林 湘 李 智

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 廣州 510010; 2.佛山軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東佛山 528315)

引言

地下水腐蝕對(duì)地鐵架構(gòu)耐久性有較大影響,已有許多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究。師瑩瑩認(rèn)為,硫酸根和鎂離子只是通過破壞鈍化膜達(dá)到間接腐蝕鋼筋的目的,而自身對(duì)鋼筋侵蝕較弱,鋼筋侵蝕主要由氯離子引起,當(dāng)氯離子濃度達(dá)到2 000 mg/L時(shí),腐蝕規(guī)律會(huì)發(fā)生突變[1];馮瓊等發(fā)現(xiàn)水膠比為0.35時(shí),鋼筋混凝土的耐腐蝕性最好[2];喬紅霞等通過多種試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)腐蝕環(huán)境下,水膠比為0.35,粉煤灰摻量30%的混凝土耐久性最佳[3-5];盧霄等通過試驗(yàn)研究,驗(yàn)證摻入硅灰及宏觀水膠比的降低可有效提升混凝土在雜散電流—氯鹽溶液—疲勞荷載三因素耦合條件下的抗腐蝕能力[6];劉恩軍等就闡述地下水的腐蝕機(jī)理,并結(jié)合深圳地鐵一期工程論述防治侵蝕性地下水的措施[7-8];周偉生在深圳地鐵建設(shè)中,提出雙摻技術(shù)、保證保護(hù)層厚度等措施[9]。曹權(quán)等對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)提出具體建議,按照GB50021—2009《巖土工程勘察規(guī)范》進(jìn)行評(píng)判,主體結(jié)構(gòu)按干濕交替考慮[10-11];黃文新針對(duì)廣州地鐵腐蝕環(huán)境下的結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行試驗(yàn)研究,并提出一些設(shè)計(jì)建議[12-13];尹濤等以廣州某地鐵站設(shè)計(jì)為例,采取方案比選及專家審查的形式,最終確定的方案為不提高混凝土強(qiáng)度等級(jí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗?jié)B等級(jí)由P6提高至P8,適當(dāng)增加主體結(jié)構(gòu)抗?jié)B等級(jí),外側(cè)保護(hù)層厚度采取50 mm,摻入粉煤灰和減水劑[14];楊永風(fēng)通過試驗(yàn),采用可靠度理論,預(yù)測(cè)某區(qū)間地鐵混凝土在碳酸水濃度為40 mg/L的地下水作用下的服役壽命約為115年[15];廈門、福州、青島等城市地鐵建設(shè)也有相類似的研究成果,但是多集中在研究腐蝕機(jī)理、統(tǒng)計(jì)分析等領(lǐng)域,對(duì)設(shè)計(jì)的建議均為籠統(tǒng)性,可操作性不強(qiáng)[16-20]。

目前,對(duì)耐久性設(shè)計(jì)有說明的規(guī)范主要有GB50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB50021—2009《巖土工程勘察規(guī)范》、GB/T50046—2018《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、TB10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》等,各規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)抗腐蝕性相關(guān)指標(biāo)均有要求,但可操作性不強(qiáng)。因此,以上述規(guī)范為依據(jù),以下結(jié)果深圳、廣州、佛山地區(qū)既有線路的設(shè)計(jì)做法,以期提出可供具有操作性的建議。

1 各規(guī)范要求

1.1 GB50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》

(1)11.1.7條規(guī)定,地下結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)宜按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50476《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

(2)12.2.4條規(guī)定,當(dāng)結(jié)構(gòu)處于侵蝕性地層時(shí),防水混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)不宜大于4.0×10-12m2/s,裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)不宜大于3.0×10-12m2/s。

(3)11.3.2條文說明,混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高會(huì)導(dǎo)致超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)混凝土的收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力增大。因此,設(shè)計(jì)時(shí)不宜盲目提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí),宜適當(dāng)采取措施控制混凝土的漲縮影響。

