錢 根，王沛沛，湛 博

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

引言

城市軌道交通直流牽引電流一般通過鋼軌回到牽引變電所負(fù)極,回流過程中,由于鋼軌對(duì)地并不是完全絕緣,且具有一定的縱向電阻,此時(shí)將會(huì)有部分電流從鋼軌流出,通過隧道結(jié)構(gòu)、大地或其他鄰近金屬構(gòu)筑物等回到牽引變電所負(fù)極,這部分不按鋼軌預(yù)設(shè)路徑的回流被稱為雜散電流[1-3]。雜散電流通過混凝土?xí)r,如果有鋼筋存在,當(dāng)雜散電流由混凝土進(jìn)入鋼筋位置時(shí),鋼筋為陰極。根據(jù)陰極保護(hù)理論,陰極電流增大時(shí),將會(huì)導(dǎo)致鋼筋表面有大量氫氣析出,如果氫氣不能及時(shí)從混凝土逸出,將會(huì)破壞混凝土與鋼筋之間的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致穩(wěn)定性下降。在雜散電流從鋼筋流出進(jìn)入混凝土位置,鋼筋為陽極發(fā)生氧化反應(yīng),混凝土?xí)蛩a(chǎn)生的銹蝕產(chǎn)物堆積而開裂,造成破壞[4-6]。

城市軌道交通設(shè)計(jì)過程中,為盡量減少雜散電流對(duì)鋼軌回流系統(tǒng)、支持類基礎(chǔ)設(shè)施以及第三方基礎(chǔ)設(shè)施的影響,工程上會(huì)采取系列措施,以減小雜散電流危害[7-8]。BAHRA和CATLOW[9]總結(jié)了減少雜散電流泄漏的措施,包括保持高水平的軌地絕緣滿足接觸電壓的要求、采用有效的接地和連接方案、連接所有平行的軌道、短軌焊接為長(zhǎng)軌、上下行軌道間連接、建立雜散電流收集系統(tǒng)、降低回流軌電阻、減少牽引所間距、隔離軌道和結(jié)構(gòu)鋼,尤其采用道床排流網(wǎng)時(shí),確保軌道干燥、排水及時(shí)等,提出了監(jiān)測(cè)泄漏到系統(tǒng)外的雜散電流的必要性。牟龍華等[10]通過單邊供電單臺(tái)機(jī)車的簡(jiǎn)化電路模型說明了排流網(wǎng)的有效性。COTTON和CHARALAMBOU[11]研究了當(dāng)牽引系統(tǒng)有排流網(wǎng)時(shí),不同土壤電阻率下排流網(wǎng)的排流效率,結(jié)果表明,隨著土壤電阻率增加,從排流系統(tǒng)流過的雜散電流逐漸增大,當(dāng)土壤電阻率大于1 000 Ω·m時(shí),超過95%的雜散電流從排流網(wǎng)回到牽引所負(fù)極。

雜散電流的泄漏位置、泄漏大小、泄漏方向等隨著環(huán)境變化而變化,給雜散電流影響測(cè)量以及判斷對(duì)金屬構(gòu)筑物的影響帶來很大困難[12-13]。工程上通常將金屬極化電位作為反映受雜散電流影響程度的指標(biāo),通常只有陽極極化會(huì)造成金屬腐蝕。曹阿林[14]模擬了土壤環(huán)境中埋地金屬管線涂層破損情況下的雜散電流分布和極化電位變化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雜散電流將較集中的從破損點(diǎn)流入或流出金屬管線,破損點(diǎn)極化電位較涂層完好區(qū)段有明顯升高或降低。

鋼結(jié)構(gòu)極化電位的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)目前已在國(guó)內(nèi)外部分城市開展,如南京地鐵1號(hào)線[15]、廣州地鐵8號(hào)線[16]、臺(tái)北地鐵[17-19]、米蘭地鐵[20]、德黑蘭地鐵3號(hào)線[21]等。金屬極化電位作為雜散電流腐蝕的工程分析參數(shù),主要被用到以下方面:將測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較,判斷所建立模型是否足夠準(zhǔn)確;結(jié)合腐蝕現(xiàn)象和金屬極化電位評(píng)價(jià)雜散電流的具體影響;考慮極化電位不對(duì)稱系數(shù),評(píng)估金屬所受腐蝕影響水平。

目前將雜散電流與鋼結(jié)構(gòu)極化電位聯(lián)系起來的研究非常有限,為研究不同工況下雜散電流對(duì)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位的影響,建立了地鐵雜散電流對(duì)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位分布影響實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?針對(duì)不同牽引電流、存在鄰近金屬管線、隧道鋼筋橫聯(lián)及加裝排流網(wǎng)等情況,開展了隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布測(cè)試,相關(guān)結(jié)果能夠?yàn)楦纳齐s散電流防護(hù)工程措施,提高隧道結(jié)構(gòu)鋼筋耐腐蝕壽命提供參考。

