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氯鹽和凍融循環(huán)復合作用對淺埋公路隧道安全性能的影響

文檔作者：尹蓉蓉朱合華文檔來源： 1．同濟大學地下建筑與工程系 2．江蘇科技大學船舶與海洋工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月19日
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第37卷第6期
2011年12月
四川建筑科學研究
Siehuan Building Science 109
氯鹽和凍融循環(huán)復合作用對淺埋公路隧道安全
性能的影響
尹蓉蓉 ，朱合華
(1．同濟大學地下建筑與工程系，上海200092；
2．江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)
摘要：對氯鹽和凍融循環(huán)復合作用后V級圍巖中埋深為10 m的隧道，運用同濟曙光軟件建立荷載一結構法拉壓彈簧模型進
行分析計算。計算表明：1)隨著環(huán)向裂縫寬度(鋼筋銹蝕程度的增加)以及縱向裂縫深度的增加，隧道安全性能逐漸降低；2)
襯砌具有相同鋼筋銹蝕程度和縱向裂縫深度時，拱頂處病害比拱腰處病害對隧道安全性能的影響大；3)當環(huán)向裂縫寬度小于
0．2 mm時，環(huán)向裂縫寬度的變化對隧道襯砌安全性能影響不大。
關鍵詞：淺埋；公路隧道；氯鹽；凍融循環(huán)；安全性狀
中圖分類號：U452．2 7 文獻標識碼：A 文章編號：1008—1933(2011)06—109—04
Safety influenced by combined action of chloride and cycles of freezing and
thawing to shallow highway tunnel
YIN Rongrong ．ZHU Hehua
(1．Dept．of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；
2．School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China)
Abstract：This study，using GeoFBA，generates a load—structure method tensile—eompressional model for analyzing and calculating the
tunnel that is lOm·-depth--embedment surrounding rock V and is eroded by combined action of chloride and cycles of freezing and
thawing．The calculation indicates that first of all，the tunnel safety falls down gradually with the increase of circumferential crack width
(the degree of corrosion of reinforcement)as well as longitudinal crack depth；furthermore，when lining sufers the same corrosion
degree of reinforcement and the same depth of longitudinal crack，the problem Occurs on the arch crown which would bring up bigger
efect to the tunnel safety than that occurs in the haunch；In addition，the change of circumferential crack width，which is smaller than
0．2 mm，would make less influence to the tunnel lining safety．
Key words：shallow；highway tunnel；chloride；cycles of freezing and thawing；safety
0 引 言
我國目前有很多已建成的隧道處于沿海地區(qū)，
當這些地區(qū)還存在正負溫交替時，隧道襯砌不僅受
到氯鹽侵蝕，同時還存在嚴重的凍融破壞。因此，有
必要分析氯鹽與凍融循環(huán)復合作用下隧道的安全
性能。
1 氯鹽及凍融循環(huán)復合作用下混凝
土劣化機理
根據(jù)試驗¨剖對宏觀體積的氯鹽溶液和水結冰