1.2 GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》

(1)3.2節(jié)環(huán)境類別和環(huán)境作用等級(jí)中,將環(huán)境類別分為Ⅰ～Ⅴ共5個(gè)類別,將環(huán)境作用等級(jí)分為A～F共6個(gè)等級(jí)(C～F為中等及以上腐蝕性環(huán)境下)。其中,佛山地區(qū)地鐵建設(shè)所處的腐蝕環(huán)境一般為Ⅳ和Ⅴ類環(huán)境下的C～F作用等級(jí),見表1。

表1 環(huán)境作用等級(jí)

(2)3.4節(jié)對(duì)混凝土最低強(qiáng)度提出要求,對(duì)設(shè)計(jì)使用年限為100年的結(jié)構(gòu),Ⅳ-C、Ⅳ-D、Ⅴ-C、Ⅴ-D腐蝕環(huán)境下,混凝土最低強(qiáng)度等級(jí)為C45,Ⅳ-E、Ⅴ-E腐蝕環(huán)境下,混凝土最低強(qiáng)度等級(jí)為C50。

(3)3.5節(jié)對(duì)結(jié)構(gòu)表面裂縫提出要求,C、D腐蝕環(huán)境下,結(jié)構(gòu)表面裂縫寬度限制為0.20 mm,E環(huán)境下,結(jié)構(gòu)表面裂縫寬度限制為0.15 mm。

(4)第6章對(duì)Ⅳ類環(huán)境下的最大水膠比和最小保護(hù)層厚度提出要求,見表2。

表2 Ⅳ類環(huán)境下混凝土強(qiáng)度等級(jí)、最大水膠比、鋼筋最小保護(hù)層厚度要求

Tab.2 Requirements for Concrete Strength Grade, Maximum Water Cement Ratio, and Minimum Protective Layer Thickness of Reinforcement in Class IV Environment

(5)第7章對(duì)Ⅴ類環(huán)境下的最大水膠比和最小保護(hù)層厚度提出了要求,見表3。

表3 Ⅴ類環(huán)境下混凝土強(qiáng)度等級(jí)、最大水膠比、鋼筋最小保護(hù)層厚度要求

Tab.3 Requirements for Concrete Strength Grade, Maximum Water Cement Ratio, and Minimum Protective Layer Thickness of Reinforcement in Class V Environment

1.3 GB50021—2009《巖土工程勘察規(guī)范》

本規(guī)范第12章“水和土腐蝕性評(píng)價(jià)”中,地下水腐蝕性分為強(qiáng)、中、弱、微共4個(gè)等級(jí);12.2.6條提出,水、土對(duì)建筑材料腐蝕的防護(hù)應(yīng)符合GB 50046《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。而專門針對(duì)地鐵的GB50307—2012《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》10.2.5條提出,對(duì)工程有影響的地下水應(yīng)采取水試樣進(jìn)行水質(zhì)分析,水質(zhì)分析試驗(yàn)應(yīng)符合GB50021《巖土工程勘察規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。

1.4 GB/T50046—2018《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》

(1)4.2.3條,在腐蝕環(huán)境下,設(shè)計(jì)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)混凝土耐久性基本要求見表4。

表4 結(jié)構(gòu)混凝土材料的基本要求

(2)4.2.5條,設(shè)計(jì)使用年限為50年的混凝土最小保護(hù)層厚度見表5。

表5 混凝土保護(hù)層最小厚度 mm

(3)4.2.4條,設(shè)計(jì)年限為50年的結(jié)構(gòu),對(duì)裂縫寬度允許值提出要求。中等腐蝕環(huán)境下,結(jié)構(gòu)表面裂縫寬度限制為0.20 mm;強(qiáng)腐蝕環(huán)境下,結(jié)構(gòu)表面裂縫寬度限制為0.15 mm。規(guī)范未對(duì)設(shè)計(jì)使用年限為100年的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊說明。

