整环的单位是什么(硫酸盐侵蚀环境下公路隧道加固改造技术研究)
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整环的单位是什么(硫酸盐侵蚀环境下公路隧道加固改造技术研究)
田正 刘燕鹏
中交第一公路勘察设计研究院有限公司 中交瑞通路桥养护科技有限公司
摘 要：公路隧道受到地下水中硫酸盐矿物质的侵蚀作用，混凝土会逐渐发生结晶疏松、强度降低、成层剥离等病害，严重影响隧道的使用功能和运营安全。对硫酸盐侵蚀环境下公路隧道进行加固改造的关键在于“治水”,且最大限度利用原结构的剩余承载能力，提高衬砌结构的安全系数，达到安全、环保、经济的目标。依托工程实践，对复合式高抗硫酸盐混凝土套拱为主的综合加固改造技术进行分析研究，结果显示：该技术可显著改善隧道的抗硫酸盐侵蚀能力，提高原衬砌支护结构的强度、刚度及稳定性，确保隧道运营安全。
关键词：公路隧道;硫酸盐;侵蚀环境;加固改造;
截至2020年底，我国公路隧道总计21 316处、2 199.93万m, 其中特长隧道1 394处、623.55万m, 长隧道5 541处 、963.32万m[1]。我国地域辽阔地质条件复杂，公路隧道穿越的山体中分布着大量硫酸盐等侵蚀性矿物质，随着运营时间的增长，混凝土受到地下水中硫酸盐侵蚀，发生结晶疏松、强度降低、成层剥离等病害，导致衬砌结构承载能力逐渐下降，严重影响隧道的使用功能和运营安全，需进行加固改造。
目前，我国科研工作者在硫酸盐对混凝土侵蚀领域开展了一定的科研工作：如中南大学刘赞群[2]对硫酸盐侵蚀混凝土的基本机理进行了研究；浙江大学董宜森[3]对硫酸盐侵蚀环境下混凝土的耐久性能进行试验研究；西安建筑科技大学姜磊[4]对硫酸盐侵蚀环境下混凝土的劣化规律进行了研究；昆明铁路局李小坤[5]等对硫酸盐侵蚀环境下铁路隧道结构病害等级进行了研究；石家庄铁路职业技术学院王海彦[6]等对隧道衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀耐久寿命预测模型进行了分析研究。
在工程实践领域，对硫酸盐侵蚀环境下公路隧道的加固改造应用研究偏少，现行《公路隧道加固技术规范》[7]也主要是正常环境下的隧道加固技术，对硫酸盐侵蚀环境下隧道加固改造尚没有明确的规定。现结合工程实例，从侵蚀机理、数值计算、加固设计、加固施工等各方面，对硫酸盐侵蚀环境下公路隧道加固改造技术进行系统性研究。
1 侵蚀机理
总体上，硫酸盐对混凝土的侵蚀分为物理侵蚀和化学侵蚀两种。发生物理侵蚀时，蒸发作用使地下水中硫酸盐向混凝土背水面迁移，同时硫酸盐在混凝土孔隙内的浓度逐渐提高，达到饱和时在衬砌表面和内部孔隙中形成白色结晶体，硫酸盐在结晶过程中，体积变大形成膨胀压力，导致衬砌混凝土内部受力发生开裂破坏[2],见图1(a)。发生化学侵蚀时，地下水中的SO42-与混凝土中的Ca(OH)2、3CaO·Al2O3·6H2O发生化学反应生成3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O(钙矾石)或CaSO4·2H2O(二水石膏),生成物固相体积增大近2倍，体积膨胀引起的内压力导致互相挤压，使混凝土结构发生膨胀破坏[6],并且水泥石材料成分和结构发生变化，损失胶凝性，强度显著降低，引起混凝土劣化、开裂、剥落，见图1(b)。
硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙、水化铝酸钙发生化学反应生成钙矾石和二水石膏见式(1)和式(2):
Ca(OH)2+3CaO·Al2O3·6H2O+2CaSO4+ MgSO4+ 25H2O→Mg(OH)2+3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O (1)
图1 隧道物理侵蚀和化学侵蚀
Ca(OH)2+2H2O+MgSO4→Mg(OH)2+CaSO4·2H2O (2)