以后的體積膨脹率、抗壓變形能力進行測定的結果
收稿日期：2010-07-07
作者簡介：尹蓉蓉(1974一)，女，江蘇淮安人，江蘇科技大學副教授。
工學博士，同濟大學博士后，主要從事隧道方面的研究。
E —mail：ecsi_ tangjian@163．COrn
顯示，鹽溶液對混凝土抗凍融循環(huán)有雙重作用，冰點
的降低、變形能力的增大對混凝土抗凍有利，結冰體
積膨脹率增大和滲透性提高對混凝土抗凍融循環(huán)不
利。氯鹽溶液中試件表面層飽和程度比在水中高得
多，所以表面層的不利作用大于有利作用，表現(xiàn)為混
凝土嚴重剝落。表面層以內(nèi)則是有利因素大于不利
因素，宏觀表現(xiàn)為相對動彈性模量下降速度稍為緩
慢。氯鹽溶液改變了混凝土在凍融循環(huán)過程中的相
對動彈性模量下降和重量損失的速度，而不改變混
凝土的凍融循環(huán)破壞機理。
2 氯鹽及凍融循環(huán)復合作用后鋼筋
混凝土的力學性能
2．1 氯鹽及凍融循環(huán)復合作用后鋼筋混凝土的
強度
隧道襯砌中的混凝土受氯鹽及凍融循環(huán)復合作
用時，其彈性模量因病害會產(chǎn)生折減，折減后的彈性
1l0 四川建筑科學研究 第37卷
模量見(1)式：
E =(1一Y)E (1)
式中 ——襯砌混凝土腐蝕后的彈性模量，kPa；
y——彈性模量的損失率，％ ；
— — 未腐蝕襯砌混凝土的彈性模量，kPa。
2．2 氯鹽及凍融循環(huán)復合作用后襯砌截面面積
氯鹽及凍融循環(huán)復合作用不僅會腐蝕混凝土，
還會使鋼筋銹蝕。本文引用惠云玲 通過試驗得
出的規(guī)律和結論：當混凝土結構中鋼筋銹蝕到一定
程度，最常見的外觀表現(xiàn)形式是}昆凝土沿鋼筋出現(xiàn)
縱向銹蝕裂縫，其銹蝕程度主要與鋼筋直徑和銹蝕
裂縫開展寬度有關。鋼筋的銹蝕程度可以用鋼筋的
重量損失百分率P來表示。在隧道襯砌的計算中，
從鋼筋重量損失百分率可知鋼筋截面的損失率，氯
鹽及凍融循環(huán)復合作用后襯砌截面面積見公式
(2)：
式中
2．3
剛度
E A=E (1一JB1)Ac0+E。(1一P)A 。 (2)
A——材料劣化后襯砌等效截面面積，m ；
E ——混凝土彈性模量，kPa；
— — 混凝土面積損失率，％，大小為h／h。；
A曲——未腐蝕襯砌混凝土截面面積，m ；
E —— 鋼筋彈性模量，kPa；
p——鋼筋重量損失率，％；
曲— — 襯砌中未銹蝕鋼筋截面面積，m 。
氯鹽及凍融循環(huán)復合作用后鋼筋混凝土的
關于氯鹽及凍融循環(huán)復合作用對鋼筋混凝土剛
度的影響，本文引用趙新 的試驗結果：外荷載作
用下鋼筋發(fā)生銹蝕的鋼筋混凝土梁既產(chǎn)生橫向裂縫
同時也出現(xiàn)了縱向鋼筋的銹脹破壞時，橫向裂縫和
銹脹開裂會降低鋼筋混凝土梁的抗彎剛度，鋼筋混
凝土梁抗彎剛度降低的程度決定于橫向裂縫的深
度、銹脹開裂形成的縱向裂縫的寬度。假設將銹蝕
鋼筋混凝土梁剛度的減小程度用剛度折減系數(shù) 來
表示，氯鹽及凍融循環(huán)復合作用后襯砌的剛度用下
式表示：
E1 =otEI (3)
式中 E——鋼筋彈性模量，kPa；
， ——鋼筋銹蝕后襯砌的慣性矩，m ；
— — 銹蝕鋼筋混凝土梁的剛度折減
系數(shù)，％ ；
，——鋼筋銹蝕前襯砌的慣性矩，m 。
3 襯砌結構安全性驗算方法
隧道設計規(guī)范 中將安全系數(shù)K定義為結構
的極限承載能力 與實際結構軸力N的比值：
= (4)
如果(4)式計算得到的安全系數(shù) 大于或等于
隧道設計規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)K，則認為結構是安
全的，否則認為結構是危險的。
4 模型計算
4．1 模型情況
本文選擇V級圍巖中埋深為10 m的某單拱標
準二車道隧道作為研究對象，運用同濟曙光軟件建
立荷載一結構法拉壓彈簧模型對襯砌受氯鹽及凍融
循環(huán)復合作用后的隧道進行分析計算，模型中初期
襯砌采用噴射混凝土，厚20 em，標號為C30；鋼筋混
凝土二襯，混凝土厚45 cm，標號亦為C30，鋼筋的直
徑為22 mm；彈簧的彈性抗力系數(shù)參照規(guī)范 選取，
其中，壓彈簧彈性抗力系數(shù)k =200000 kN／m ，拉
彈簧彈性抗力系數(shù)取壓彈簧的1／2，混凝土氯鹽及
凍融循環(huán)復合作用后的彈性模量由試驗可知減小
了42％ 。
由病害量化方法可知，有病害隧道模型計算結
果與病害位置、病害作用范圍、病害的程度(裂縫寬
度、裂縫深度等)、產(chǎn)生病害部位襯砌材料性能(彈
性模量、剛度)等因素的影響。本文主要討論氯鹽
及凍融循環(huán)復合作用引起隧道襯砌在拱頂、拱腰
(3O。一50。角)處產(chǎn)生的裂縫對隧道使用功能的影
響，襯砌病害情況見表1。
