金祖權(quán) ，孫 偉，侯保榮，張 鵬

(1. 青島理工大學(xué) 土木學(xué)院，山東 青島，266033；2. 中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島，266071；3. 東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京，211189)

隨著我國廈門東通道海底隧道、青島膠州灣海底隧道的開工建設(shè)，海底隧道結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性問題受到越來越多的關(guān)注[1-4]。青島膠州灣海底隧道北連青島市區(qū)團(tuán)島，南接黃島區(qū)的薛家島，下穿膠州灣灣口海域，海水最大水深為42 m。隧道全長為7.8 km，其中海域段長度約 3.95 km，是中國最長的海底公路隧道。項(xiàng)目總投資32.98億元(不含市區(qū)接線1.6 km投資)。膠州灣海底隧道薛家島段從2007年開始施工，至 2009年 3月右洞襯砌混凝土施工里程為YK8+850～YK7+247 km，噴射混凝土施工里程為YK8+850～YK6+945 km；左洞襯砌混凝土施工里程為ZK8+814.3～ZK7+646.7 km，噴射混凝土施工里程為ZK8+814.3～ZK7+086 km；左、右洞均已進(jìn)入海域段?？紤]到膠州灣海底隧道100 a服役壽命要求，設(shè)計(jì)時(shí)考慮了膠州灣海底隧道環(huán)境，并基于氯鹽腐蝕模型給出了襯砌混凝土耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)[5-6]。然而，這些參數(shù)在實(shí)際施工過程中與設(shè)計(jì)時(shí)并不吻合，這將極大地影響襯砌混凝土的服役壽命[7-11]。此外，隧道襯砌混凝土難施工、易開裂以及拱頂空洞問題是隧道的常見問題，膠州灣海底隧道首次采用了C50高性能襯砌混凝土并建立了相應(yīng)的耐久性施工技術(shù)規(guī)程[12-15]。為了驗(yàn)證其實(shí)施效果，本文作者對(duì)已施工膠州灣海底隧道襯砌混凝土多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測試和分析，以評(píng)定襯砌混凝土質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 混凝土配合比

依據(jù)膠州灣海底隧道襯砌混凝土耐久性設(shè)計(jì)要求，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)小于4×10-12m2/s，抗?jié)B等級(jí)為S12，混凝土保護(hù)層偏差應(yīng)小于10 mm。二襯混凝土配合比如表1所示。

表1 膠州灣海底隧道襯砌混凝土配合比Table1 Mixed proportion of lining concrete for Jiaozhou bay subsea tunnel kg·m-3

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

膠州灣海底隧道二次襯砌混凝土采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和隧道現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)2種方式，測試其強(qiáng)度變化規(guī)律；二次襯砌混凝土現(xiàn)場強(qiáng)度采用回彈法測試，氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗?jié)B等級(jí)采用施工里程內(nèi)現(xiàn)場澆注二襯混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件測試，襯砌混凝土保護(hù)層偏差采用鋼筋定位儀測試；采用地質(zhì)雷達(dá)測試襯砌厚度、脫空異常區(qū)及混凝土膠結(jié)性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 海底隧道襯砌混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

隧道混凝土強(qiáng)度變化決定了襯砌混凝土早期拆模和后期耐久性能的發(fā)揮，本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)的二次襯砌混凝土的強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行測試，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律Fig.1 Compressive strength varied with curing age for lining concrete

由圖1可知：膠州灣海底襯砌混凝土3 d強(qiáng)度為30 MPa左右，有利于混凝土拆模，后期強(qiáng)度變化正常，有利于提高混凝土耐久性能；無論采用那種養(yǎng)護(hù)方式，其28 d強(qiáng)度均在60 MPa左右，滿足設(shè)計(jì)要求。與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比，襯砌混凝土現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)劣化了混凝土性能，其28 d抗壓強(qiáng)度降低6%～7%。

對(duì)膠州灣海底隧道右線 YK8+850～YK8+643 km范圍內(nèi)標(biāo)養(yǎng)襯砌混凝土28 d強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 膠州灣海底隧道右線襯砌混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.2 Compressive strength of constructed lining concrete in Jiaozhou bay subsea tunnel

由圖2可知：膠州灣海底隧道在近200 m施工里程內(nèi)襯砌混凝土抗壓強(qiáng)度波動(dòng)性較小，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均在60 MPa左右，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 海底隧道襯砌混凝土強(qiáng)度波動(dòng)