1 隧道鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

水與土壤雖然是兩種不同的介質(zhì),但對(duì)于雜散電流泄漏影響而言,差別主要反映在介質(zhì)類型上,雜散電流形成的電流場(chǎng)在相同電阻率的均勻土壤與水中具有相似的分布規(guī)律。與土壤相比,水的顏色透明,易于觀察,均勻性好、電阻率改變時(shí)調(diào)節(jié)更加均勻,大型模擬裝置試驗(yàn)更為方便。因此,實(shí)驗(yàn)以水代替土壤媒質(zhì),建立地鐵隧道結(jié)構(gòu)鋼筋模型,如圖1所示。研究不同牽引電流、存在鄰近金屬管線、隧道結(jié)構(gòu)鋼筋互聯(lián)以及加裝排流網(wǎng)等工況下,雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位的影響。

圖1 隧道模型示意

隧道模型主體由環(huán)氧樹脂構(gòu)成,半徑為15 cm,內(nèi)部充滿空氣,不為雜散電流提供流通路徑。隧道外部沿隧道壁平行布置8根結(jié)構(gòu)鋼筋,位置及編號(hào)如圖1(c)中所示。將一根電阻絲置于隧道模型底部正中央,與結(jié)構(gòu)鋼筋平行,模擬走行軌。電阻絲中點(diǎn)與直流電源正極相連,模擬列車位置。電阻絲兩端與直流電源負(fù)極相連,模擬牽引變電所位置。當(dāng)電流從列車位置流出,通過電阻絲回到牽引變電所負(fù)極時(shí),由于縱向電阻的存在,部分返回電流將泄漏至環(huán)境介質(zhì)中,形成雜散電流。

水環(huán)境電阻率為30 Ω·m。實(shí)驗(yàn)初始選用長(zhǎng)100 cm、直徑0.3 mm、單位長(zhǎng)度電阻15.4 Ω/m電阻絲,對(duì)環(huán)境介質(zhì)等效絕緣電阻為2×10-4Ω·m。結(jié)構(gòu)鋼筋長(zhǎng)100 cm,單位長(zhǎng)度電阻4×10-5Ω/m,對(duì)環(huán)境介質(zhì)等效絕緣電阻為1×10-4Ω·m。每間隔10 cm取一個(gè)極化電位測(cè)量點(diǎn),共88個(gè)測(cè)量點(diǎn),測(cè)量采用Cu/CuSO4參比電極。通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓直流源,保持直流源輸出電流為1.5 A。

2 隧道鋼結(jié)構(gòu)沿線極化電位分布特性

2.1 牽引電流對(duì)隧道鋼筋極化電位分布影響

初始試驗(yàn)條件下各隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布如圖2所示,結(jié)構(gòu)鋼筋自然電位為-960 mV。由圖2可知,與鋼軌平行各隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線整體極化電位分布均呈“V”形,對(duì)應(yīng)兩端牽引所位置測(cè)量點(diǎn)極化電位值最高,陽極極化最嚴(yán)重。對(duì)應(yīng)列車位置測(cè)量點(diǎn)極化電位值最低,陰極極化最嚴(yán)重。

圖2 隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位

圖2中,第1號(hào)～4號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分別與第8號(hào)～5號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋呈近似對(duì)稱分布。由于隧道底部1號(hào)和8號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋距離鋼軌最近,所受雜散電流影響最大,沿線極化程度最高。2號(hào)和7號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋次之,相對(duì)于1號(hào)和8號(hào)鋼筋,整體極化程度有明顯減小。隧道上半部分3號(hào)～6號(hào)鋼筋由于距離鋼軌較遠(yuǎn),所受雜散電流影響有限,沿線極化電位分布較均勻,幾乎重合。8號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋上極化電位最大值與最小值相差141 mV,5號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋上極化電位最大值與最小值相差26 mV。與隧道底部結(jié)構(gòu)鋼筋相比,隧道頂部結(jié)構(gòu)鋼筋受雜散電流影響極化程度減少約81.6%。比較1號(hào)和4號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋可以得到相似的結(jié)論。