表1 隧道襯砌的病害情況
Table 1 Defections of tunnel lining
4．2 計算結果
氯鹽及凍融循環(huán)復合作用使V級圍巖埋深10m
隧道襯砌腐蝕后，有裂縫的隧道模型計算所得隧道
全周各個單元(單元在隧道斷面的位置見圖1～3)
的安全系數(shù)分別如圖4～6所示。圖4表示隧道襯
砌拱頂處有裂縫時的安全系數(shù)，拱頂病害處單元編
號為1—53，615—667；圖5表示隧道襯砌拱腰處有
尹蓉蓉，等：氯鹽和凍融循環(huán)復合作用對淺埋公路隧道安全性能的影響 l1 l
圖1 拱頂有病害時單元在斷面圖中的位置
Fig．1 Unit site in the sectional view when disease exists
at arch crown
圖2 拱頂、拱腰有病害時單元在斷面圖中的位置
Fig．2 Unit site in the sectional view when crack exists
at arch cromn。haunch
l50
100
50
。
出一50
． 100
- 150
0 200 400 600 800
單元號
(a)環(huán)向裂縫寬度為0．02 mm
360
l
圖3 拱腰有病害時單元在斷面圖中的位置
Fig．3 Unit site in the sectional view when cra ck exists
at haunch
裂縫時的安全系數(shù)，拱腰病害處單元編號為243—
322；圖6表示隧道襯砌拱頂、拱腰處同時有裂縫時
的安全系數(shù)，拱頂、拱腰同時有病害時單元編號為1
— 13，281—299，318—330。安全系數(shù)圖中將隧道襯
砌受壓時的安全系數(shù)設為正，受拉時的安全系數(shù)設
為負，圖中2線、一3線分別代表規(guī)范給定的混凝土
受壓、受拉時安全系數(shù)的界限值，0．06，0．08，0．1，
0．2代表縱向裂縫深度分別為0．06 in，0．08 m，0．1
m，0．2 m時隧道的安全系數(shù)。根據(jù)安全系數(shù)計算結
果，表2～4總結了V級圍巖埋深10 m隧道襯砌受
硫酸鹽、氯鹽及凍融循環(huán)復合作用后隧道的安全性
狀，表中“、／”代表安全，“×”代表不安全。
單元號
Co)環(huán)向裂縫寬度為O．2nxtft
圖4 拱頂處存在裂縫時隧道安全系數(shù)
Fig．4 Safety coefi cients when crack exists at arch crown
圖5 拱腰處存在裂縫時隧道安全系數(shù)
Fig．5 Safety coe fficients when crack exists at haunch
4．2．1 拱頂處存在裂縫
V級圍巖埋深10 m隧道襯砌受氯鹽及凍融循
環(huán)復合作用后拱頂處存在裂縫時隧道安全性狀見
表2。
單元號
(c)環(huán)向裂縫寬度為2Ⅻ “
0 100 200 300 400
單元號
(c)環(huán)向裂縫寬度為2 m
4．2．2 拱腰處存在裂縫
V級圍巖埋深10 m隧道襯砌受氯鹽及凍融循
環(huán)復合作用后在拱腰處存在裂縫時隧道安全性狀見
表3。
～一 ／＼＼ ／／一 ～ ∞
l12 四川建筑科學研究 第37卷
150
1O0
糕 50
o
{b( 一50
． 100
- 150
，、
n 8 n 二
確 ～二
j 二
l50
100
籟5O
翳 。
悄一50
． 100
． 150
0 100 200 300 400 0 100 200 300 400
單元號 單元號
(a)環(huán)向裂縫寬度為0．02姍 (b)環(huán)向裂縫寬度為0．2伽n
圖6 拱頂、拱腰處存在裂縫時隧道安全系數(shù)
Fig．6 Safety coeficients when crack exists at arch crown-haunch
表2 拱頂處存在裂縫時隧道安全性狀
Table 2 Sfety condition when cra ck exists at arch crown
： = ： 型 深度／m 0．06 O．08 o．1 o．2 環(huán)向裂縫寬度／m — ＼
．
?
0．02 、／ 、／ 、／ ×
0．04 、／ 、／ 、／ ×
0．O5 、／ 、／ 、／ ×
0．O8 、／ 、／ 、／ ×
0．1 、／ 、／ V ×
O．2 V 、／ 、／ ×
0．6 、／ 、／ × ×
1．0 x × × ×
1．5 × × × ×
2．0 × × × ×
表3 拱腰處存在裂縫時隧道安全性狀
Table 3 Safety condition when crack exists at haunch
一環(huán)：向=裂=縫：寬：-=度：／ 型縫深度／m o．o6 o．o8 o．1 o．2 m m — ～ ＼ ? ? ? ?