对于硫酸盐侵蚀，目前工程领域主要采用较高等级的混凝土，并且使用抗硫酸盐水泥，提高水泥的用量，降低水灰比，增强混凝土的密实性，防止侵蚀的发生[8]。
2 工程实例
2.1工程概况
G312线六盘山隧道位于宁夏回族自治区固原境内，为单洞双向两车道隧道，长度2 385 m,始建于1991年，1996年底建成通车，是我国早期修建的重点长隧道。隧道运营桩号K1860+950～K1863+335,进口设计高程2 335.30 m,出口设计高程为2 392.54 m,隧址区地势西高东低，隧道纵坡为+2.40%,建筑限界净宽10.50 m,净高5.00 m。由于地质条件及早期建设技术水平问题，施工时发生多达210次塌方，塌腔平均高度5 m,最大高度约45 m,并伴有涌水、突泥等病害，并且地下水中硫酸钙、硫酸镁等硫酸盐含量较高。
隧道通车以来，由于受地下水中硫酸盐侵蚀影响，衬砌混凝土产生劣化、结晶、溶蚀等病害，见图2,先后3次进行加固处治，均未能彻底根治。病害经过长期发展后，该隧道出现衬砌变形、结构开裂、坍塌掉块等严重病害。特别是2012年～2014年，隧道局部衬砌发生坍塌，严重影响隧道洞内行车安全，为保证隧道运营安全，全隧道在衬砌表面设置钢拱架进行临时防护。2016年检测单位对该隧道进行专项检查，隧道土建结构评定等级为5类，按照现行《公路隧道养护技术规范》要求应及时关闭隧道，然后实施病害处治。
图2 隧道衬砌病害
2.2检测结果
(1)水质分析。
对隧道地下水进行水质分析，六盘山隧道环境类型为Ⅰ类，腐蚀介质主要为硫酸镁和硫酸钙，地下水硫酸根离子含量275～4 071 mg/L,对混凝土结构的腐蚀性评价为弱～强腐蚀，地下水pH值为5.6～6.6,为弱酸性水，经对比分析隧道西安侧地下水腐蚀性较兰州侧强。可溶物含量为1 117 ～16 021 mg/L,矿化度较高，容易产生结晶沉淀物堵塞排水系统，隧道内病害和地下水水质分析见图3和表1。
(2)混凝土强度检测。
经检测，六盘山隧道衬砌存在明显的渗漏水病害，表面浸渗为主，局部滴漏状，衬砌大面积泛碱结晶。对隧道典型断面进行强度检测，共选取118个断面，每个断面左右边墙、左右拱腰、拱顶各取1处测区，总计590处。经对比，有328处测区满足设计强度，强度合格率为55.6%,衬砌劣化严重部位混凝土最小强度值为6.3 MPa,在局部衬砌疏松脱落强度完全损失的部位未进行检测。2012年检测时，混凝土强度合格率为67.76%,说明到2016年时衬砌混凝土强度降低趋势显著。
图3 隧道内病害
表1 地下水水质分析结果
桩号 | K1860+967 | K1861+217 | K1861+650 | K1861+705 | K1862+360 | K1862+510 | K1862+780 | K1863+028 |
| 5.6 | 6.0 | 6.6 | 6.2 | 6.4 | 6.6 | 6.4 | 6.0 |
| 2 013 | 2 539 | 4 071 | 2 288 | 896 | 632 | 886 | 879 |
| 5 146 | 11 738 | 16 021 | 3 930 | 8 130 | 1 117 | 1 614 | 1 580 |
| 371 | 364 | 860 | 209 | 12 | 9.4 | 10 | 12 |
2.3病害成因分析
(1)早期隧道防排水系统设置不完善，当地下水中矿物质含量高时，易结晶沉淀堵塞部分排水系统。
(2)衬砌背后存在大量的空洞、脱空，含硫酸盐的地下水在此汇集，无法顺畅排出，经年累月不断向衬砌表面渗透，产生结晶、劣化等侵蚀破坏。
(3)隧道位于高纬度、高海拔地区，冬季在渗漏水部位发生结冰冻涨现象，对混凝土结构产生破坏。
(4)随着衬砌受侵蚀劣化剥落，衬砌混凝土有效厚度逐渐减小，承载能力显著降低，在外部荷载作用下发生变形、开裂。
(5)隧底受地下水长期浸泡，围岩(泥岩)软化变形，衬砌墙脚部位会发生沉降，导致发生环向、斜向裂缝。