(4)4.2.7條,對(duì)承重構(gòu)件最小鋼筋直徑提出了要求,不宜小于16 mm。

1.5 TB10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》

(1)第4章環(huán)境中,將環(huán)境類別分為碳化環(huán)境、氯鹽環(huán)境等6個(gè)類別,每個(gè)類別根據(jù)環(huán)境條件又分為3～4個(gè)等級(jí)。

(2)第5章中,分別規(guī)定混凝土的原材料、配合比、強(qiáng)度、電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗硫酸鹽結(jié)晶破壞等級(jí)等要求。

(3)第6章對(duì)裂縫提出要求。

(4)第7章對(duì)保護(hù)層厚度提出要求。

1.6 各規(guī)范差異

由上述分析可知,各規(guī)范對(duì)于腐蝕性的評(píng)判及處理均不一致,以氯化物環(huán)境中的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為例,差異見表6。

表6 各規(guī)范差異分析

由表6可知,對(duì)于混凝土強(qiáng)度等級(jí)、水膠比、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、混凝土保護(hù)層厚度及裂縫寬度,各規(guī)范要求不同,無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)礦渣粉、粉煤灰及電通量等要求,僅TB10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中有明確要求,因此,需根據(jù)目前實(shí)際應(yīng)用情況,巧用規(guī)范。

2 工程實(shí)例

佛山地鐵4號(hào)線一期工程正線全長(zhǎng)55.25 km,其中地下段49.17 km,過渡段0.82 km,高架段5.26 km。共設(shè)33座車站(地下站30座、高架站3座),其中換乘站14座。全線設(shè)置車輛基地2座,分別為大塱山停車場(chǎng)和平勝車輛段。

工程所處環(huán)境地下水存在中-強(qiáng)腐蝕性,如何進(jìn)行針對(duì)性的處理成為本工程的難點(diǎn)。

依據(jù)相關(guān)規(guī)范,以既有線路的處理經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),從腐蝕性的判定、存在的問題進(jìn)行分析,制定本線路的處理方案,該方案具有規(guī)范滿足性強(qiáng),適應(yīng)范圍廣的特點(diǎn),可推廣應(yīng)用于其他類似工程。

2.1 腐蝕性等級(jí)判定

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)修改后的腐蝕性統(tǒng)計(jì)(見表7),從既有已出詳勘報(bào)告的情況分析,若按長(zhǎng)期浸水,各規(guī)范結(jié)論差異較大,若按耐久性標(biāo)準(zhǔn)判斷,超80%的圍護(hù)結(jié)構(gòu)都需采取特殊措施;若按干濕交替,需處理的站點(diǎn)也增加1倍。

表7 佛山地鐵4號(hào)線詳勘站點(diǎn)腐蝕性判定

2.2 腐蝕性處理存在的問題

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)

按長(zhǎng)期侵水考慮,采用勘察規(guī)范判定,少數(shù)點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)需特殊處理,參考佛山地鐵3號(hào)線、廣州地鐵7號(hào)線西延至順德段處理原則,在不提高混凝土等級(jí)的前提下,通過調(diào)整配合比來解決;若采用耐久性標(biāo)準(zhǔn),混凝土強(qiáng)度等級(jí)就不符合要求,且不能減小至C35,將帶來大體積混凝土澆筑問題,其綜合質(zhì)量不可控,執(zhí)行存在問題。

(2)主體結(jié)構(gòu)

按干濕交替考慮,采用勘察規(guī)范判定,10個(gè)點(diǎn)的主體結(jié)構(gòu)需特殊處理,參考佛山地鐵3號(hào)線處理原則,在不提高混凝土等級(jí)的前提下,通過調(diào)整配合比、加強(qiáng)檢測(cè)、控制保護(hù)層厚度及裂縫寬度來解決;若采用耐久性標(biāo)準(zhǔn),混凝土強(qiáng)度等級(jí)不符合要求,且不能減小至C35,與一貫做法不同。

3 處理方案

參考深圳地鐵11號(hào)線經(jīng)驗(yàn),結(jié)合佛山地鐵2、3號(hào)線實(shí)施情況,佛山地鐵四號(hào)線耐腐蝕性處理方案如下。

