轨道交通地下工程混凝土结构耐久性问题的实践

中国电建集团铁路建设有限公司，北京 100084

轨道交通地下工程结构一旦出现问题，在运行过程中开展相应的维修工作是非常困难的，会严重影响整条线路和网络运行的有序性，因此在工程竣工验收后，能否在各种环境因素的影响下，满足设计使用年限的需求是十分关键的，这成为当前轨道交通地下工程研究的重点内容。目前，轨道交通网络的发展非常发达，但存在的地下工程混凝土结构耐久性问题也更加突出，因此各个区域针对正在建设以及拟建轨道交通工程，提出了更高的建设和设计要求，期望其使用年限达到百年。

1 工程结构耐久性影响因素

荷载因素会对钢筋混凝土结构造成一定的损坏，但环境因素也会使其出现老化问题，主要包括以下几方面的影响因素。

1.1 冻融循环

针对地下环境，冻融循环对结构产生的破坏力度非常大。以上海为例，其所在区域的气候环境为亚热带海洋性季风，最低温度为9.4℃，最冷月份的平均温度为4.1℃，稍大于微冻区域的气温要求。上海地铁车站可以承受的最低温度为6.1℃，隧道、站台以及地下站厅中的最低温度高于10℃，因此地下车站和盾构隧道内部设置的混凝土结构，不会受冻融循环的影响而造成任何破坏[1]。

1.2 地下水

地下水会对钢筋产生一定的侵蚀作用，因为水中含有Cl-和SO42-，属于有害离子，一旦钢筋出现锈蚀情况，会发生膨胀，进而对混凝土结构造成一定的影响和破坏，降低其具备的荷载能力[2]。上海有着较高的地下水位，加之地下车站和建设的盾构隧道有10～30m的较大埋深，需要承受来自地表水和承压水的双重影响。经过检测，上海区域的地表水，含有的Cl-属于b级和c级之间；而地铁工程某些区域地层环境水中含有SO42-，属于V1-C类标准。因为对地下水的开采越来越多，在环境恶劣发展的状况下，浅层承压水内含有的有害离子正在逐步增多，目前其有害离子含量依然小于地表水，所以并没有影响深层承压水的品质。但是由于高水头压力的作用，会加速扩散有害离子，并且压力水会长期对混凝土表面产生作用，析出游离钙，因此会严重影响混凝土结构[3]。

1.3 碳化作用

如果混凝土中的碳化深度大于钢筋保护层厚度，便会使钢筋表面发生钝化效应，进而加速钢筋的锈蚀程度。在现场对其测试后发现，上海地铁运营过程中依照CO2、CO浓度高低进行排列，具体为风井＞站台＞站厅＞隧道和站台交界处＞隧道内部。其中，隧道内部的CO2、CO浓度只有风井的50%；区间隧道与站台的交界区的CO2、CO浓度在运营前和运营后并没有太大的变化[4]。在运营过程中，地铁中的空气状况与人流量有直接的联系，客流量增大时，空气中存在的CO2也会有所增大。CO2对地下车站混凝土结构会产生非常显著的碳化效果，而盾构隧道具备的CO2浓度则相较而言会低一些，因此炭化产生的影响也相对较小。

1.4 干湿交替

结构内部如果存在干湿交替问题，会加快碳化作用和有害离子在混凝土中的扩散速度。而且轨道交通地下工程的环境便是干湿交替，具体为环境—客流—环控。因为湿度梯度的存在和环控产生的作用，即便混凝土表面没有任何湿迹，也会有地下水渗漏问题，这是因为蒸发超过了渗透的速度。

在地下车站运营过程中，经过检测其湿度大概为20%～80%，如果客流量较少，会因为环控系统产生的作用，其相对湿度不会大于40%。但在地铁运营前，因为环控系统处于闭合状态，所以会增大湿度，一般都大于60%。盾构系统中的湿度会更大一些，但没有非常大的变化幅度，因此不会有非常显著的干湿交替情况。