综上所述，从强度分析，受地下水中硫酸盐的侵蚀作用，混凝土强度逐年下降，已出现严重剥离、强度丧失现象；从刚度分析，衬砌劣化导致有效截面厚度逐渐减小，刚度降低，出现变形、开裂病害；从稳定性分析，长时间运营过程中泥岩遇水浸泡软化，发生不均匀沉降，稳定性下降。
3 改造方案
3.1方案论证
本着“一次处治、不留后患”的原则，从安全性、环保性、经济性3个方面深入论证，加固改造时不仅要彻底解决腐蚀性地下水的问题，还要保证加固材料能够抵抗硫酸盐侵蚀，最终在衬砌结构的强度、刚度、稳定性3个方面均得到提高。由于套拱加固方案可避免 “大拆大挖”,最大限度利用原衬砌结构的剩余承载能力，提高衬砌支护结构的强度、刚度及稳定性，因此最终确定采用复合式高抗硫酸盐混凝土套拱为主的综合方案，方案的难点、关键点如下。
(1)对原有防排水系统进行改造完善，彻底解决渗漏水问题，将腐蚀性地下水顺畅排出洞外是加固改造能否成功的关键。
(2)新增套拱结构不仅需保证足够承载能力，还要选择针对性的材料有效抵抗硫酸盐的侵蚀。
(3)最大限度地利用原结构的承载能力，确保新旧结构有效连接、共同承载，是套拱加固能否成功的关键。
(4)新增套拱结构后，确保不侵入建筑限界，不降低原隧道的设计服务水平。
3.2数值计算
(1)计算方法。
采用ANSYS软件建立数值计算模型，根据套拱结构荷载承担比例由所在段落的围岩和衬砌病害程度确定，采用破损阶段法进行验算。通过构件截面破损阶段强度值与正常受力状态强度值进行对比，得到衬砌结构加固后的安全系数[9]。
(2)计算结果。
①套拱加固后，衬砌轴力、弯矩计算结果见图4。
图4 衬砌套拱加固后内力云图
由图4可以看出：套拱结构整体受压，仰拱部位发生最大压力，最大值为-907.13 kN;最小值发生在拱顶部位，为381.40 kN。拱顶和仰拱区域主要为混凝土内表面受拉，外表面受压，最大的弯矩值为131.74 kN·m, 拱脚内表面受压，外表面受压，最大弯矩值为-73.21 kN·m。
②结构安全系数。
按《公路隧道设计规范》对衬砌结构加固后的安全系数进行核算，各部位安全系数见图5。
图5 衬砌加固后安全系数分布
由图5可以看出，衬砌经套拱加固后，边墙处安全系数较大，拱顶、拱腰及拱脚处安全系数较小，安全系数值为3.14～19.16,均大于《公路隧道设计规范》中对于钢筋混凝土衬砌安全系数2.4的要求[10]。
3.3加固设计
六盘山隧道以复合式钢筋混凝土套拱为主的综合加固改造设计如下。
(1)为使隧道空洞位置结构恢复良好的受力状态，避免空洞内积水，设计考虑对衬砌背后空洞进行回填处治。回填材料选用自重小的泡沫混凝土轻型材料，不但能优化隧道衬砌结构受力情况，还可有效降低上部落石对隧道衬砌的冲击荷载。
(2)路面下挖保证套拱、仰拱施作空间，针对原仰拱结构薄弱采用加深、加厚施作新仰拱，优化结构受力，根据衬砌内轮廓情况，衬砌表面施作钢筋混凝土套拱，以增强隧道衬砌结构的安全性。
(3)在套拱与原衬砌之间设置完善的防排水系统，套拱与原衬砌之间增设防水板，对淤积严重的中心排水沟进行拆除重建，以保证套拱结构后续运营期的耐久性。
(4)针对隧道地下水存在硫酸根离子结晶腐蚀性问题，对新增套拱结构、仰拱结构等均采用C40高抗硫酸盐水泥混凝土。
(5)采用复合式防水层为EVA防水板+两层无纺土工布，土工布的密度为350 g/m2,EVA板厚1.5 mm。复合式防水层具有较强的耐硫酸盐碱性侵蚀的性能，在硫酸盐环境下可保证物理和化学性能的稳定。
(6)隧道原衬砌存在的整环滴漏、大面积浸渗及衬砌背后赋水段，在拱脚环向排水管位置设ϕ40引水孔，通过独立横向引水管直接排入中心沟。
(7)中心沟采用DN600双壁打孔HDPE波纹管，设置于仰拱以下，利于保温，同时可降低隧底水位，防止地下水腐蚀仰拱。
加固设计见图6。
4 加固施工
4.1施工概况
六盘山隧道加固施工需要开挖隧底、拆除临时钢架、修整衬砌断面，施工工序多、扰动大，加之部分区段隧道衬砌劣化严重、厚度过薄或背后存在空洞、虚渣，施工时稍不注意极有可能导致上部结构发生失稳、坍塌[11]。因此在对现场实际情况进行研判的基础上，结合积累的设计经验，提出了5类隧道套拱加固施工安全流程，见图7和图8。
