隧道工程耐久性设计

关键词：隧道工程；耐久性；衬砌结构；工程设计

锚杆隧道围岩进行加固能起到防水和承重的作用，从而减少衬砌结构层的承重和防水压力［２］。初期支护结构能够与围岩之间相互协调，最大限度地释放围岩的自承能力，这是整个隧道工程质量的最关键影响因素之一。

1.1注浆材料

隧道围岩加固的注浆材料实现其耐久性的设计关键点主要在两个方面：第一，应当按照隧道结构所处地质地形条件和水文环境来选择适当的注浆材料；第二，应当充分考虑到注浆材料中水泥的抗腐蚀能力。用于隧道围岩加固的注浆材料包括三大种类：水泥浆液类、水泥化学浆液类、化学浆液类。当隧道结构所处的地下环境含水量较小且无腐蚀性，水泥浆液类可满足隧道耐久性要求；当隧道结构所处的地层位于断层破碎带时，则该地段的地下水含量较大，应当选取水泥化学浆液类。当隧道结构处于腐蚀性地下水的环境中，应当选用高炉矿渣水泥等耐久性好的特殊水泥材料。

1.2锚杆

随着隧道运营时间的不断增加，如果隧道围岩中存在裂缝，地下水就会沿着裂缝处渗漏，对锚杆钢材产生腐蚀作用，降低锚杆的抗拉强度，从而对隧道结构的耐久性产生不利影响。隧道工程用来加固围岩的锚杆实现其耐久性的设计关键点主要在三个方面：第一，应当根据隧道结构的围岩条件、锚杆允许布置角度来选择合适的锚杆类型；第二，锚杆与隧道围岩之间所使用的黏结材料应根据其所处的地下水环境的腐蚀作用大小来确定；第三，当隧道结构所处的地下水环境的腐蚀作用比较剧烈，必须采取一定的措施来提高锚杆杆体的抗腐蚀性能。国内的隧道设计中的锚杆类型大多是全长黏结锚杆。当隧道结构所处的岩土层倾角较小时，全长黏结型锚杆与围岩之间可以视为组合梁，此时锚杆能够改善隧道整体结构受力，使围岩的稳定性得到很大程度的提高；当隧道结构位于围岩较好的地段，如果锚杆杆体的布置角度较小，可以选择砂浆锚杆或药卷锚杆；当隧道结构位于腐蚀性较强的地下水环境中，应当在全长黏结型锚杆的表面进行防腐蚀处理。

1.3网构格栅钢架＋喷射混凝土

隧道工程中网构格栅钢架＋喷射混凝土围岩支护实现其耐久性的设计关键点主要在三个方面：第一，隧道围岩的初期支护进行混凝土喷射时，材料应满足混凝土的耐久性要求；第二，隧道围岩喷射混凝土时应当选择湿喷工艺；第三，网构格栅钢架的格栅内侧和格栅外侧留设的保护层厚度应当满足相关规范及标准的要求.隧道围岩初期支护时喷射混凝土使用的水泥应当符合耐久性要求；进行混凝土喷射时采用湿喷方法不仅可以控制水泥用量、水灰比、速凝剂掺量等，还能够减少混凝土收缩开裂现象；隧道结构在设计时一般应在格栅内侧和外侧分别设置２ｃｍ、４ｃｍ的保护层；此外，可以通过增加保护层的留设厚度来能减少地下水对全长黏结锚杆钢筋的锈蚀作用，从而改善锚杆的耐久性能［３］。

隧道结构要实现耐久性所涉及的防排水系统主要包括围岩注浆堵水、初期支护防水、环向盲沟排水、防水层防水、纵向排水盲沟、路面边沟排水、中心排水沟、二次衬砌防水、变形缝和施工缝防水等。隧道工程的防排水系统实现其耐久性的设计关键点主要在三个方面：第一，隧道工程必须布置完善的防水系统和排水系统，从而保证隧道结构能够有效地防水，同时使隧道内排水更加顺畅。第二，用于修筑路面边沟和中心排水沟的混凝土耐久性能应当与修筑主体结构的混凝土耐久性能保持一致；第三，变形缝和施工缝的防水措施较为关键，不仅要满足防水需求，还要保证止水带等材料的力学性能能满足耐久性要求。

2.1防水层

隧道结构的防水层设计关键点主要在于如何选择合适的材料。隧道防水层的防水材料必须具有抗渗性能好、抗腐蚀性强及耐久性好等优点。与此同时，防水材料还应当有较大的柔性和延伸率以及较大的抗拉强度、抗剪强度。防水层在施工作业时可以选择无钉铺设、搭接或焊接等施工工艺来加强防水层的薄弱环节，从而提高防水层的防排水能力。