1.5 裂缝

结构耐久性最关键的一项薄弱点便是混凝土结构出现裂缝问题，控制裂缝也是耐久性设计和工程施工中非常关键的一项步骤。裂缝分为微观性裂缝和宏观性裂缝。微观性裂缝是混凝土在硬结过程中逐渐形成的一些微孔和小裂缝，具体包括黏结裂缝、骨料裂缝以及砂浆裂缝。混凝土未受力前，一般为前两种微观裂缝；受力后，微观裂缝会连通微孔，进而发生宏观裂缝。从尺寸上进行区分，宽度不大于0.5mm的裂缝属于微观裂缝，超过这一数值，则属于宏观裂缝[5]。

2 工程结构耐久性设计要求

（1）要对相应的结构形式进行选择，保证科学性和合理性，有益于结构具备更强的抗裂、防震以及耐久性，符合构造要求[6]。同时，需要充分考量运营后产生的荷载变化及结构变形等影响因素。（2）慎重挑选水泥、矿粉等基本原材料，确保原材料具有稳定的质量，并有益于混凝土防裂、防渗。（3）需要合理降低混凝土中的水胶比和单方混凝土用水量，并将粉煤灰及矿粉等矿物掺合料加入混凝土，并应用减水剂。（4）提升钢筋混凝土的保护层厚度。（5）如果是全新的混凝土结构物施工，相应的保湿和养护工作一定要及时到位，并且要对相应的养护时间给予保障。（6）地下车站中的侧墙和顶板因为出现开裂及渗水的概率会比较大，所以从结构设计、材料选用、正式施工一直到施工管理等各个层面，都要开展相应的抗裂和抗渗施工，并做好相应的防护措施。此外，因为盾构隧道管片接缝经常会有渗水现象发生，所以要谨慎选用防水防渗措施，从而保障其合理性和有效性。（7）结构预埋件和相应的连接件要做好防腐蚀措施，使其具备更强的耐久性。（8）挑选的管片接缝防水材料需要具有非常理想的耐久性，并具备一定的抗老化性。

3 工程结构耐久性施工要求

结构耐久性施工属于非常关键的施工步骤，直接影响工程的耐久性能和整体质量，需要做好以下三个方面的工作。

3.1 管理要求

混凝土配合比一定要经过相关单位的试配，并提交具体的检验报告，审核通过后才能应用到实际工程中的混凝土配比。

3.2 混凝土浇捣要求

工程施工人员对内衬墙开展施工作业前，需要先堵漏围护结构，在验收合格后，才可以开展内衬墙的一系列施工内容。模板立模一定要非常牢靠，其要求包括模板要平整、接缝要严密以及具备跑模漏浆预防措施。结合各季节情况、外部气候等，挑选合理的混凝土浇捣施工时间，这样更有益于防裂抗渗。在工程施工中，有些部位非常容易出现渗漏，如接驳器设置区域，因此要加强相应的振捣施工，防止过振问题，改善混凝土的密实度。同时，控制混凝土的入模温度，在夏季施工时，温度不能高于25℃；在冬季施工时，温度不能低于5℃，并且相应的保温保暖措施必不可少。混凝土内部和外部的温差不能高于20℃，严格把控结构的保护层厚度。其中，可以利用专门定制的钢筋定位垫块，提高钢筋安装的定位精度，并限制使用工地现场制造的垫块。

3.3 混凝土养护要求

一定要高度重视混凝土的早期和全过程养护，尤其是完成内衬侧墙混凝土工作后，要进行早期混凝土养护工作。养护内容的开展需要结合设计提出的要求和标准，其中，由于双掺混凝土结构需要具有抗裂性和防渗要求，因此相应的养护期要高于21d，外部气温环境如果小于0℃，还要对新浇筑的混凝土进行覆盖，并做好加热和保温措施。混凝土并不会受到低温产生的冻害，如果混凝土结构没有满足设计强度，且养护时间也不到位，不可以提前拆模。

4 结束语

混凝土结构耐久性与轨道交通工程提出的使用百年要求有着紧密联系，需要将其贯穿整个生命周期，严格编制工作细则和检修标准，并进行相关的设计工作和施工，加大运营过程中的维修和检修力度。同时，除了重视混凝土结构的耐久性，采用的其他工程材料也要符合耐久性要求，以便真正实现百年应用的目标。除此之外，要谨慎挑选并应用新工艺和新材料，使其能够承载时间对其的考验。