天津滨海地区地铁工程耐久性影响因素分析

天津滨海地区地铁工程耐久性影响因素分析

温淑荔

（中铁十八局集团第四工程有限公司

摘

要

天津300350）

鉴于天津滨海地区地铁工程环境的复杂性和特殊性，对影响耐久性的氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀、杂散电

流、碳化破坏和冻融破坏等主要外部工程环境因素进行了分析和阐述，主要分析了其成因、机理及现行规范中的相为工程的耐久性设计、施工及运营提供参考借鉴。最后建议天津滨海地区地铁工程建设引入针对性的关规定等，

耐久性专题研究，以保证百年设计目标的顺利实现。关键词

滨海地区

U231

耐久性

影响因素

A

地铁工程

4539（2015）01-0084-03文章编号1009-中图分类号

文献标识码

AnalysisofFactorstotheDurabilityofSubwayEngineeringinTianjinCoastalArea

WenShuli

（ChinaＲailway18thBureauGroupCo．Ltd．，Tianjin300350，China）

AbstractInviewofthecomplexityandparticularityofthesubwayengineeringenvironmentinTianjincoastalarea，the

mainexternalengineeringenvironmentalfactorsofdurabilityareanalyzedandexpounded，suchaschlorideioncorrosion，sulfateattack，carbonation，straycurrentandfreeze-thawdamageandsoon，thecausesofformation，thefailuremechanismandtherelevantregulationsofcurrentcodesareanalyzedtoprovidereferenceforthedurabilitydesign，theconstructionandoperation．Finally，itissuggestedthatdurabilitystudyshouldbeintroducedintheengineeringconstruction，inordertoen-surethedesigngoal．Keywords

coastalarea；durability；factor；subwayengineering

1引言

营周期长，投资成本大，其维修、改建或拆除都很困

难，影响可靠性的因素多，因而如何保证其在设计基准期内的可靠性，其中结构的耐久性问题成为影

在已有地铁工程中出现了响其可靠性的关键问题，

各种各样的混凝土耐久性问题，如广州和上海地铁

混凝土结构出现了开裂和渗漏问题；在香港工程，

地铁中，由于海水中的氯盐侵蚀导致了钢筋锈蚀问［1］

题。尤其对于天津滨海复杂环境条件下的地铁工程，需要我们进一步研究和高度重视地铁工程的

保证地铁工程100年的设计使用结构耐久性问题，

年限成为现实。解决地铁工程耐久性问题首要任

务是对地铁工程面临的耐久性影响因素进行分析。地铁工程结构形式复杂多样，一般主要有板、梁、柱形式的车站结构、盾构形式的地下区间结构、桥梁形式的高架区间结构、岛式及侧式高架车站结

铁道建筑技术ＲAILWAYCONSTＲUCTIONTECHNOLOGY2015（1）目前，随着天津城市的快速发展，天津轨道交

根据天津正式公布的通建设得到了迅速发展，

《2014年重点建设项目》名单中，涉及城市轨道交通

包括5条地铁线和1个交通控建设工程共有6项，

制中心。按照规划，到2017年，天津在建地铁将全

部投入运营，届时天津轨道交通通车里程将达到274km，中心城区网络基本形成，因此天津地铁具有

发展迅速的特点。除此之外，天津很建设规模大，

多条地铁线路途经滨海复杂的地质环境，地下水土

中含有较高的氯离子、硫酸根离子等侵蚀性介质，对地铁结构混凝土耐久性是一个严峻的考验。对于地铁工程而言，地铁隧道工程设计过程复杂，运

收稿日期：2014

1121

84

··隧道/地下工程

构等。影响地铁钢筋混凝土结构耐久性的因素概

括来讲，可分为钢筋混凝土材料本身性能和外部工程环境两方面。钢筋混凝土材料本身性能包括水泥、骨料、外加剂等原材料状况；水胶比、矿物掺合料种类及掺量等配合比情况；混凝土生产、施工、养护等环节对混凝土质量的影响；混凝土保护层厚度大小；钢筋的化学成分及其性能，因此内部因素因具体工程而异。外部因素主要指外部工程环境因素，本文重点从天津滨海地区的外部工程环境进行耐久性影响因素分析。