2.2路面边沟或中心排水沟

当隧道工程处于含水量较大的地段，设计时往往采用中心水沟或隧道两侧暗埋边沟来排除隧道内的积水。当隧道工程所处的地下水环境有腐蚀性，边沟或排水沟的耐久性也必须满足耐久性要求，建议边沟或排水沟采用塑料材料来提高其耐久性。

2.3变形缝和施工缝

隧道结构在施工过程中不可避免地会出现变形缝和施工缝，这些部位容易出现地下水渗漏现象，是隧道工程防排水应当重点关注的因素之一。变形缝和施工缝的防水一方面应当确定合适的防水方式，另一方面要控制止水带、止水条等在衬砌环间发生错动时的力学性能。

根据隧道工程因素所处的环境主要有四种［４］：一般环境、冻融环境、氯化物环境、化学环境，后三种环境均具有较大的腐蚀作用。隧道结构所处环境中的气体、水以及各种有害元素会通过混凝土的表面迁移进入混凝土的内部，从而对隧道工程的衬砌结构产生剧烈的腐蚀作用。出现腐蚀作用的各种环境均和地下水密切相关，比如锚杆钢筋的锈蚀和混凝土冻蚀要地下水的直接参与；地下水对氯化物腐蚀和化学腐蚀产生“搬运”作用，从而使得有害物质产生迁移。隧道所处的环境中如果没有地下水的作用，即使含有有害元素，也只能在衬砌结构混凝土的表面出现腐蚀。故隧道工程在进行耐久性设计时应当充分考虑地下水对隧道衬砌结构产生的腐蚀作用。下文将分别介绍一般环境和腐蚀环境对隧道衬砌结构产生的不利影响。

3.1一般环境

当隧道工程处于一般环境条件下，环境作用对衬砌混凝土的影响包括混凝土的碳化作用、混凝土在地下水的作用下出现的溶出性侵蚀等。隧道结构的初期支护的喷射混凝土受到大气的影响较小，考虑混凝土的碳化作用时没有意义的。与此同时，隧道工程初期支护的钢架、锚杆等构件也不易发生锈蚀。如果隧道结构的防水设计是采用防排水结合的设计理念，则应当控制混凝土的溶出性侵蚀。隧道工程的二次衬砌结构，不仅要考虑混凝土的碳化作用，还要考虑混凝土的溶出性侵蚀。由上可知，在一般环境条件下，隧道结构所受到的影响较小，在进行隧道工程设计时，一方面可通过提高混凝土的抗腐蚀性能，另一方面可通过加大保护层厚度等办法来减小环境的不利影响。一般环境条件下隧道结构设计的关键点包括两个方面：第一，隧道结构选择初期支护和二次衬砌支护一起来分担围岩的荷载；第二，初期支护在进行设计时应当选择地层结构法，二次衬砌支护在进行设计时应当选择荷载结构法。

3.2腐蚀环境

当隧道工程处于冻融循环或者含有氯化物等有害元素的环境中，必然会受到腐蚀作用。腐蚀环境条件下隧道工程设计的关键包括两个方面：第一，隧道工程的初期衬砌结构的耐久性一般不能满足设计要求，可将其作为临时结构来进行设计。同时，隧道工程的二次衬砌结构是用来承受各种荷载作用的影响，应当将其作为永久结构来进行设计；第二，初期衬砌结构在进行设计时应当选择地层结构法，二次衬砌支护在进行设计时应当选择荷载结构法。此外，Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩地段的地下水串流到Ⅰ级围岩、ＩＩ级围岩和Ⅲ级围岩地段的可能性较大，因此，在设计受地下水影响的Ⅰ～Ⅲ级围岩地段的隧道结构时一般使用Ⅳ～Ⅴ级围岩地段隧道设计方法。

本文对考虑耐久性的隧道工程设计关键点展开了详细的分析，主要得到了以下结论：第一，应当根据隧道工程所处的质条件和水文条件来选择适当围岩加固和支护材料；第二，用于修筑路面边沟和中心排水沟的混凝土耐久性能应当与修筑主体结构的混凝土耐耐久性保持一致；第三，隧道结构的初期支护一般作为临时施工结构进行设计，在进行设计时选择地层结构法。二次衬砌应当按照永久结构进行设计，在进行设计时选择荷载结构法。