O．O2 、／ 、／ V 、／
O．o4 、／ 、／ 、／ 、／
0．O5 、／ 、／ 、／ 、／
O．O8 、／ 、／ 、／ 、／
O．1 、／ 、／ 、／ 、／
O．2 、／ 、／ 、／ ×
O．6 V 、／ x／ ×
1．O 、／ 、／ 、／ ×
1．5 、／ 、／ 、／ ×
2．0 × × × ×
4．2．3 拱頂、拱腰處同時存在裂縫
V級圍巖埋深10 m隧道襯砌受氯鹽及凍融循
環(huán)復合作用后在拱頂、拱腰處同時存在裂縫時隧道
安全性狀見表4。
表4 拱頂、拱腰處存在裂縫時隧道安全性狀
Table 4 Safety condition when crack exists at arch cromn，
haunch
一環(huán)向：裂：=縫 寬度／ 型縫深度／m 0．o6 o．o8 0．1 o．2 m m ～ — —
～
? ? ? ?
O．O2 、／ 、／ 、／ V
0．04
0 05 x／ -,／
0．08 x／ 、／ 、／ ×
0 1 x
0 2 x
0．6 、／ x／ 、／ ×
1．0 × x X ×
1．5 × × × ×
4．3 結論
1)從安全系數(shù)圖可以看出，由于氯鹽及凍融循
環(huán)復合作用造成的隧道襯砌劣化，對病害處襯砌的
200
150
100
50
0
． 50
- 100
／n一 l } ‘
三
． 剛 二
0 10O 200 300 400
單元號
(c)環(huán)向裂縫寬度為2 mm
力學性能影響較大，對無病害處襯砌的力學性能影
響較小。
2)隨著環(huán)向裂縫寬度(鋼筋銹蝕程度的增加)
以及縱向裂縫深度的增加，隧道安全性能逐漸降低，
隧道逐漸變得不安全。
3)公路隧道因氯鹽及凍融循環(huán)復合作用產(chǎn)生
裂縫病害，拱頂處環(huán)向裂縫寬度分別為1 mm，1
mm，0．6 mm，0．02 mm，縱向裂縫深度分別為0．06
m，0．08 m，0．1 m，0．2 m時，隧道開始處于不安全狀
態(tài)；拱腰處環(huán)向裂縫寬度為2 m，2 m，2 m，0．2 mm，
縱向裂縫深度為0．06 m，0．08 1TI，0．1 m，0．2 m時，
隧道開始處于不安全狀態(tài)。由此可得，當襯砌具有
相同鋼筋銹蝕程度和縱向裂縫深度時，拱頂處的病
害對隧道安全性能的影響程度比拱腰處的病害對隧
道安全性能影響要大。另外，由于拱頂、拱腰同時存
在病害時的裂縫分布、鋼筋銹蝕長度與只是在拱頂
或拱腰處有裂縫的情況不同，由此，拱頂、拱腰同時
存在裂縫這種病害情況的計算結果與僅拱頂或拱腰
處有病害情況的計算結果沒有可比性。
4)分析計算結果可以看出，當環(huán)向裂縫寬度小
于0．2 mm時，環(huán)向裂縫寬度的變化對隧道襯砌安
全性能影響不大。
5)對計算得到襯砌的受力情況進行分析，可以
看出，當鋼筋銹蝕程度或縱向裂縫深度較大時，病害
處襯砌結構性能變化較大，此時從襯砌受力狀況可
以看出，襯砌在此處發(fā)生失穩(wěn)，而此時用規(guī)范給出的
安全系數(shù)公式計算得到的安全系數(shù)的值不但沒有減
小，反而有所增加，這主要是由于規(guī)范給出的安全系
數(shù)公式不適合襯砌失穩(wěn)時的計算。因此，本文在判
斷隧道是否安全時，要結合安全系數(shù)與襯砌受力情
況兩種因素綜合進行考慮。
參考文獻：
[1] 魏廣和，張玉生，慕儒．氯化鈉溶液對混凝土抗凍性的影響
[J]．工業(yè)建筑，2001，31(1)：50-53．
[2] 魏廣和，慕儒．氯鹽溶液與快速凍融共同作用下混凝土的性
能[J]．建筑技術，2001，32(10)：658-660．
[3] 惠云玲．混凝土結構中鋼筋銹蝕程度評估及預測試驗研究
[J]．工業(yè)建筑，1997，27(6)．
[4] 趙新．銹蝕鋼筋混凝土梁工作性能的試驗研究[D]．長沙：
湖南大學，2006．
『5] ．1TG D70—2004公路隧道設計規(guī)范[S]．

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