考慮耐久性的隧道工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

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摘要：我國(guó)隧道工程所處的地質(zhì)地形條件和水文環(huán)境一般較為復(fù)雜，用于建設(shè)隧道結(jié)構(gòu)的材料性能也會(huì)出現(xiàn)劣化，從而降低隧道工程的耐久性。目前隧道結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮其耐久性能否滿足要求，與實(shí)際情況不符。因此，本文從圍巖的加固與初期支護(hù)、防排水系統(tǒng)、環(huán)境作用三個(gè)方面對(duì)隧道工程的耐久性的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了探討，以期對(duì)類似隧道工程的建設(shè)提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：隧道工程；耐久性；襯砌結(jié)構(gòu)；工程設(shè)計(jì)

1圍巖的加固與初期支護(hù)

錨桿隧道圍巖進(jìn)行加固能起到防水和承重的作用，從而減少襯砌結(jié)構(gòu)層的承重和防水壓力［2］。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠與圍巖之間相互協(xié)調(diào)，最大限度地釋放圍巖的自承能力，這是整個(gè)隧道工程質(zhì)量的最關(guān)鍵影響因素之一。

1．1注漿材料

隧道圍巖加固的注漿材料實(shí)現(xiàn)其耐久性的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)主要在兩個(gè)方面：第一，應(yīng)當(dāng)按照隧道結(jié)構(gòu)所處地質(zhì)地形條件和水文環(huán)境來(lái)選擇適當(dāng)?shù)淖{材料；第二，應(yīng)當(dāng)充分考慮到注漿材料中水泥的抗腐蝕能力。用于隧道圍巖加固的注漿材料包括三大種類：水泥漿液類、水泥化學(xué)漿液類、化學(xué)漿液類。當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)所處的地下環(huán)境含水量較小且無(wú)腐蝕性，水泥漿液類可滿足隧道耐久性要求；當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)所處的地層位于斷層破碎帶時(shí)，則該地段的地下水含量較大，應(yīng)當(dāng)選取水泥化學(xué)漿液類。當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)處于腐蝕性地下水的環(huán)境中，應(yīng)當(dāng)選用高爐礦渣水泥等耐久性好的特殊水泥材料。

1．2錨桿

隨著隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)間的不斷增加，如果隧道圍巖中存在裂縫，地下水就會(huì)沿著裂縫處滲漏，對(duì)錨桿鋼材產(chǎn)生腐蝕作用，降低錨桿的抗拉強(qiáng)度，從而對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生不利影響。隧道工程用來(lái)加固圍巖的錨桿實(shí)現(xiàn)其耐久性的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)主要在三個(gè)方面：第一，應(yīng)當(dāng)根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)的圍巖條件、錨桿允許布置角度來(lái)選擇合適的錨桿類型；第二，錨桿與隧道圍巖之間所使用的黏結(jié)材料應(yīng)根據(jù)其所處的地下水環(huán)境的腐蝕作用大小來(lái)確定；第三，當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)所處的地下水環(huán)境的腐蝕作用比較劇烈，必須采取一定的措施來(lái)提高錨桿桿體的抗腐蝕性能。國(guó)內(nèi)的隧道設(shè)計(jì)中的錨桿類型大多是全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿。當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)所處的巖土層傾角較小時(shí)，全長(zhǎng)黏結(jié)型錨桿與圍巖之間可以視為組合梁，此時(shí)錨桿能夠改善隧道整體結(jié)構(gòu)受力，使圍巖的穩(wěn)定性得到很大程度的提高；當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)位于圍巖較好的地段，如果錨桿桿體的布置角度較小，可以選擇砂漿錨桿或藥卷錨桿；當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)位于腐蝕性較強(qiáng)的地下水環(huán)境中，應(yīng)當(dāng)在全長(zhǎng)黏結(jié)型錨桿的表面進(jìn)行防腐蝕處理。

