地铁结构耐久性研究

王影冲

摘要：中国地铁建设飞速发展，地铁与其他建筑相比，所处的位置、使用功能具有差异性，而其耐久性的研究也有着重要的意义。地铁结构所处的环境中二氧化碳的浓度较高、地下水和有害离子也较多，这些因素均影响地铁的使用寿命。因此，地铁结构的耐久性分析对保证其在设计使用年限内满足功能要求具有重要意义，可以指导地铁结构的设计和施工。

关键词：地铁；耐久性；分析

引言

地铁属于城市快速轨道交通系统，由于以其不受气候条件的影响和安全快捷的运输特点，成为城市公共客运交通网络中的骨干。目前，我国北京、上海、天津、广州、深圳、台北、香港、南京、武汉等城市的地铁均已实现网络状多线路运营。大量地铁工程的建设，不仅解决了大城市公共交通运输问题，更成为国家经济繁荣和社会进步的显著标志之一。

地铁工程是不可逆的工程，一次性投资巨大，且常常穿越城市中心区域，其耐久性要求相对于其他土建工程更高。但近年来，已建地铁在运营过程中出现过不少问题：如上海打浦路隧道因渗流严重而曾封闭大修；北京地铁投入运营几年后就出现隧道内部水管腐蚀穿孔；香港因地铁杂散电流引起煤气管道的腐蚀穿孔而造成煤气泄漏的事故。这些工程事例表明在环境的长期作用下，地铁结构的耐久性存在问题，而对地铁维护、修理、改建以提高其耐久性往往代价巨大，既浪费了大量资金，又影响地铁的正常使用，同时缩短了其维护周期和使用寿命，严重时还会威胁地铁行车的安全。因此，地铁结构的耐久性问题是一个十分重要也是迫切需要解决的问题。

1影响地铁结构耐久性的因素分析

由于地铁混凝土结构埋置于地下的岩土体中，因此耐久性的影响因素相对于地面因素来说更加的复杂。在具体分析地铁结构的耐久性时应该注意以下几方面的影响：（1）地铁结构与水接触，这样会影响地铁结构的耐久性。（2）岩土物质具有的不均质性以及流变性将会影响地铁结构的耐久性。（3）地下复杂的工作条件给施工带来较大的困难，势必会在一定程度上影响地铁结构的耐久性设计效果。下面对影响地铁有关结构耐久性的因素加以详细的介绍。

1.1 化学作用对地铁结构引起的侵蚀破坏

化学作用引起的破坏主要体现在一些离子的侵蚀作用，例如Cl-、SO42-、Mg2+等离子的侵蚀破坏，这些离子对钢筋混凝土的破坏作用比较明显，因此化学腐蚀会对地铁结构的耐久性产生严重的影响。当前许多地下工程的钢筋混凝土存在严重碳化的现象，出现了大面积的裂缝和钢筋生锈等破坏现象，这些破坏对于地铁的正常运行成很大的阻碍，严重影响地铁的安全性，最终不得不花费大量的人力物力来进行维护和加固，保证地铁的行车安全。

1.2 运行中电流对地铁结构耐久性的影响

当前一般的地铁列车采用的是直流电力牵引，当地铁运行的过程中由于受各种因素的影响，会不可避免的出现泄漏电流的现象。这些电流将会对主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀作用，这样将会大大降低金属管线的使用寿命，同时降低地铁主体结构的强度和耐久性，严重时会造成交通事故。

1.3 地质沉降引起的结构破坏

由于不同地层的流变性和坚固性存在差异，同时地铁隧道周围环境土层存在不均匀的现象；因此在地铁隧道建成以后，由于部分地段的土质差异较大，这将会造成各部位隧道结构呈不均匀的沉降。最终造成各阶段处产生裂缝的现象，严重影响地铁的运行安全。