保持其他各項(xiàng)條件不變,改變牽引電流大小分別設(shè)置為1 A和2 A時(shí),隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布分別如圖2和圖3所示。由圖2、圖3可知,流經(jīng)鋼軌的電流越小,所產(chǎn)生的雜散電流越小,從而對(duì)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋的極化影響程度也越小。牽引電流從2 A減小到1 A后,對(duì)于第1和第8根結(jié)構(gòu)鋼筋,極化電位偏移程度降低了約68.5%;對(duì)于第2根和第7根結(jié)構(gòu)鋼筋,極化電位偏移程度降低約68.2%;對(duì)于第3根和第6根結(jié)構(gòu)鋼筋,極化電位偏移程度降低了約73.1%;對(duì)于第4根和第5根結(jié)構(gòu)鋼筋,極化電位偏移程度降低了約73.3%。

圖3 牽引電流1 A時(shí)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布

圖4 牽引電流2 A時(shí)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布

2.2 鄰近金屬管線對(duì)隧道鋼筋極化電位分布影響

保持各項(xiàng)初始條件不變,在與鋼軌同一水平面上,與8號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋水平距離10 cm處平行布置一根長(zhǎng)100 cm金屬管線,實(shí)驗(yàn)布置如圖5所示。結(jié)構(gòu)鋼筋及金屬管線自然電位為-960 mV。

圖5 鄰近金屬管線對(duì)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布影響實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

金屬管線沿線極化電位分布如圖6所示。圖6中,隧道結(jié)構(gòu)旁的金屬管線受到明顯雜散電流影響,整體分布與隧道結(jié)構(gòu)鋼筋相似,呈“V”形。金屬管線沿線極化電位發(fā)生不同程度偏移,極化電位最大值與最小值相差近100 mV,整體極化程度小于1號(hào)和8號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋,大于其他結(jié)構(gòu)鋼筋。

圖6 鄰近金屬管線沿線極化電位分布

選取1號(hào)、4號(hào)、7號(hào)、8號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋與無其他金屬管線時(shí)的極化電位分布進(jìn)行比較,如圖7所示。由圖7可知,其他金屬管線存在前后,第1號(hào)、4號(hào)、7號(hào)、8號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋上的沿線極化電位分布幾乎重合。實(shí)驗(yàn)設(shè)置位置的金屬管線雖然自身受到明顯雜散電流影響,但其存在對(duì)隧道各結(jié)構(gòu)鋼筋上的極化電位分布幾乎無影響。

2.3 隧道結(jié)構(gòu)鋼筋并聯(lián)對(duì)沿線極化電位分布影響

保持各項(xiàng)初始條件不變,在結(jié)構(gòu)鋼筋靠近兩端各15 cm處,分別用銅導(dǎo)線將8根結(jié)構(gòu)鋼筋連接,實(shí)驗(yàn)示意如圖8所示。結(jié)構(gòu)鋼筋自然電位為-960 mV。

圖8 隧道鋼筋并聯(lián)對(duì)沿線極化電位分布影響實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布如圖9所示,隧道模型各結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布規(guī)律與并聯(lián)前相似。選取1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、8號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋與隧道結(jié)構(gòu)鋼筋并聯(lián)前的極化電位分布進(jìn)行比較,如圖10所示。由圖10可知,當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋并聯(lián)時(shí),靠近鋼軌第1號(hào)、8號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位較不并聯(lián)時(shí)無明顯變化,整體極化程度在并聯(lián)前后基本保持一致。對(duì)于遠(yuǎn)離鋼軌第4號(hào)、5號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋,沿線整體極化程度較互聯(lián)前有所減弱,導(dǎo)體兩端對(duì)應(yīng)牽引變電所發(fā)生陽極極化位置,極化程度較并聯(lián)前下降約14.1%,中間對(duì)應(yīng)列車發(fā)生陰極極化位置,極化程度較并聯(lián)前下降約26.3%。隧道結(jié)構(gòu)鋼筋并聯(lián)能有效減少雜散電流對(duì)隧道頂部結(jié)構(gòu)鋼筋的影響,但是對(duì)靠近鋼軌附近結(jié)構(gòu)鋼筋影響不明顯。

圖9 隧道鋼筋并聯(lián)時(shí)沿線極化電位分布

圖10 隧道鋼筋并聯(lián)對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布影響

2.4 排流網(wǎng)對(duì)隧道鋼筋沿線極化電位分布影響

保持各項(xiàng)初始條件不變,在鋼軌下方加裝排流網(wǎng)。排流網(wǎng)由3根與電阻絲等長(zhǎng)且平行放置的鐵絲組成,每隔25 cm用銅導(dǎo)線進(jìn)行一次橫連。排流網(wǎng)寬10 cm,兩端直接與直流電源負(fù)極相連,排流網(wǎng)與鋼軌的垂直距離為5 cm,如圖11所示。結(jié)構(gòu)鋼筋自然電位為-960 mV。結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布如圖12所示。選取1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、8號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋與無其他金屬管線時(shí)的極化電位分布進(jìn)行比較,如圖13所示。

