摘要：源于地铁结构构件多置于地下,环境作用对于构件混凝土使用寿命具有较大的影响，一旦由于耐久性设计不合理导致结构破坏，将影响了地铁运营安全,且不易翻修或者更换结构构件。因此,本文针对地铁设计中结构耐久性影响因素及对应措施进行浅谈总结，对于地铁结构耐久性设计具有一定的意义。
关键词：地铁结构；耐久性；影响因素；措施；总结
1导言
所谓混凝土结构耐久性，是指混凝土结构抵抗周边环境作用，在设计使用年限内，能够保持其正常使用性能和安全的能力。由于地铁结构多埋置于地下，与地下水、岩土介质紧密接触，加之设计施工缺陷及各种突发性灾害等不确定性因素的影响，由此引发的各类耐久性问题越来越严重。尤其是沿海及近海地区，海洋氯离子环境及其他腐蚀性离子会使混凝土及钢筋发生早期腐蚀破坏，从而导致结构的破坏。另外，地铁工程属于城市公共轨道交通工程，投资大、建设周期长、质量要求高，主体结构工程设计使用年限为100年，因此，一旦发生破坏，将耗费大量人力物力进行维修补强，造成较大的经济损失，因此混凝土耐久设计至关重要。
2影响地铁结构耐久性的主要因素
2.1裂缝控制对结构耐久性的影响
对于地铁结构配筋设计，都是在满足承载能力的前提下，结构构件配筋由裂缝宽度进行控制，现阶段我国各地地下车站结构设计多以临土侧不大于0.2mmm的裂缝进行控制配筋。裂缝宽度的大小将直接决定气体、液体及其他化学腐蚀离子在混凝土中迁移渗透的难易程度，从而从根本上导致混凝土结构的侵蚀破坏，因此结构设计计算结果的合理性直接影响到结构本身耐久性。另外，地铁建设完成到交付运营后，原本地层结构发生变化，在外部荷载及土体再固结过程中都会对地下结构产生附加应力作用，若设计时未考虑这些因素的影响，对结构而言出现较大的裂缝等破坏也是可能发生的。针对像天津、上海等沿海软土地区，存在较大范围的非固结土，在100年的运营期难免会产生因为土体固结产生较大的结构应力，从而产生裂缝，为侵蚀性气体、水及腐蚀性离子进入结构内部提供条件，从而降低结构本身的耐久性。
施工过程中，由于施工缝设置不合理等因素，较大体积高强度混凝土浇筑因混凝土收缩等影响，会在混凝土表面产生裂缝；以及混凝土施工质量把控不到位，混凝土出现蜂窝或保护层厚度不足等现象，这些都会导致钢筋的锈蚀，进而降低其正常使用功能。另外，在运营过程中由于管理不善，也可能导致混凝土结构耐久性的下降，比如使用过程中对结构的有意无意的破坏及使用环境发生变化等都会直接影响其耐久性能，最终导致使用年限的下降。
2.2混凝土原材料的影响
混凝土耐久性除了外部原因之外，更多的在于其本身材料的组成。以往为了追求其使用性能，混凝土用水量及水灰比都较高，直接导致了混凝土本身孔隙率的提高，加之空气、水及其他外部腐蚀性离子的渗入，对混凝土耐久性产生了极大地破坏。另外，混凝土原材料中所包含的碱性材料及一些活性集料发生“碱-集料”反应，生成遇水膨胀的胶凝材料，填充于混凝土裂隙中，从而在混凝土内部产生膨胀拉力，导致混凝土开裂产生裂缝，加之周围环境空气、水及腐蚀性离子的侵入，形成流通路径，造成更大范围的侵蚀破坏，最终造成混凝土结构耐久性的下降，伸至丧失其使用功能。
2.3化学因素引起的腐蚀破坏
对于地铁主体的设计来说，其主要结构为钢筋混凝土结构，在实际的地铁运行过程中，地铁隧道中地下水和土壤中的气体（氧气或二氧化碳）、氯离子、硫酸根离子、镁离子等化学物质会对地铁结构中的混凝土和钢筋造成腐蚀，这样的腐蚀作用表现是相当明显的。
根据有关调查显示，地铁结构在不同的环境作用等级下所表现出的耐久性形式及程度存在较大的差异。氯离子可通过表面裂隙进入混凝土结构内部，对混凝土中的钢筋具有较强的腐蚀性；硫酸根离子是混凝土产生结晶类腐蚀的主要评价指标，可生成水化硫铝酸钙导致其体积增大，在结构内部产生较大的内应力；当腐蚀性二氧化碳含量较高时，侵入结构内部与碱性物质发生化学反应生成碳酸盐，使混凝土发生碳化；水土中的镁离子及氯离子也会和混凝土中的氢氧化钙发生反应，形成结晶复合型腐蚀。
在许多地下工程设计建设当中，水土中化学物质对混凝土结构的腐蚀现象非常明显，尤其对于地铁这种规模较大，建设周期较长的地下工程，这样的化学腐蚀破坏对地铁的影响非常大，尤其对于像天津、上海等沿海及近海地区地下结构耐久性能影响较大，化学腐蚀离子通过混凝土表面裂隙侵入，发生化学反应，进而导致裂缝更大，进而引起大面积腐蚀和裂缝的出现，在这样的情况下，需要耗费大量的资金来对其进行维修，所以说，化学因素引起的腐蚀对地铁的耐久性影响较大。
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2.4杂散电流引起的电化学腐蚀