各构件的环境作用等级。根据各构件的环境类别和作用等级进行相应的耐久性设计。2．2

硫酸盐侵蚀

天津滨海地区的土壤及地下水中含有大量的硫酸盐、氯盐和镁盐等强腐蚀性介质，其硫酸盐浓度足以对对混凝土产生侵蚀作用；研究表明，混凝土在硫酸盐作用下，其损伤过程主要是硫酸盐与混凝土中的水化产物发生反应，导致混凝土中性化、失去强度或膨胀开裂。

对于硫酸盐侵蚀环境，在耐久性设计当中，一般先确定其作用等级。根据《混凝土结构耐久性设（GB/T50476－2008）中第7章“化学腐蚀计规范》

［3］26－29

，环境”的规定以结构构件所接触的水、土中的硫酸根离子、镁离子浓度等条件确定各构件的环

境作用等级。根据各构件的环境类别和作用等级进行相应的耐久性设计。

2工程水文地质中腐蚀介质的影响

大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效，腐蚀介质的侵入是重要原因。天津滨海地区的水、土中一般含有较高的氯离子、硫酸根

对钢筋混凝土结构具有很大的腐蚀离子和镁离子，

性。根据已有的工程案例，部分接触含硫酸盐的

水、土且部分暴露于大气中的混凝土结构构件在干湿交替区域受腐蚀程度最为严重。2．1氯离子侵蚀

根据有关调查资料，钢筋锈蚀是混凝土结构耐

也是目前钢筋混凝土结构久性面临的最主要问题，

工程耐久性失效的最常见的破坏形式。而大量的

引起混凝土中钢筋锈蚀的主要环境工程实例表明，

因素是腐蚀介质，其中的氯离子排在首位。天津滨

海地区的水土中存在高浓度的氯离子，因此应引起足够的重视。氯离子侵蚀破坏的机理是破坏钢筋表面的钝化膜，引起混凝土内钢筋的锈蚀。其化学反应式如下：

Fe→Fe2++2e

Fe2++2Cl－+4H2O→FeCl2·4H2O

FeCl2·4H2O→2Fe（OH）2↓+2Cl－+2H++2H2O4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）从化学反应式

［2］17－18

3

3

3．1

地铁运营中杂散电流的影响

杂散电流的成因

由于地铁工程混凝土存在列车运营的特殊性，

与其他钢筋混凝土工程相比，杂散电流是影响地铁工程结构耐久性的特有因素。地铁中的杂散电流主要是指由采用直流供电牵引方式的地铁列车在地铁运行时，由于行走轨与大地之间的绝缘不良或流经行走轨的电流不能全部流回牵不是完全绝缘，引变电所的负极，有一部分电流会泄漏进入大地，

［4］就成为杂散电流。3．2杂散电流的危害

杂散电流主要对钢筋混凝土结构中的钢筋、结构中的预埋件、金属管道等金属构件产生电化学腐蚀。特别是当这些构件已经发生腐蚀的情况下，那么杂散电流会加速腐蚀进行，严重影响钢筋混凝土