圖11 排流網(wǎng)對(duì)隧道鋼筋極化電位分布影響實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?單位:cm)

圖12 加裝排流網(wǎng)后隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布

圖13 加裝排流網(wǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布影響

由圖13可知,增加排流網(wǎng)后,靠近鋼軌第1號(hào)、8號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化程度有明顯增加,其中,陽極極化平均增加約23.4%,陰極極化均增加約33.2%。2號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋沿線整體極化程度較未安裝排流網(wǎng)時(shí)有輕微增加,3號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化程度較未安裝排流網(wǎng)時(shí)減小約16.7%。

排流網(wǎng)的存在使靠近走行軌和排流網(wǎng)的隧道結(jié)構(gòu)鋼筋受到更嚴(yán)重的雜散電流腐蝕,對(duì)于遠(yuǎn)離排流網(wǎng)的結(jié)構(gòu)鋼筋,排流網(wǎng)能夠降低雜散電流對(duì)金屬的腐蝕影響。

2.5 鋼軌與隧道鋼筋距離對(duì)極化電位分布影響

雜散電流流通路徑對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位分布有明顯影響,路徑主要反映在鋼軌與結(jié)構(gòu)鋼筋的距離上,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?7號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋與鋼軌直線距離和實(shí)際距離示意如圖14所示。以初始數(shù)據(jù)為例,表1給出了隧道結(jié)構(gòu)鋼筋極化程度隨距離變化關(guān)系,其中,Ln為n號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋與鋼軌的直線距離,Dn為n號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋與鋼軌的實(shí)際距離,ΔEn為n號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位偏移最大值。

表1 隧道結(jié)構(gòu)鋼筋極化程度與距離變化關(guān)系

圖14 隧道結(jié)構(gòu)鋼筋與鋼軌直線距離和實(shí)際距離示意

表1中,以8號(hào)結(jié)構(gòu)鋼筋為基準(zhǔn)值,對(duì)各結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化程度變化率隨距離變化關(guān)系進(jìn)行計(jì)算,可以發(fā)現(xiàn),隨著實(shí)際距離和直線距離的增加,結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化程度均呈指數(shù)衰減。當(dāng)實(shí)際距離增長(zhǎng)至1.92倍時(shí),結(jié)構(gòu)鋼筋整體極化程度下降約56%,衰減速率約為0.61。當(dāng)實(shí)際距離增長(zhǎng)至3.75倍時(shí),結(jié)構(gòu)鋼筋極化程度下降80%以上,衰減速率約為0.29。當(dāng)直線距離增長(zhǎng)至1.75倍時(shí),結(jié)構(gòu)鋼筋整體極化程度下降約56%,衰減速率約為0.75。當(dāng)實(shí)際距離增長(zhǎng)至2.55倍時(shí),結(jié)構(gòu)鋼筋極化程度下降80%以上,衰減速率約為0.52。在中空隧道模型中,結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化程度隨直線距離衰減速率均大于實(shí)際距離。

3 結(jié)論

建立地鐵雜散電流對(duì)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位分布影響實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?針對(duì)不同牽引電流、存在鄰近金屬管線、隧道鋼筋橫聯(lián)及加裝排流網(wǎng)等情況,開展隧道結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化電位分布影響實(shí)驗(yàn),主要結(jié)論如下。

(1)隧道附近存在其他埋地金屬管線時(shí),金屬管線自身會(huì)受到明顯雜散電流影響,但其存在對(duì)隧道各結(jié)構(gòu)鋼筋上的極化電位分布幾乎沒有影響。

(2)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋并聯(lián),能有效降低雜散電流對(duì)隧道頂部結(jié)構(gòu)鋼筋的影響,陽極極化與陰極極化程度較并聯(lián)前分別下降約14.1% 與26.3%,并聯(lián)對(duì)靠近鋼軌附近結(jié)構(gòu)鋼筋影響不大。

(3)排流網(wǎng)對(duì)雜散電流有一定吸附作用,加裝排流網(wǎng)將使靠近鋼軌和排流網(wǎng)的結(jié)構(gòu)鋼筋受到更嚴(yán)重的雜散電流腐蝕,平均極化程度增加約28.3%。對(duì)于遠(yuǎn)離排流網(wǎng)的金屬結(jié)構(gòu),排流網(wǎng)能有效降低雜散電流影響。

(4)結(jié)構(gòu)鋼筋沿線極化程度隨著鋼軌與結(jié)構(gòu)鋼筋距離的增加呈指數(shù)衰減,對(duì)于靠近和遠(yuǎn)離鋼軌的隧道結(jié)構(gòu)鋼筋,衰減速率分別為0.61～0.75和0.29～0.52。