1．3網(wǎng)構(gòu)格柵鋼架＋噴射混凝土

隧道工程中網(wǎng)構(gòu)格柵鋼架＋噴射混凝土圍巖支護(hù)實(shí)現(xiàn)其耐久性的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)主要在三個(gè)方面：第一，隧道圍巖的初期支護(hù)進(jìn)行混凝土噴射時(shí)，材料應(yīng)滿足混凝土的耐久性要求；第二，隧道圍巖噴射混凝土?xí)r應(yīng)當(dāng)選擇濕噴工藝；第三，網(wǎng)構(gòu)格柵鋼架的格柵內(nèi)側(cè)和格柵外側(cè)留設(shè)的保護(hù)層厚度應(yīng)當(dāng)滿足相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的要求.隧道圍巖初期支護(hù)時(shí)噴射混凝土使用的水泥應(yīng)當(dāng)符合耐久性要求；進(jìn)行混凝土噴射時(shí)采用濕噴方法不僅可以控制水泥用量、水灰比、速凝劑摻量等，還能夠減少混凝土收縮開裂現(xiàn)象；隧道結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)一般應(yīng)在格柵內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別設(shè)置2cm、4cm的保護(hù)層；此外，可以通過增加保護(hù)層的留設(shè)厚度來(lái)能減少地下水對(duì)全長(zhǎng)黏結(jié)錨桿鋼筋的銹蝕作用，從而改善錨桿的耐久性能［3］。

2防排水系統(tǒng)

隧道結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)耐久性所涉及的防排水系統(tǒng)主要包括圍巖注漿堵水、初期支護(hù)防水、環(huán)向盲溝排水、防水層防水、縱向排水盲溝、路面邊溝排水、中心排水溝、二次襯砌防水、變形縫和施工縫防水等。隧道工程的防排水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其耐久性的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)主要在三個(gè)方面：第一，隧道工程必須布置完善的防水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)，從而保證隧道結(jié)構(gòu)能夠有效地防水，同時(shí)使隧道內(nèi)排水更加順暢。第二，用于修筑路面邊溝和中心排水溝的混凝土耐久性能應(yīng)當(dāng)與修筑主體結(jié)構(gòu)的混凝土耐久性能保持一致；第三，變形縫和施工縫的防水措施較為關(guān)鍵，不僅要滿足防水需求，還要保證止水帶等材料的力學(xué)性能能滿足耐久性要求。

2．1防水層

隧道結(jié)構(gòu)的防水層設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)主要在于如何選擇合適的材料。隧道防水層的防水材料必須具有抗?jié)B性能好、抗腐蝕性強(qiáng)及耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)，防水材料還應(yīng)當(dāng)有較大的柔性和延伸率以及較大的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。防水層在施工作業(yè)時(shí)可以選擇無(wú)釘鋪設(shè)、搭接或焊接等施工工藝來(lái)加強(qiáng)防水層的薄弱環(huán)節(jié)，從而提高防水層的防排水能力。

2．2路面邊溝或中心排水溝

當(dāng)隧道工程處于含水量較大的地段，設(shè)計(jì)時(shí)往往采用中心水溝或隧道兩側(cè)暗埋邊溝來(lái)排除隧道內(nèi)的積水。當(dāng)隧道工程所處的地下水環(huán)境有腐蝕性，邊溝或排水溝的耐久性也必須滿足耐久性要求，建議邊溝或排水溝采用塑料材料來(lái)提高其耐久性。

2．3變形縫和施工縫

隧道結(jié)構(gòu)在施工過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)變形縫和施工縫，這些部位容易出現(xiàn)地下水滲漏現(xiàn)象，是隧道工程防排水應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注的因素之一。變形縫和施工縫的防水一方面應(yīng)當(dāng)確定合適的防水方式，另一方面要控制止水帶、止水條等在襯砌環(huán)間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)時(shí)的力學(xué)性能。