地铁的行驶是采用直流电流来进行牵引的，在行驶的过程中，会存在一定的泄漏电流，这些泄露电流也被称为迷流，迷流所形成的杂散电流会对地铁产生一定程度的电化学腐蚀，产生电化学腐蚀的部位通常包括地铁周围的金属管道和通讯电缆等，这样的电化学腐蚀会在一定程度上缩短金属管线的寿命，同时也会降低钢筋混凝土结构的整体强度，在严重的情况下，会对地铁的安全行驶造成较大的影响。
3地铁结构耐久性研究现状
地铁建筑结构属地下空间建筑范畴，地下空间建筑结构不同于地面建筑结构及水中建筑结构。两者所处的环境不同、施工工艺不同、工程使用特征不同、结构体系计算不同,而且耐久性影响因素也有不同之处。因此,地铁结构耐久性的研究有其特殊意义。由于地下轨道交通在我国起步较晚,地下结构耐久性的研究历来为人们所忽视,极少对其展开专门、系统的研究。国内外现有的一些研究成果表明这方面的研究工作也很不够,而且比较零散、不够深入,侧重于针对具体工程的应用性方面的研究,涉及的范围主要为地下管线、地下贮藏室、填埋场及隧道工程中水泥材料及集料对混凝土耐久性的影响等方面,并且研究内容仍主要局限在材料学科方面。国内对地下结构耐久性的研究虽然起步较晚,但也获得一些可观的成果。
全国土壤腐蚀网站于60年代初在全国多处地方埋设硅酸钢筋混凝土试件,30余年后分析发现腐蚀严重,不同地区试件抗压强度降低7-73%,混凝土中性化深度达15.4-42.Sllun,混凝土中钢筋面积锈蚀率为18-92%,得出结论:硅酸盐材料在地下的耐久性及腐蚀性能较差,不宜于重点工程地下结构。1994年关宝树、高波总结了日本在隧道剩余寿命研究中引入“健康度”的概念及方法,以及美国在工程结构损伤评估中引入结构损伤度的概念。但这种“健康度”或“损伤度”是以隧道破坏、劣化现象的严重程度进行等级划分作为评定依据的,具有一定的粗糙性和主观性,有待进一步完善。
4提高地铁结构耐久性对策分析
4.1材料设计
一是由于地铁结构混凝土浇筑面积大，容易发生水热化而使得产生温度应力，并且考虑到地下侧墙、底板和顶板防水性能优异。所以，地铁结构应选择含碱量少、耐腐蚀性高、抗水性好、水热化低的优质水泥。二是混凝土集料的选择应考虑其活碱性，应选择使用非活碱性骨料，避免因发生碱骨料反应而破环地铁结构的耐久性。三是合理的骨料等级配置也很重要，设计中应优化混凝土骨料的级配，保障混凝土具有较高的密实度。
4.2构造措施
从地铁结构设计方面入手，也是提高地铁结构耐久性中较为重要的一部分，通过改变地铁结构的特点，来有效提高地铁的耐久性。一般情况下，其构造措施主要体现在这样几个方面：首先是对地铁的结构形式进行设计和布置的过程中，需要在最大程度上保证结构构件的均匀性，尽量减少棱角的出现，以此来减少混凝土收缩应力和荷载应力的大规模集中。一般情况下，地铁结构常常为地下矩形框架结构，在对此结构进行考虑的基础上，需要加强纵向钢筋的分布，以此来在最大程度上对混凝土的收缩裂缝进行控制。根据地铁所处的环境和相应的设计标准，需要对混凝土保护层的厚度进行合理设计。在对地铁结构构件形状进行设计的过程中，需要保证其形状能够有效避免地下水等有害物质的粘附和聚集，在必要的情况下需要进行相应的排水设计，另外也需要考虑局部构件在破坏之后的整体耐久能力。在对杂散电流进行考虑的基础上，为了防止杂散电流对地铁的侵蚀，在最大程度上减少电流的腐蚀作用，可以采取堵排结合的方式，并且加强对杂散电流的监测。
4.3设计及施工阶段控制
在地铁结构施工中，应使用分工施工方式，将水泥水化形成的温热应力释放掉，避免产生温度裂缝，减少钢筋的腐蚀。有些混凝土结构的金属部件、连接件、紧固件等暴露在室外时，应通过采用防腐蚀性措施保护其表面，尤其在恶劣的环境下，需要采用多个保护措施或者合理的防腐措施。混凝土养护工作也应重视，避免产生裂缝。为了保障地铁运营的安全性以及使用的持久性，在地铁结构设计中，耐久性设计则是要着重考虑的问题。地铁结构设计还应考虑工程实际特点，相应地开展设计工作，设计师应将混凝土结构设计作为一项重要的工作，和相关管理人员共同努力，极力提高地铁结构的耐久性。
5结论
总而言之，针对地铁结构形式和所处复杂环境,在今后的结构设计之前应展开相应的耐久性基础理论研究,如侵蚀性介质多因素共同作用,岩土介质、复杂多变应力状况,地下水渗流耦合效应,长期变形结构效应等，为结构耐久性设计提供可参考的数据及理论支持。对地铁结构进行耐久性设计时,应强调结构可检性、可换性、可修性、可控性、可持续性,提高地铁结构耐久性,实现地铁结构“百年大计”。
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论文作者:岳彬
论文发表刊物:《防护工程》2017年第25期
论文发表时间:2018/1/2
标签：耐久性论文; 结构论文; 地铁论文; 混凝土论文; 地下论文; 裂缝论文; 电流论文; 《防护工程》2017年第25期论文;