考慮耐久性的隧道工程設(shè)計關(guān)鍵點

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了考慮耐久性的隧道工程設(shè)計關(guān)鍵點范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要：我國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)計時并未考慮其耐久性能否滿足要求，與實際情況不符。因此，本文從圍巖的加固與初期支護、防排水系統(tǒng)、環(huán)境作用三個方面對隧道工程的耐久性的設(shè)計關(guān)鍵點進行了探討，以期對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

1圍巖的加固與初期支護

錨桿隧道圍巖進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現(xiàn)其耐久性的設(shè)計關(guān)鍵點主要在兩個方面：第一，應(yīng)當按照隧道結(jié)構(gòu)所處地質(zhì)地形條件和水文環(huán)境來選擇適當?shù)淖{材料；第二，應(yīng)當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。當隧道結(jié)構(gòu)所處的地下環(huán)境含水量較小且無腐蝕性，水泥漿液類可滿足隧道耐久性要求；當隧道結(jié)構(gòu)所處的地層位于斷層破碎帶時，則該地段的地下水含量較大，應(yīng)當選取水泥化學(xué)漿液類。當隧道結(jié)構(gòu)處于腐蝕性地下水的環(huán)境中，應(yīng)當選用高爐礦渣水泥等耐久性好的特殊水泥材料。

1．2錨桿

隨著隧道運營時間的不斷增加，如果隧道圍巖中存在裂縫，地下水就會沿著裂縫處滲漏，對錨桿鋼材產(chǎn)生腐蝕作用，降低錨桿的抗拉強度，從而對隧道結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生不利影響。隧道工程用來加固圍巖的錨桿實現(xiàn)其耐久性的設(shè)計關(guān)鍵點主要在三個方面：第一，應(yīng)當根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)的圍巖條件、錨桿允許布置角度來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確定；第三，當隧道結(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提高錨桿桿體的抗腐蝕性能。國內(nèi)的隧道設(shè)計中的錨桿類型大多是全長黏結(jié)錨桿。當隧道結(jié)構(gòu)所處的巖土層傾角較小時，全長黏結(jié)型錨桿與圍巖之間可以視為組合梁，此時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；當隧道結(jié)構(gòu)位于腐蝕性較強的地下水環(huán)境中，應(yīng)當在全長黏結(jié)型錨桿的表面進行防腐蝕處理。

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實現(xiàn)其耐久性的設(shè)計關(guān)鍵點主要在三個方面：第一，隧道圍巖的初期支護進行混凝土噴射時，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)的保護層厚度應(yīng)當滿足相關(guān)規(guī)范及標準的要求.隧道圍巖初期支護時噴射混凝土使用的水泥應(yīng)當符合耐久性要求；進行混凝土噴射時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)計時一般應(yīng)在格柵內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別設(shè)置2cm、4cm的保護層；此外，可以通過增加保護層的留設(shè)厚度來能減少地下水對全長黏結(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)實現(xiàn)其耐久性的設(shè)計關(guān)鍵點主要在三個方面：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)計關(guān)鍵點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、抗腐蝕性強及耐久性好等優(yōu)點。與此同時，防水材料還應(yīng)當有較大的柔性和延伸率以及較大的抗拉強度、抗剪強度。防水層在施工作業(yè)時可以選擇無釘鋪設(shè)、搭接或焊接等施工工藝來加強防水層的薄弱環(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

當隧道工程處于含水量較大的地段，設(shè)計時往往采用中心水溝或隧道兩側(cè)暗埋邊溝來排除隧道內(nèi)的積水。當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)當重點關(guān)注的因素之一。變形縫和施工縫的防水一方面應(yīng)當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)生錯動時的力學(xué)性能。

3環(huán)境作用對襯砌結(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通過混凝土的表面遷移進入混凝土的內(nèi)部，從而對隧道工程的襯砌結(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；地下水對氯化物腐蝕和化學(xué)腐蝕產(chǎn)生“搬運”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。故隧道工程在進行耐久性設(shè)計時應(yīng)當充分考慮地下水對隧道襯砌結(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)境對隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。

3．1一般環(huán)境

當隧道工程處于一般環(huán)境條件下，環(huán)境作用對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沒有意義的。與此同時，隧道工程初期支護的鋼架、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)計是采用防排水結(jié)合的設(shè)計理念，則應(yīng)當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，在進行隧道工程設(shè)計時，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層厚度等辦法來減小環(huán)境的不利影響。一般環(huán)境條件下隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點包括兩個方面：第一，隧道結(jié)構(gòu)選擇初期支護和二次襯砌支護一起來分擔圍巖的荷載；第二，初期支護在進行設(shè)計時應(yīng)當選擇地層結(jié)構(gòu)法，二次襯砌支護在進行設(shè)計時應(yīng)當選擇荷載結(jié)構(gòu)法。

3．2腐蝕環(huán)境

當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，必然會受到腐蝕作用。腐蝕環(huán)境條件下隧道工程設(shè)計的關(guān)鍵包括兩個方面：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)計要求，可將其作為臨時結(jié)構(gòu)來進行設(shè)計。同時，隧道工程的二次襯砌結(jié)構(gòu)是用來承受各種荷載作用的影響，應(yīng)當將其作為永久結(jié)構(gòu)來進行設(shè)計；第二，初期襯砌結(jié)構(gòu)在進行設(shè)計時應(yīng)當選擇地層結(jié)構(gòu)法，二次襯砌支護在進行設(shè)計時應(yīng)當選擇荷載結(jié)構(gòu)法。此外，Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖地段的地下水串流到Ⅰ級圍巖、II級圍巖和Ⅲ級圍巖地段的可能性較大，因此，在設(shè)計受地下水影響的Ⅰ～Ⅲ級圍巖地段的隧道結(jié)構(gòu)時一般使用Ⅳ～Ⅴ級圍巖地段隧道設(shè)計方法。

4結(jié)束語

本文對考慮耐久性的隧道工程設(shè)計關(guān)鍵點展開了詳細的分析，主要得到了以下結(jié)論：第一，應(yīng)當根據(jù)隧道工程所處的質(zhì)條件和水文條件來選擇適當圍巖加固和支護材料；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)的初期支護一般作為臨時施工結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，在進行設(shè)計時選擇地層結(jié)構(gòu)法。二次襯砌應(yīng)當按照永久結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，在進行設(shè)計時選擇荷載結(jié)構(gòu)法。

〔參考文獻〕

［1］劉強，黃綿松，金峰．臨海隧道混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命研究［J］．北京交通大學(xué)學(xué)報，2018，42（6）：1－8．

［2］穆松，李化建，王育江，等．鐵路混凝土耐久性理論與提升方法［J］．鐵道建筑，2018，58（11）：20－25．

［3］巴明芳，薛濤，黃國陽，等．公路隧道低水膠比襯砌混凝土碳化耐久性預(yù)測與分析［J］．公路交通科技，2018，35（9）：56－62．

［4］王家濱，牛荻濤，張永利．噴射混凝土力學(xué)性能、滲透性及耐久性試驗研究［J］．土木工程學(xué)報，2016，49（5）：96－109．

作者：劉毅 單位：中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司