3環(huán)境作用對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)隧道工程因素所處的環(huán)境主要有四種［4］：一般環(huán)境、凍融環(huán)境、氯化物環(huán)境、化學(xué)環(huán)境，后三種環(huán)境均具有較大的腐蝕作用。隧道結(jié)構(gòu)所處環(huán)境中的氣體、水以及各種有害元素會(huì)通過混凝土的表面遷移進(jìn)入混凝土的內(nèi)部，從而對(duì)隧道工程的襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劇烈的腐蝕作用。出現(xiàn)腐蝕作用的各種環(huán)境均和地下水密切相關(guān)，比如錨桿鋼筋的銹蝕和混凝土凍蝕要地下水的直接參與；地下水對(duì)氯化物腐蝕和化學(xué)腐蝕產(chǎn)生“搬運(yùn)”作用，從而使得有害物質(zhì)產(chǎn)生遷移。隧道所處的環(huán)境中如果沒有地下水的作用，即使含有有害元素，也只能在襯砌結(jié)構(gòu)混凝土的表面出現(xiàn)腐蝕。故隧道工程在進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮地下水對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的腐蝕作用。下文將分別介紹一般環(huán)境和腐蝕環(huán)境對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。

3．1一般環(huán)境

當(dāng)隧道工程處于一般環(huán)境條件下，環(huán)境作用對(duì)襯砌混凝土的影響包括混凝土的碳化作用、混凝土在地下水的作用下出現(xiàn)的溶出性侵蝕等。隧道結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)的噴射混凝土受到大氣的影響較小，考慮混凝土的碳化作用時(shí)沒有意義的。與此同時(shí)，隧道工程初期支護(hù)的鋼架、錨桿等構(gòu)件也不易發(fā)生銹蝕。如果隧道結(jié)構(gòu)的防水設(shè)計(jì)是采用防排水結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，則應(yīng)當(dāng)控制混凝土的溶出性侵蝕。隧道工程的二次襯砌結(jié)構(gòu)，不僅要考慮混凝土的碳化作用，還要考慮混凝土的溶出性侵蝕。由上可知，在一般環(huán)境條件下，隧道結(jié)構(gòu)所受到的影響較小，在進(jìn)行隧道工程設(shè)計(jì)時(shí)，一方面可通過提高混凝土的抗腐蝕性能，另一方面可通過加大保護(hù)層厚度等辦法來(lái)減小環(huán)境的不利影響。一般環(huán)境條件下隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)包括兩個(gè)方面：第一，隧道結(jié)構(gòu)選擇初期支護(hù)和二次襯砌支護(hù)一起來(lái)分擔(dān)圍巖的荷載；第二，初期支護(hù)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇地層結(jié)構(gòu)法，二次襯砌支護(hù)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇荷載結(jié)構(gòu)法。

3．2腐蝕環(huán)境

當(dāng)隧道工程處于凍融循環(huán)或者含有氯化物等有害元素的環(huán)境中，必然會(huì)受到腐蝕作用。腐蝕環(huán)境條件下隧道工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵包括兩個(gè)方面：第一，隧道工程的初期襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性一般不能滿足設(shè)計(jì)要求，可將其作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，隧道工程的二次襯砌結(jié)構(gòu)是用來(lái)承受各種荷載作用的影響，應(yīng)當(dāng)將其作為永久結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)；第二，初期襯砌結(jié)構(gòu)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇地層結(jié)構(gòu)法，二次襯砌支護(hù)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇荷載結(jié)構(gòu)法。此外，Ⅳ級(jí)圍巖和Ⅴ級(jí)圍巖地段的地下水串流到Ⅰ級(jí)圍巖、II級(jí)圍巖和Ⅲ級(jí)圍巖地段的可能性較大，因此，在設(shè)計(jì)受地下水影響的Ⅰ～Ⅲ級(jí)圍巖地段的隧道結(jié)構(gòu)時(shí)一般使用Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖地段隧道設(shè)計(jì)方法。

4結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)考慮耐久性的隧道工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)展開了詳細(xì)的分析，主要得到了以下結(jié)論：第一，應(yīng)當(dāng)根據(jù)隧道工程所處的質(zhì)條件和水文條件來(lái)選擇適當(dāng)圍巖加固和支護(hù)材料；第二，用于修筑路面邊溝和中心排水溝的混凝土耐久性能應(yīng)當(dāng)與修筑主體結(jié)構(gòu)的混凝土耐耐久性保持一致；第三，隧道結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)一般作為臨時(shí)施工結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)選擇地層結(jié)構(gòu)法。二次襯砌應(yīng)當(dāng)按照永久結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)選擇荷載結(jié)構(gòu)法。

〔參考文獻(xiàn)〕

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作者：劉毅 單位：中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司