考慮到襯砌混凝土強(qiáng)度現(xiàn)場施工過程中可能出現(xiàn)波動(dòng)，采用高強(qiáng)混凝土回彈儀對(duì)膠州灣海底隧道左、右線襯砌混凝土在左、右邊墻進(jìn)行回彈，其結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：膠州灣海底隧道襯砌混凝土右線回彈值在35～50之間，左線在33～40之間。根據(jù)高強(qiáng)混凝土回彈法測區(qū)混凝土強(qiáng)度換算表，則其強(qiáng)度分別為58～75 MPa和53～66 MPa，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。此外，由3個(gè)回彈測線可知：襯砌混凝土在入口前80 m，強(qiáng)度逐漸上升；在距入口80 m后，混凝土強(qiáng)度均勻性較好；因而，在后期的裝飾處理過程中，建議對(duì)隧道入口進(jìn)行防水處理。

2.3 襯砌混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

海底隧道襯砌混凝土在施工過程中質(zhì)量控制不穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)不均勻，從而導(dǎo)致混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)波動(dòng)。若某處襯砌混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)最大，則該點(diǎn)將可能成為隧道的薄弱點(diǎn)。膠州灣海底隧道在不同施工里程對(duì)現(xiàn)場將要澆注的襯砌混凝土成型 50 mm×100 mm(高×直徑)的扁圓柱體標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，采用RCM法測試其氯離子擴(kuò)散系數(shù)，左、右線已施工襯砌混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)如圖4所示。

由圖4可知：膠州灣海底隧道右線主洞YK8+740～YK8+515 km以及服務(wù)洞FK6+100～FK6+62.5 km襯砌混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)平均值為 2.1×10-12m2/s；左線主洞 ZK8+810～ZK8+640 km 施工里程的氯離子擴(kuò)散系數(shù)平均值為 2.7×10-12m2/s，均低于設(shè)計(jì)要求4×10-12m2/s，這將能有效保證隧道混凝土在氯鹽腐蝕下的服役壽命。

圖3 膠州灣海底隧道襯砌混凝土強(qiáng)度波動(dòng)Fig.3 Varied compressive strength of lining concrete in Jiaozhou Bay Subsea Tunnel

圖4 海底隧道左、右線襯砌混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)Fig.4 Chloride diffusion coefficient of constructed lining concrete in Jiaozhou Bay Subsea Tunnel

2.4 襯砌混凝土抗?jié)B透性

海底隧道最大水壓力為0.7 MPa，故襯砌混凝土應(yīng)具有自防水功能，設(shè)計(jì)時(shí)要求其抗?jié)B透性大于S12。海底隧道左、右線襯砌混凝土的抗?jié)B透性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

由表2可知：膠州灣海底隧道襯砌混凝土具有優(yōu)良的抗?jié)B透性能，即使對(duì)襯砌混凝土采用現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)方式，其抗?jié)B等級(jí)依然滿足S12的設(shè)計(jì)要求。

2.5 襯砌混凝土保護(hù)層波動(dòng)情況

襯砌混凝土的服役壽命與其保護(hù)層厚度呈線性關(guān)系[9]，保護(hù)層厚度偏差直接決定了混凝土的施工質(zhì)量和服役壽命。采用瑞士生產(chǎn)的鋼筋定位儀(型號(hào)為Profometer5)檢測海底隧道襯砌混凝土中縱向鋼筋和橫向鋼筋的位置，并記錄襯砌混凝土保護(hù)層厚度。將測試的保護(hù)層厚度減去設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度(60 mm)，得到襯砌混凝土保護(hù)層偏差。膠州灣海底隧道 1 m和2 m高程襯砌混凝土保護(hù)層厚度偏差測試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：海底隧道左、右線襯砌混凝土保護(hù)層偏差為-6～15 mm和-4～15 mm，滿足耐久性設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)考慮保護(hù)層最大負(fù)偏差10 mm的要求，有助于提高海底襯砌混凝土的服役壽命。

2.6 海底隧道混凝土芯樣強(qiáng)度

為得到襯砌混凝土實(shí)體的強(qiáng)度及氯離子擴(kuò)散系數(shù)，對(duì)海底隧道襯砌混凝土現(xiàn)場取芯。襯砌混凝土芯樣表觀形貌良好，混凝土結(jié)構(gòu)致密，少見空洞、大氣泡等現(xiàn)象，這表明襯砌混凝土結(jié)構(gòu)體致密，澆注效果良好。對(duì)芯樣混凝土測試其強(qiáng)度，其結(jié)果如圖6所示。