2 提高地铁耐久性的具体措施和方法

影响地铁结构耐受性因素众多，提高地铁结构的耐久性是一个长期的系统工程。要想提高地铁相关结构的耐久性能，应该从多个方面考虑，针对各种影响因素进行相应的改进措施。

2.1 混凝土的防护

在施工的过程中，混凝土中存在着大量的孔隙，为侵蚀介质提供了渗透的通道。因此要想增强有关结构的耐久性，必须改善混凝土的抗渗和抗裂的性能，不给任何物质提供渗透的通道，延长有关部件的使用寿命。根据现代混凝土的发展状况来看，目前已经出现了一些新型的混凝土，这些混凝土具有很强的使用效果。（1）具有高效能的混凝土，采用高效能的混凝土取代传统的水泥，制成的混凝土具有高强度、低收缩和高抗渗的优点。（2）采用钢纤维混凝土，主要做法是将钢纤维掺入混凝土中，显著提高其抗弯的性能，增加韧性，最终实现其良好的可塑性。另外，将侵蚀介质与混凝土隔离开来，在混凝土的表面涂刷保护膜，可以很好的降低侵蚀介质扩散率，同时可以增加混凝土表面的保水性。阻止水分的蒸发，切断混凝土毛细水通路延缓碳化进程。

2.2 防止钢筋等材料氧化生锈

在施工的过程中，钢筋如果得不到有效保护，往往会容易生锈。特别的是在环境十分恶劣的条件下，钢筋更容易生锈，因此要时刻注意对钢筋等材料的保护。主要的保护措施有：利用钢筋阻锈剂防止钢筋生锈；利用阴极保护技术防止钢筋生锈；利用镀层钢筋或者是涂层钢筋。钢筋得到有效的保护可以增强地铁结构的耐久性。

2.3 制定详细的规章制度

在使用阶段，应制定合理的管理制度以及办法，消除或尽量减少各种可能存在影响地铁耐久性的潜在威胁，并加强安全性与耐久性的检测；对某些具体的指标进行长期监测，时刻掌握工程使用状态信息，一旦出现问题，可以及时解决问题。当前，地铁隧道结构材料的防腐和防老化，可以采取混凝土表面涂层，结构件的阴极保护等措施。

3 地铁结构耐久性的设计要点

结构的耐久性是一项综合性能，但是对地铁结构来说，提高耐久性的措施有一个共同之处。其设计要点主要从材料选择、构造措施和施工措施这三方面考虑。

3.1 地铁材料的选择

施工中应减小大体积混凝土浇筑时产生的水化热，以降低温度应力对车站结构产生的危害，同时车站结构的顶板、底板、侧墙的混凝土应具有良好的自防水性能。因此，在地铁结构中的水泥材料应该选择碱性含量小，耐热性等性能良好的水泥。混凝土集料的选择也应该考虑碱活性，进行合理的级配，改善混凝土的碱性，提高混凝土的密实度。

在进行地铁设计时，要进行现场环境的勘察，由于地质条件的差异，土壤中存在各种各样侵蚀物质，因此采用高性能的混凝土也是提高结构耐久性的一种有效的方法。一般都是采用高性能的优质水泥，优质的掺合料和高效减水剂，并利用高效减水剂尽量降低混凝土的水胶比。

3.2 構造措施和结构设计

结合地铁结构的自身特点，改善地铁结构耐久性的构造措施主要有：地铁的结构形式应该尽量保持构建截面均匀，避免截面出现棱角，从而减小混凝土产生收缩力，防止裂缝现象的出现。结构构件应按其使用环境确定相应的混凝土保护层厚度。结构设计应该着重考虑混凝土的裂缝宽度，预防外界物质渗入内部腐蚀钢筋。在进行地铁结构设计时也应该考虑构件局部损坏后的整体耐受能力，还要注意局部的防水设计，防止水进入到内部对地铁结构产生损害，影响地铁的使用寿命。

3.3 施工过程中措施

在施工的过程中应该有效的释放水泥水化过程中产生的热量，防止因为温度的变化引起结构产生裂缝，从而导致钢筋出现上锈的现象。暴露在混凝土外的金属部件要进行有效的保护，防止出现氧化生锈的现象。在潮湿的环境中更要采取合理的防腐措施，保证部件的安全性，防止氧化。施工中应严格遵守混凝土养护制度和施工环境要求等，为地铁结构具有良好的耐久性打下坚实的基础。

结束语

影响地铁地下工程耐久性的因素很多，工程结构设计人员应该借鉴国内外的成功经验与做法，充分考虑到现阶段的施工管理水平和材料工艺水平，设置适当的安全度和富裕度，运用科学合理的管理和设计办法，最终提高地铁结构的耐久性。

参考文献：

[1] 金伟良，赵羽习.混凝土结构耐久性研究的回顾与进展[J].浙江大学学报，2014（4）.

[2] 王振信.盾构法隧道的耐久性[J].地下工程与隧道，2016（2）.