站其余位置、区间管片均按0.20 mm控制裂;中等腐蚀条件下的裂缝宽度均按0.20 mm控制。

目前,4号线绿岛湖北站已采用上述方案完成了主体材料的检测,水胶比取0.35,矿渣粉掺量为35%,粉煤灰掺量为15%,含气量为4.4%,其中实际28 d强度为58.5 MPa,抗渗等级为P12,56 d电通量为1195C,满足设计要求。塌落度为210 mm。

4 结论

通过对不同规范、不同城市耐侵蚀性的处理方案分析,结合地铁工程及佛山地区做法,提出一套耐侵蚀性处理方案,主要结论如下。

(1)地铁围护结构建议采用C35,P8混凝土,试配时宜提高一级。

(2)主体结构不宜提高混凝土强度等级,可通过限制水胶比、采用双掺技术、控制含气量、坍落度、氯离子扩散系数、抗硫酸盐等级、电通量等方式进行材料耐久性处理。

(3)Cl-离子、pH值强腐蚀条件下,明挖结构外侧保护层厚度取55 mm,中等腐蚀及其余腐蚀情况下明挖结构外侧保护层厚度取50 mm,区间管片外侧保护层厚度为35 mm。