圖5 海底隧道襯砌混凝土保護(hù)層偏差Fig.5 Cover thickness varied of lining concrete in jiaozhou bay subsea tunnel

圖6 芯樣抗壓強(qiáng)度Fig.6 Compressive strength of drilled lining concrete core sample

圖7 混凝土芯樣氯離子擴(kuò)散系數(shù)Fig.7 Chloride diffusion coefficients of drilled lining concrete core sample

對(duì)各芯樣測試其氯離子擴(kuò)散系數(shù)，其結(jié)果如圖 7所示。圖6和圖7中：A1和A2分別為右線左邊墻1號(hào)和2號(hào)芯樣；B1，B2和B3分別為右線右邊墻1～3號(hào)芯樣；C1和C2分別為左線左邊墻1號(hào)和2號(hào)芯樣。

由圖6可知：海底隧道左、右線襯砌混凝土鉆芯樣強(qiáng)度均達(dá)到50 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。由圖7可知：膠州灣海底隧道左、右線襯砌混凝土芯樣氯離子擴(kuò)散系數(shù)均值分別為3.39×10-12m2/s 和1.6×10-12m2/s，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.7 海底隧道襯砌檢測

對(duì)膠州灣海底隧道第 4合同段的 YK8+850～YK7+640 km 和第 3合同段的 ZK8+814.3～ZK7+806 km間襯砌混凝土質(zhì)量采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測，檢測時(shí)沿隧道縱向的左、右邊墻，左、右拱腰以及拱頂布設(shè)5條測線[16]，二襯厚度偏差如圖8所示。

圖8 隧道二襯混凝土厚度偏差Fig.8 Varied thickness of lining concrete in subsea tunnel

由圖8可知：膠州灣海底隧道澆注二襯混凝土厚度偏差為1.0～3.5 cm，均超過設(shè)計(jì)值，滿足設(shè)計(jì)要求，這有效地保證了襯砌混凝土的密實(shí)度。檢測結(jié)果表明：在已施工里程范圍內(nèi)，二襯與初襯之間未發(fā)現(xiàn)脫空異常區(qū)，僅在左線隧道的ZK8+722 km右邊墻等4個(gè)點(diǎn)和右線隧道的YK8+745 km拱頂?shù)?個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)混凝土膠結(jié)較差，異常率小于2%。

3 結(jié)論

(1) 海底隧道標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)襯砌混凝土3 d強(qiáng)度大于30 MPa，28 d強(qiáng)度大于60 MPa；與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比，現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)襯砌混凝土 28 d抗壓強(qiáng)度降低6%～7%。

(2) 海底隧道左、右線已施工襯砌混凝土回彈強(qiáng)度分別為58～75 MPa和53～66 MPa，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。襯砌混凝土在洞口處強(qiáng)度比其他部位的略低，建議對(duì)襯砌隧道洞口段進(jìn)行防水處理。

(3) 海底隧道左、右線襯砌混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)均值分別為2.1×10-12m2/s和2.7×10-12m2/s，低于設(shè)計(jì)要求；左、右線襯砌混凝土抗?jié)B等級(jí)滿足設(shè)計(jì)要求的 S12；左、右線襯砌混凝土保護(hù)層偏差分別為-6～15 mm 和-4～15 mm。

(4) 襯砌混凝土芯樣表觀形貌良好，結(jié)構(gòu)致密，芯樣抗壓強(qiáng)度大于50 MPa，海底隧道左、右線氯離子擴(kuò)散系數(shù)均值分別為 3.39×10-12m2/s和 1.60×10-12m2/s，滿足設(shè)計(jì)要求。襯砌混凝土厚度符合設(shè)計(jì)要求，二襯與初襯間無脫空異常區(qū)，混凝土膠結(jié)異常率小于2%。

致謝：膠州灣海底隧道施工單位中鐵隧道局和中鐵十八局為本文提供了襯砌混凝土調(diào)查數(shù)據(jù)及地質(zhì)雷達(dá)測試數(shù)據(jù)，并對(duì)本試驗(yàn)提供了幫助，在此表示感謝！

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