［2］25－26

。结构的耐久性

3．3地铁杂散电流的主要影响因素

可以看出，氯离子在反应

过程中起到了化学催化剂的作用，促使钢筋锈蚀的发生。

对于氯离子侵蚀环境，在耐久性设计当中，需要确定其作用等级。根据《混凝土结构耐久性设计（GB/T50476－2008）中第6章“氯化物环境”规范》［3］20－25

，的规定以结构构件所接触的水、土或大气中的氯离子浓度，是否处于干湿交替区环境等，确定

影响地铁杂散电流强度及其腐蚀程度的因素

很多且很复杂。一般认为主要影响因素为：地铁工钢轨的材质和截面积、土壤电阻率及作电流大小、

［2］30－38

。道床是否潮湿等有关

由于地铁主体结构一般属于地下空间，如果发

生较为严重的杂散电流腐蚀，当影响结构耐久性时，工程维修非常困难，因此杂散电流是影响地铁

85

铁道建筑技术ＲAILWAYCONSTＲUCTIONTECHNOLOGY2015（1）··隧道/地下工程

工程的非常重要的耐久性影响因素，应充分重视其

［2］32－38

。防治工作

存在的重要性是4个最基本的典型现象

［5］

。

6结束语

4碳化因素影响

［2］39－44

，有文献表明由于地铁车站客流量非常

人员集中，室内的CO2浓度非常高，一般远远高大，

于室外大气环境。因此，地铁车站混凝土碳化问题比较突出。

由于混凝土呈高度碱性，会在钢筋表面形成一

而大气中的CO2与层可以防止锈蚀发展的钝化膜，

混凝土中的碱性物质发生反应，使混凝土发生中性

当碳化发展到钢筋表面或碱度降到一定值后，化，

钢筋的钝化膜就会被破坏，钢筋会发生锈蚀破坏。

《混凝土结构耐久性设对于碳化腐蚀环境，根据

（GB/T50476－2008）中第4章“一般环境”计规范》［3］13－15

，的规定对于一般环境下混凝土结构的耐久性

应控制在正常大气作用下混凝土碳化引起的内设计，

部钢筋锈蚀。以结构构件与水接触情况（干燥、静水浸没、干湿交替等）确定各构件的环境作用等级。对

其于地铁结构中二氧化碳浓度高于正常大气的环境，

环境作用等级还需针对性的具体研究确定。

与其他钢筋混凝土结构工程相比，滨海地区的地铁工程混凝土由于所处工程环境的复杂性和多

运营状况的特殊性，影响其耐久性的因素更样性，

为复杂多样。针对影响天津滨海地区地铁工程的耐久性因素，本文重点对氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀、杂散电流、碳化破坏和冻融破坏等外部工程环境因

机理及现行规范中的相关规定等方面进素的成因、

行了分析、阐述，为工程的耐久性设计、施工及运营提供参考借鉴。

随着国内对钢筋混凝土结构耐久性问题的日

国内众多专家学者在此领域取得了大量研益重视，

究成果并使之标准化，例如中国建筑科学研究院主

《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方编完成了

（GB/T50082－2009）、《混凝土耐久性检验法标准》

（JGJ/T193－2009），评定标准》并在《混凝土质量（GB50164－2011）、《预拌混凝土》（GB控制标准》

/T10492－2012）均对混凝土的耐久性能作了规定。清华大学主编的《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476－2008）对混凝土的耐久性设计做了相关规定。然而鉴于滨海地区地铁工程的耐久性问题的复杂性和特殊性，涉及工程设计、施工、运营

建议天津滨海地区的地铁工程维护等一系列环节，

建设引入工程耐久性研究领域资深权威的技术咨

询单位，对地铁工程混凝土结构耐久性进行专题研

提出针对性策略并深化至设计和工程应用，以究，

确保天津轨道交通工程百年大计目标的顺利实现。

参考文献

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混

S］．北京：中国建筑工业出凝土结构耐久性设计规范［

5冻融作用的影响

（GB/T根据《混凝土结构耐久性设计规范》

［3］16

，50476－2008）中第5章“冻融环境”的规定最

冷对于月平均气温低于2．5℃的地区，当混凝土结构构件长期与水体直接接触并会发生反复冻融时，应考虑冻融环境的作用。天津冬季气温都在－5℃以下，属于寒冷地区，存在冻融问题，高架等地上频繁淋雨构件或水位变动区部分应考虑冻融因素对地铁结构耐久性的影响。对于地铁工程的地下结构部分，冻融作用一般影响很小，但对于冰冻线以上及与大气接触的结构部分，会受到冻融破坏。而且天津滨海水土中含有大量的盐分，对于与地面水

所以对天津滨海地铁土交界区域会发生盐冻破坏，

混凝土的盐冻问题必须给以足够的重视。

混凝土的盐冻破坏是指盐溶液和冻融循环共同作用下引起的混凝土破坏，是一种最严酷的冻融破其破坏程度和速度比普通冻融大好几倍，甚至10坏，倍，它主要表现为混凝土表面剥蚀破坏。混凝土盐冻

其中，中低盐浓度破坏现象，剥蚀破坏存在很多现象，

与盐种类无关现象，盐冻快速破坏现象和表面盐溶液86

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