图6 隧道加固设计
单位：cm
图7 套拱加固施工流程
(1)加固施工前，采用4.5 m长ϕ108钢管进行注浆锁脚，避免隧底开挖影响上部结构的稳定性。
(2)对衬砌背后存在空洞注入轻质泡沫混凝土填充，背后虚渣采用小导管注浆进行固结，注浆压力不大于0.1 MPa。
(3)保证上部结构稳定的基础上再进行隧底开挖，降低既有路面高度55 cm, 并施作仰拱和中心排水沟。
(4)对原衬砌严重劣化、强度降低严重的段落，采用高抗硫酸盐喷射混凝土配合钢拱架对衬砌进行换拱处理。
(5)对原衬砌表面缝宽大于0.2 mm结构性裂缝，施工时采取凿浅槽注入裂缝修复胶的方式进行处治。
(6)套拱混凝土浇筑前，对隧道内轮廓富余情况进行断面测量，若套拱施作空间不足，根据测量情况对原二次衬砌断面侵入范围进行处理。
(7)施作防排水系统、套拱结构、路面和检修道等。
4.2加固后效果
六盘山隧道经复合式套拱加固后，隧道衬砌承载力得到明显提升，隧道安全性得到有效保证，经针对性加固后，隧道由运营安全风险极大的劣5类隧道转变成1类隧道，极大改善隧道的安全性和运营条件，延长了隧道的使用年限。2018年隧道经加固改造后通车，截至2021年，经过3年的后续观察，未再发生硫酸盐腐蚀性问题，已恢复了正常的使用功能，见图9。
5 结语
针对G312线六盘山隧道受硫酸盐侵蚀，衬砌混凝土发生劣化、开裂、剥落等病害，导致承载能力不足，本文采用理论分析、数值计算、工程验证等方法，对硫酸盐侵蚀环境下公路隧道加固改造技术进行应用研究，明确了病害原因、加固方案、计算方法、设计和施工要求，得到主要结论如下：
图8 隧道套拱加固施工
图9 套拱加固后现场效果
(1)隧道衬砌硫酸盐侵蚀环境关键在于“治水”,在复合式套拱与原衬砌之间设置完善的防排水系统，有效隔绝腐蚀性地下水，并使其顺畅排出洞外，可防止混凝土侵蚀的进一步发展。
(2)复合式套拱可最大程度利用原结构承载力，改善原结构的受力条件，提高衬砌结构安全系数，是一种强力的衬砌加固方法。
(3)对硫酸盐侵蚀严重的隧道进行加固改造，需采用针对性的高强度、耐腐蚀材料，高抗硫酸盐混凝土强度不宜低于C40,提高密实程度，增强抗侵蚀能力。
(4)对隧道路面下落，不仅可保证套拱的施作空间，避免侵入建筑限界，还可完善仰拱结构，改造中心排水沟，改善隧道的结构受力和排水能力。
(5)复合式套拱加固后，可有效地改善隧道防排水能力，显著增强原衬砌强度、刚度及稳定性，保证隧道的运营安全，延长隧道的使用年限。
参考文献
[1] 中华人民共和国交通运输部.2020年交通运输行业发展统计公报[M].2020.
[2] 刘赞群.混凝土硫酸盐侵蚀基本机理研究[D].长沙：中南大学，2010.
[3] 董宜森.硫酸盐侵蚀环境下混凝土耐久性能试验研究[D].杭州：浙江大学，2011.
[4] 姜磊.硫酸盐侵蚀环境下混凝土劣化规律研究[D].西安：西安建筑科技大学，2014.
[5] 李小坤，施成华，雷明峰.硫酸盐侵蚀环境下隧道结构病害等级研究[J].现代隧道技术，2011,48(4):19-23.
[6] 王海彦，仇文革，杜立峰，等.隧道衬砌混凝土抗硫酸盐侵蚀耐久寿命预测模型研究[J].现代隧道技术，2014,51(3):91-97.
[7] JTG/T 5440-2018 公路隧道加固技术规范[S].
[8] 姜骞，石亮，刘建忠，等.西南某隧道衬砌混凝土中的硫酸盐腐蚀破坏分析及对策[J].隧道建设，2016,36(8):918-922.
[9] 田正，刘宝华.公路隧道叠合式套拱加固技术研究[J].公路，2021,(2):339-344.
[10] JTG D70-2004 公路隧道设计规范[S].
[11] 秦洲，田正，刘燕鹏.六盘山隧道维修加固方案研究[J].筑路机械与施工机械化，2017,34(5):82-88.
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