(1)混凝土強(qiáng)度

地下連續(xù)墻混凝土配合比的強(qiáng)度和抗?jié)B等級(jí)為水下C35和P8,試配時(shí)宜提高一級(jí)。主體結(jié)構(gòu)采用C35混凝土,在中等腐蝕性環(huán)境下,車站埋深小于20 m時(shí)抗?jié)B等級(jí)為P8,埋深20～30 m時(shí)抗?jié)B等級(jí)為P10;強(qiáng)腐蝕環(huán)境下,抗?jié)B等級(jí)為P10。區(qū)間管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,抗?jié)B等級(jí)為P12。

(2)水膠比

中等腐蝕環(huán)境下,水膠比≯0.40,強(qiáng)腐蝕環(huán)境下,水膠比≯0.38(侵蝕性碳酸環(huán)境≯0.36)。

(3)礦渣粉、粉煤灰、含氣量、坍落度

礦渣粉摻量為35%～40%,粉煤灰摻量為15%～20%,含氣量為4%～5%,塌落度取180 mm±20 mm。

(4)28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)(RCM法)

氯鹽侵蝕環(huán)境下,明挖結(jié)構(gòu)氯離子擴(kuò)散系數(shù)≤4.0×10-12m2/s,盾構(gòu)管片氯離子擴(kuò)散系數(shù)≤3.0×10-12m2/s。

(5)28 d混凝土抗硫酸鹽等級(jí)

硫酸鹽腐蝕中等腐蝕環(huán)境下≥KS90,強(qiáng)腐蝕環(huán)境下≥KS150。

(6)電通量

C35混凝土,56 d電通量<1 200 C,C50混凝土,56 d電通量<1 000 C。

(7)混凝土保護(hù)層厚度

Cl-離子、pH值強(qiáng)腐蝕條件下的明挖結(jié)構(gòu)外側(cè)保護(hù)層厚度取55 mm,中等腐蝕及其余腐蝕情況下明挖結(jié)構(gòu)外側(cè)保護(hù)層厚度取50 mm,區(qū)間管片外側(cè)保護(hù)層厚度為35 mm。

(8)結(jié)構(gòu)表面裂縫寬度

Cl-離子、pH值強(qiáng)腐蝕條件下,負(fù)一層處頂板及相鄰側(cè)墻位置裂縫寬度按0.15 mm控制,車站其余位置、區(qū)間管片均按0.20 mm控制裂;中等腐蝕條件下的裂縫寬度均按0.20 mm控制。

目前,4號(hào)線綠島湖北站已采用上述方案完成了主體材料的檢測(cè),水膠比取0.35,礦渣粉摻量為35%,粉煤灰摻量為15%,含氣量為4.4%,其中實(shí)際28 d強(qiáng)度為58.5 MPa,抗?jié)B等級(jí)為P12,56 d電通量為1195C,滿足設(shè)計(jì)要求。塌落度為210 mm。

4 結(jié)論

通過對(duì)不同規(guī)范、不同城市耐侵蝕性的處理方案分析,結(jié)合地鐵工程及佛山地區(qū)做法,提出一套耐侵蝕性處理方案,主要結(jié)論如下。

(1)地鐵圍護(hù)結(jié)構(gòu)建議采用C35,P8混凝土,試配時(shí)宜提高一級(jí)。

(2)主體結(jié)構(gòu)不宜提高混凝土強(qiáng)度等級(jí),可通過限制水膠比、采用雙摻技術(shù)、控制含氣量、坍落度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗硫酸鹽等級(jí)、電通量等方式進(jìn)行材料耐久性處理。

(3)Cl-離子、pH值強(qiáng)腐蝕條件下,明挖結(jié)構(gòu)外側(cè)保護(hù)層厚度取55 mm,中等腐蝕及其余腐蝕情況下明挖結(jié)構(gòu)外側(cè)保護(hù)層厚度取50 mm,區(qū)間管片外側(cè)保護(hù)層厚度為35 mm。